“翻手过油、覆手过水”的智能光控过滤材料

刺激响应性智能材料的结构或化学性质能够在光、热、磁以及pH等外界刺激诱导下产生可逆转变，在信息存储、传感、智能机器人、智能涂层等诸多领域有着广泛的应用。在水处理领域，针对油水分离、油水混合乳液分离，目前的技术多基于单一亲水/疏水性多孔膜材料或多孔材料表面进行特定的亲水或疏水修饰改性，而将智能响应性组分引入多孔膜材料表面，进而实现多孔膜表面亲疏水性的可逆转化方面的相关应用研究还相对较少。

近日，加拿大阿尔伯塔大学Ravichandran H. Kollarigowda教授以生物基纤维素纤维为多孔膜基材，通过表面修饰光敏性含偶氮苯低表面能功能基团，得到初始表面疏水的油水分离膜。该智能型分离膜在UV和可见光照射下表面基于偶氮苯可逆顺反异构化能够实现亲水/疏水的可逆转变，从而可应用于油相或水相的选择性透过分离。

光响应性智能油水分离膜应用示意图。图片来源：ACS Appl. Bio Mater.

纤维素纤维多孔膜经过3-溴丙酸、三乙胺处理，表面引入羧基官能团后进一步修饰具有抗菌性的多巴胺；而后基于多巴胺酚羟基接枝光敏性羧基偶氮苯基元，最后经过1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷修饰，得到具有低表面能的光响应性疏水性纤维表面。

纤维素纤维多孔膜表面修饰改性示意图。图片来源：ACS Appl. Bio Mater.

研究团队采用X-射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱对修饰后纤维膜表面的元素分布进行了详细表征分析，证实纤维表面得到充分功能修饰改性。经过表面修饰改性后纤维膜表面由原始的超亲水转变为高疏水特性，其静态水接触角为130° ± 6°。

纤维膜表面亲疏水性光调控测试。图片来源：ACS Appl. Bio Mater.

UV-Vis光谱测试显示在UV和Vis光交替照射下纤维表面偶氮苯基元呈现明显的可逆顺反异构化反应，该偶氮苯的顺反异构化带来的分子极性和空间构象的转变进而触发纤维膜表面亲疏性的可逆转变；经过UV曝光处理10 min其表面呈现亲水特性，而进一步可见光曝光处理20 min，多孔纤维膜表面恢复初始高疏水状态。

多孔纤维膜循环吸油/吸水性能测试。图片来源：ACS Appl. Bio Mater.

改性多孔纤维膜在吸水/吸油性能方面：初始改性多孔纤维膜疏水亲油，其对己烷、乙醚、苯、环己烷、硅油、橄榄油等都具有优异的吸油能力，油水混合溶液中吸附5 min吸收油量为35~50 g；经过UV曝光处理后，多孔膜转变为疏油亲水，能够从油水混合液中吸附水分；经过10余次吸油/吸水循环测试后，纤维膜表面水接触角仍维持~130°，展现出优异的性能稳定性。将其作为油水分离过滤膜应用，其最大油通量达3000 L/hr/m²。

改性纤维多孔膜用于油水分离应用。图片来源：ACS Appl. Bio Mater.

基于改性纤维多孔膜表面亲疏水性的光可调控性，经过UV曝光处理后，超亲水性纤维膜可用于污水的高效净化处理；同时，基于修饰组分中多巴胺的高抗菌/抗生物污染性，改性过滤膜单次过滤处理，污水中不溶颗粒杂质截留率为60%、细菌截留率为70%。

改性纤维多孔膜污水净化处理应用展示。图片来源：ACS Appl. Bio Mater.

总结

该论文利用偶氮苯基团的可逆顺反异构化反应，简便实现了多孔膜表面的光调控润湿性转变。相较于传统的多孔过滤膜材料，该智能型多孔纤维膜具有更为广泛的应用范围；同时，油相或水相的选择性吸附/透过特性使得该多孔膜在微流控、液体可控传输等方面有着重要的应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Stimulus-Responsive Biopolymeric Surface: Molecular Switches for Oil/Water Separation

Ravichandran H. Kollarigowda, Harisha Mysore Bhyrappa, Gang Cheng

ACS Appl. Bio Mater., 2019, 2, 4249-4257, DOI: 10.1021/acsabm.9b00531