《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Rh@ZIF-67 Nanoparticles for 1-Octen-3-ol Gas Sensor Working at Room Temperature
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本文综述了电纺纳米纤维膜在油水分离中的应用，重点比较了生物降解聚合物、常规聚合物和碳基材料的三种类型，分析其性能特点及制备工艺关键参数，并探讨规模化应用中的挑战与未来方向。
普拉迪普·P·盖克瓦德（Pradip P. Gaikwad）| 拉贾拉姆·S·苏塔尔（Rajaram S. Sutar）| 萨加尔·S·英戈尔（Sagar S. Ingole）| 阿克沙伊·R·琼德尔（Akshay R. Jundle）| 鲁图贾·A·埃昆德（Rutuja A. Ekunde）| 刘尚虎（Shanhu Liu）| 桑杰·S·拉特（Sanjay S. Latthe）
自清洁研究实验室，物理系，维韦卡南德学院（Empowered Autonomous），隶属于希瓦吉大学，科拉普尔 – 416 003，马哈拉施特拉邦，印度
摘要
传统的油水分离方法往往效率低下且稳定性不足，而超疏水静电纺丝纳米纤维膜由于其薄而多孔的结构，能够显著提高表面积和流体相互作用能力，从而表现出更优异的性能。这些功能化的膜可以实现选择性的油水分离，适用于环境修复、工业废水处理和石油泄漏回收等领域。本文综述了用于油水分离的材料选择，重点讨论了生物降解聚合物、传统聚合物和碳基静电纺丝膜。各类材料各有优势：生物降解聚合物可自然降解，减少污染并防止微塑料积累，适合在偏远地区的一次性使用；传统聚合物可通过改性提高选择性，便于在大型系统中应用；碳膜具有独特的孔结构和高表面积，具有优异的化学耐受性和机械耐用性，其可调孔径和抗污染性能有助于实现高效低能耗的分离过程。此外，文章还探讨了影响纳米纤维形态和性能的静电纺丝工艺关键参数，并指出了实际应用中存在的可扩展性、经济可行性和长期稳定性挑战。同时，文章提出了未来研究方向，强调了跨学科方法在提高这些膜解决全球油污问题方面的必要性。
引言
如今，静电纺丝纳米纤维膜在学术界和工业界因其在油水分离中的应用而受到广泛关注。家庭和工业过程中产生的含油废水量巨大。每年石油消耗量接近300亿桶，凸显了石油的广泛使用及其对环境的严重影响。海运在此过程中扮演关键角色，每天约有500万吨石油通过航运路线运输[1]。过去十年中，与运输相关的活动导致了约19.6万吨的石油泄漏[2]。2018年发生的桑奇油轮事故导致约11.6万吨石油泄漏到东海[3]。含油废水对海洋环境构成严重威胁，加剧气候变化，并对人类健康构成风险。
为应对这些挑战，人们开发了多种传统方法[4][5][6]，但这些方法通常缺乏选择性，会同时吸收油和水，从而复杂化分离过程[7]。因此，亟需开发高效、经济且环保的分离技术。超润湿技术成为分离油水混合物的有效方法。超润湿材料分为两类：超疏水/超亲油型和超亲水/超疏油型。前者吸收油并排斥水，后者吸收水并排斥油。基于这些原理，开发出了多种超润湿材料，包括超润湿海绵、金属网、水凝胶、气凝胶、织物、纤维素和纳米纤维膜等[9][10]。其中，纳米纤维膜分离技术在处理含油废水方面展现出巨大潜力[11]。这类膜具有高表面积与体积比、可调孔径等多重优势，同时易于功能化，重量轻、柔韧性好，可大规模生产且成本低廉，运行维护方便，具有低能耗、高效分离等优点。此外，这种技术能精确控制纤维直径、孔隙率和膜组成等关键参数，对开发先进分离膜至关重要。该技术不仅有望显著提升石油回收和废水处理效率，还能有效应对与石油相关的环境问题[13][14]。
过去十五年来，关于静电纺丝纳米纤维膜在油水分离方面的研究论文数量显著增加（见图1a）。这一增长反映了人们对其在解决石油泄漏和废水处理等环境问题上的兴趣日益浓厚。静电纺丝技术的进步使得膜材性能得到提升，可定制化的膜材种类也更加多样（见图1b）。其中，73%的论文关注传统聚合物，表明这些材料在过滤应用中仍占主导地位；仅有21%的研究涉及碳基膜，而生物降解聚合物的研究则更为有限，显示出可持续材料领域的不足。这一分布表明人们对传统材料仍有偏好，也为未来开发环保型材料提供了研究方向。
