近年來，膜分離技術作為處理污水的新型技術之一被廣泛研究和應用，此技術相較其他技術，如采用重力分離、混凝、破乳、吸油撇油、生物降解、絮凝吸附、離子交換等常規分離工藝具有多方面優勢，如選擇性強、能耗低、應用范圍廣、環境友好、設備簡單、操作方便等。油水分離膜根據材料可分為有機膜和無機膜兩類，有機膜在科學研究和商業領域有著廣泛的應用。與有機膜相比，無機陶瓷膜化學和熱穩定性強，具有優異的耐污和抗壓性能，易于清洗、機械強度高、壽命長，因此，使用陶瓷膜進行油包水乳狀液分離是一大趨勢。疏水改性可增強陶瓷膜對油的潤濕性能，提升油包水乳液的分離效率，增強膜的化學穩定性和耐用性。

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油包水(W/O)乳液體系的形態是水以小液滴的形式分散于油中，膜分離過程中的膜污染現象導致滲透通量及截留率隨使用時間的延長而下降，縮短膜的使用壽命，限制了膜分離技術的應用。對陶瓷膜表面的改性可以提高膜的特定選擇性和分離效果，減少膜表面與不必要進料分子之間的相互作用，從而在一定程度上減少膜污染。因此，分離油包水乳狀液通常選擇疏水膜，利用膜表面的疏水親油特性，允許油滴通過，截留水滴，從而達到油水分離的效果。

陶瓷膜表面疏水改性

陶瓷膜表面疏水改性通常通過結合或者附著疏水材料，選擇較低的表面能、合適的粗糙度和表面結構來實現，比如利用硅烷或者硫醇等提供表面化學性質，微米或納米結構的引入獲得粗糙度較好的表面，提高膜表面的疏水效果，增強分離性能。

陶瓷膜表面疏水改性常用方法有3種：浸漬法、溶膠凝膠法以及化學氣相沉積法。

1.浸漬法

浸漬法(Impregnation method)無需特殊設備，只需將原始陶瓷膜直接浸泡在疏水性物質溶液中，方法簡便直接，容易操作，成本較低。使用浸漬法對陶瓷膜表面進行疏水改性，通常是利用疏水性物質含有的官能團與陶瓷膜表面羥基通過縮合反應進行連接。

以硅氧烷作改性劑為例，浸漬法操作步驟為：將有機硅烷溶解在水或乙醇等溶劑中進行水解，獲得具有反應活性的硅醇溶液；將預處理的陶瓷膜浸泡在該溶液中，反應性硅烷分子可被吸附在膜表面，從而獲得具有疏水特性的膜。

浸漬法改性技術路線圖

疏水效果是膜表面粗糙度和表面能共同作用的結果，在對陶瓷膜進行疏水改性的研究中，通常先在陶瓷膜表面提供一定的粗糙微納米結構，再對其進行低表面能的修飾。除使用硅烷偶聯劑進行改性外，硫醇也是降低膜表面能的優選物質。

綜上所述，使用浸漬法對陶瓷膜表面進行疏水改性的操作及步驟較為簡單，受改性劑種類、改性劑濃度、浸漬時間、浸漬次數以及陶瓷膜表面的粗糙度影響較大，且由于發生反應的低表面能物質數量取決于自身濃度及陶瓷膜表面羥基數量，因此該方法對陶瓷膜表面具有反應活性的羥基也有較大依賴性。

2.溶膠-凝膠法

溶膠 凝膠法(Sol-gel technique)以含高化學活性組分的化合物作為前驅體，在液相下將這些原料均勻混合，經過水解、縮合等化學反應，在溶液中形成穩定的透明溶膠體系，溶膠經陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維網絡結構的凝膠，凝膠經過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。

使用溶膠-凝膠法對陶瓷膜進行疏水改性，可在膜表面形成較大的粗糙結構，且可直接結合低表面能化學物質。不過在溶膠溶液中較早引入有機硅烷可能會導致形成大體積聚合物，從而導致改性效果較差。

溶膠凝膠法改性技術路線圖

與其他方法相比，溶膠-凝膠法可制備出穩定且分離效果好的疏水表面，但該方法需要較長時間制備溶膠溶液，過程中有可能形成大分子聚合物，影響改性效果。一般涂覆完成后還需二次燒結，工藝較為繁瑣，且二次燒結時溫度過高會破壞膜層結構，降低膜的疏水性及穩定性，改性膜孔徑會隨著溶膠凝膠涂覆的次數及時間增加而減小。此外，溶膠劑對膠體制備過程中膠體的形成有重要影響，進而影響成膜質量，涂覆時間和次數、環境溫度和濕度、升溫速度、煅燒溫度和煅燒時間均對于后續涂覆干燥過程產生較大的影響。目前可通過減少高溫燒結步驟、一次性在膜層表面形成粗糙結構并結合低表面能物質等方式簡化工藝，減少高溫對膜層結構的破壞。

3.化學氣相沉積法

化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)利用氣相反應物在基材表面沉積后形成具有特定化學性質的固態膜。該方法具有薄膜組成可控、制備膜層重復性好、膜層均勻、適用范圍廣、不受基材形狀限制以及對基體材料無損害等優點，是改變膜表面性能和微觀結構的有效方法。使用該方法對陶瓷膜進行疏水改性時，需將陶瓷膜置于密閉容器中，在有機硅烷的沸點溫度下加熱足夠長時間。通入有機硅烷蒸氣與陶瓷膜表面的羥基發生反應，反應原理與浸漬法相同。

一般情況下，為了使有機硅烷試劑可以充分利用，需選擇與陶瓷膜片尺寸相近的封閉容器，使得有機硅烷蒸氣可與陶瓷膜的接觸及反應最大化。

化學氣相沉積技術路線圖

化學氣相沉積法是在膜表面制備微納米顆粒及納米棒，形成有序微觀結構的首選工藝。經化學氣相沉積法疏水改性的陶瓷膜具有膜層均勻、穩定性好、適用范圍廣等優點，但同時存在疏水膜層厚度薄，機械性能不足，在外力沖擊下易產生裂紋、氣泡等缺陷。水滴和污染物從裂紋滲透進入膜層，破壞其內部結構，降低膜層的疏水性能與穩定性。部分參與沉積反應的有機硅烷具有毒性，將對人體和環境造成危害。另外，該方法所需反應溫度較高，隨之而來的高能耗與高成本限制其在實際工業生產中的應用。

三種改性方法優劣勢對比

參考來源：

1.油水分離陶瓷膜表面疏水改性方法研究進展，王炳威、黎想、張瑛潔、程喜全、王凱（膜科學與技術）；

2.陶瓷膜的低成本制備及其油水分離應用研究進展，于慶海、朱家明、趙倩倩（膜科學與技術）。

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