近日，我院深海探测与装备中心万武波博士在Journal of Materials Science发表了题为“ZIF-8 induced growth of blade-like Zn nanosheets on carbon fiber cloth for high-performance separation of oil-in-water emulsion”的研究成果，该研究采用水热法在碳纤维布上生长ZIF-8纳米颗粒，从而在电沉积过程中起到诱导作用，在表面垂直生长“刀片”状锌纳米片，得到锌纳米片/碳纤维布复合材料。该研究揭示了“刀片”状负载层的形成机理，提出基于开发材料的乳化油切割破乳分离机制。

窗体底端

研究背景

由于石油开采以及泄漏造成的污染对环境影响日益严重，油水分离材料及其技术的开发已经成为一个全球性的课题。近年来，随着对石油需求的不断增长，海洋钻井技术得到快速发展，海洋油田数量也随之增加。深水油田的开采通常采用注水技术，因此会产生大量的含油废水。工业生产所带来的含油废水也是环境污染的重要来源。此外，海洋溢油事故因其破坏性影响，也引起了人们的极大关注。

含油废水中的水包油乳状液是一种稳定的液-液胶体悬浮物，随着油田的不断开发，乳状液的粒径、pH值、电荷等性质变得更加复杂，因此，破乳的难度大大增加。对于水包油乳液的分离，首先要打破稳定的油-水界面，释放被包裹的分散相（油）来实现破乳，然后小油滴碰撞聚集形成大油滴，浮到水面上，最终从系统中被移除。近年来，能够实现有效破乳的先进材料受到越来越多的关注。

研究结果

针对上述问题，团队以碳纤维布为基底材料，创新性将水热法和电沉积法进行结合，制备得到刀片状锌纳米片修饰的碳纤维布，实现表面的微纳米粗糙度和亲水性。制备过程中，水热法生成的ZIF-8纳米颗粒对电沉积过程起到诱导作用，有效调节了碳布材料的表面形貌，生长的刀片状锌纳米片具有切割效应，可以破坏稳定的水包油乳液，提高乳液分离效率。

图1. (a)原始碳纤维(CFs); (b)HNO₃氧化后的CFs(OCFs); (c)ZIF-8修饰的CFs(ZIF-8/CFs); (d)刀片状锌纳米片修饰的CFs(B-Zn/CFs)的扫描电镜图; (e)材料的XRD图

制备得到的B-Zn/CFs表现出优异的超亲水-水下超疏油特性。通过对电沉积时间与材料性能关系的分析得出，随着电沉积时间的增加，材料的亲水性和水下疏油性逐渐提高。结合不同沉积时间下材料分离效率和乳液通量的分析，最佳反应时间为100s，此时材料具有超亲水-水下超疏油性，同时具备优异的分离性能和较高的乳液通量。

图2. 碳纤维布的表面润湿性变化: (a) 原始CFs;(b) OCFs;(c) ZIF-8/CFs;(d) B-Zn/CFs的水接触角;(e) CFs;(f) OCFs;(g) ZIF-8/CFs;(h) B-Zn/CFs的水下油接触角。反应时间对润湿性的影响:(i) 水接触角变化;(j) 水下油接触角变化。

通过对得到的碳纤维布复合材料B-Zn/CFs的性能测试表明，材料对多种不同的水包有机溶剂乳液都有较高的分离效率。在10次循环内，分离效率仍保持在98.53%以上，乳液通量稳定在666.23L m-2 h-1 bar-1以上。且在不同时间超声处理和高浓度盐溶液浸泡下，水下油的接触角都可以保持在150°左右。说明该材料具有良好的循环稳定性和环境稳定性。

图3 (a)水包异辛烷乳液(左)和滤液(右)的照片和光学显微图; (b)不同电沉积时间制备的B-Zn/CFs水包油乳液分离结果; c)不同材料的渗透乳液通量

研究团队

该项研究工作由海南热带海洋学院崖州湾创新研究院联合大连理工大学、北京化工大学以及新疆大学的多个团队合作完成，大连理工大学硕士生郭俊杰为论文第一作者，万武波博士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金以及海南省重点研发计划项目的资助。

论文来源：

Junjie Guo, Zongbin Zhao, Changyu Leng, Yong Li, Jian Xiao, Xuzhen Wang, Luxiang Wang, Dianzeng Jia, Wubo Wan, Jieshan Qiu. ZIF-8 Induced Growth of Blade-like Zn Nanosheets on Carbon Fiber Cloth for High Performance Separation of Oil-in-Water Emulsion [J]. Journal of Materials Science, 2022, 57: 15777-15788.

论文链接：https://doi.org/10.1007/s10853-022-07633-7

供稿：万武波