迄今为止，已有许多关于静电纺丝和纳米纤维膜的综述文章，但这些综述主要集中在膜材的制备工艺上。然而，尚无专门探讨生物降解聚合物、传统聚合物和碳基静电纺丝膜在油水分离中应用的综述。鉴于石油和食品加工等行业在处理含油废水时面临的环境和技术挑战，这种研究显得尤为重要。各类材料各有优势：生物降解材料可自然降解，减少污染和微塑料污染；传统聚合物可通过改性提高选择性；碳膜具有独特孔结构和高表面积，化学耐受性和机械耐用性强。本文将重点讨论这三类膜在油水分离方面的进展，分析影响纳米纤维形态和性能的关键工艺参数，并探讨开发高效、耐用且环保膜材的未来方向。
静电纺丝纳米纤维的制备
静电纺丝技术发明于1934年，近年来已取得显著进展并实现了标准化[19][20]。典型的静电纺丝装置包括接地收集器、金属喷头和高压电源。图2a展示了静电纺丝装置的示意图，说明了纤维形成过程中的各个组成部分和动态过程。
生物降解纳米纤维膜
生物降解聚合物膜，尤其是聚乳酸（PLA）和聚己内酯（PCL），因其生物相容性和可持续性而在油水分离领域受到关注[65]。PLA来源于玉米淀粉等可再生材料，通过表面修饰（如添加纳米颗粒或低表面能分子混合物）可达到超疏水性（WCAs超过150°）[66]。化学改性（如接枝低能量功能基团）也能进一步提升其性能。
材料选择中的关键比较与权衡
生物降解膜（如PLA、PCL）可减少环境影响并实现超疏水性（分离效率超过98%[78]），但机械强度较低（1.8–16.2 MPa[75][80]），且在高温或强溶剂作用下会降解[73]。相比之下，传统聚合物膜（如PVDF、PI）强度高且化学稳定性好。例如，静电纺丝PI膜的拉伸强度超过400 MPa，同时具有高油排斥率（>99%[127]）。
优势与局限性
生物降解聚合物（如PLA、PCL、PHBH和多种纤维素衍生物）源自可再生资源，可自然分解，降低二次污染风险并减少微塑料产生。这些材料制成的膜具有高孔隙率和可调润湿性等优异性能。
结论、挑战与未来展望
静电纺丝纳米纤维膜因高表面积和可定制特性成为处理含油水体的有效解决方案。添加先进添加剂和纳米颗粒可提升其超润湿性、分离效率和耐用性。本文重点研究了由生物降解聚合物、传统聚合物和碳基材料制成的高孔隙率膜，强调了这些材料的可持续性。
作者贡献声明
桑杰·S·拉特（Sanjay S. Latthe）：验证、监督、资金获取、概念构思、撰写及审稿编辑。
刘尚虎（Shanhu Liu）：撰写及审稿编辑、验证、监督。
鲁图贾·A·埃昆德（Rutuja A. Ekunde）：方法设计、数据管理。
阿克沙伊·R·琼德尔（Akshay R. Jundle）：方法设计、数据管理。
萨加尔·S·英戈尔（Sagar S. Ingole）：实验研究、数据管理。
拉贾拉姆·S·苏塔尔（Rajaram S. Sutar）：初稿撰写、方法设计、实验研究、概念构思。
普拉迪普·P·盖克瓦德（Pradip P. Gaikwad）：初稿撰写、方法设计、实验研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
我们非常感谢维韦卡南德学院（Empowered Autonomous）提供的种子资金支持（参考编号：VCK/3108/2023-24，日期：2024年3月30日），以及查特拉帕蒂·沙胡·马哈拉杰国家研究奖学金（Chhatrapati Shahu Maharaj National Research Fellowship）和查特拉帕蒂·沙胡·马哈拉杰研究培训与人类发展研究所（Chhatrapati Shahu Maharaj Research Training and Human Development Institute，浦那，参考编号：CSMNRF-2021/2021-22/896）的支持。
