综述：利用Janus膜重新设计油水分离技术：从非对称制备到工程应用视角

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Reprogramming oily water separation with Janus membranes: From asymmetric fabrication to engineering perspectives

　　

Mingyi Ying|Bisheng Li|Jiaheng Teng|Xiang Cai|Cheng Chen|Leihong Zhao|Hongjun Lin

中国金华市321016，金华职业技术学院

摘要

含油废水包括游离油、分散态油以及表面活性剂稳定的乳状液，其分离过程受润湿转变和污染发展的影响，而不仅仅取决于孔径大小。Janus膜通过设计厚度方向的润湿性或电荷不对称性，引入方向依赖性的传输机制、毛细作用调控以及压差不对称性，从而实现选择性过滤、破乳以及可切换操作，有效解决了上述矛盾。本文系统总结了这类膜的制备策略、应用场景以及实际应用中的障碍，指出只有当相关设计能够实现稳定的孔径级不对称性，并具备可控的附着性、缺陷容忍度和平面内阻力时，才能真正发挥工程应用价值。根据进料复杂度的不同，这些膜的表现也有所差异：对于游离油和分散态油，定向渗透效果较好；而对于稳定乳状液，则需要通过精确控制润湿性和界面处理（如电荷屏蔽、聚并）来实现分离。将这类膜与膜蒸馏技术结合或用于混合系统，虽然能拓展其应用范围，但也会带来抗润湿性能与传输效率之间的权衡。这类膜并非万能解决方案，其实际价值取决于在真实进料条件下，能否比传统单润湿性膜提供更具针对性的优势。未来的研究应重点开发可大规模生产的无氟结构、缺陷极少的制造工艺，以及能在工业环境中长期稳定运行的膜材料。要将Janus膜真正应用于含油废水处理，还需要在模块化设计方面取得创新，使其符合近零液体排放和可持续环境治理的目标。

引言

含油废水属于一类界面体系，包括游离油、分散态油以及表面活性剂稳定的微/纳米乳状液。盐分、天然有机物和细小固体可能会稳定油滴，进而改变界面张力和电荷状态，因此其分离过程不仅与孔径大小有关，还受润湿转变和污染发展的影响[1]、[2]、[3]。尤其是那些粒径小于20微米的稳定乳状液，由于聚并过程受到动力学限制，且界面层会在实际水环境中不断变化，因此成为难以处理的目标[2]、[3]、[4]。传统的处理方法，如重力分离、浮选、离心以及化学破乳，对游离油效果较好，但随着油滴尺寸减小，效率会下降；而化学添加剂则可能产生新的污染物，增加后续处理难度[2]、[3]。膜分离技术虽然具有高效紧凑的优势，但单润湿性膜存在明显缺陷：亲水/疏水表面虽能排斥油类，却容易发生污染；而疏水/亲水表面虽可处理水包油型体系，但在表面活性剂降低界面张力时，却容易出现润湿问题及孔隙被永久堵塞的情况[2]、[3]、[5]。在膜蒸馏过程中，低表面张力有机物的润湿作用往往是导致系统失效的主要原因，因此除了缩小孔径外，还需要设计出更有效的抗润湿结构[6]。

Janus膜通过设计厚度方向的润湿性或电荷不对称性，为传输过程提供了内在的“驱动力”，同时形成了方向依赖性的毛细作用和拉普拉斯压力条件，从而调控传输过程和润湿转变[7]、[8]。这一概念最初源于不对称织物上的可切换定向传输现象[9]，以及仿生Janus膜上的流体二极管控流机制[10]。随后，这类膜很快被应用于实际乳状液分离领域：聚合物/碳纳米管复合材料可实现表面活性剂稳定的水包油和油包水乳状液的方向控制分离[11]；而选择性等离子体氧化技术则可制备出具有超亲水/超疏水特性的碳纳米管基Janus膜，这类膜能在恶劣环境中正常工作[12]。分层润湿结构以及电纺Janus纳米纤维膜进一步提升了膜的选择性控流能力和高通量可切换操作性能[13]、[14]。重要的是，Janus界面还可以作为界面处理器，通过相反的润湿特性实现可控的乳状液生成[15]，同时通过调节亲水层厚度来实现基于电荷屏蔽的破乳效果[16]。

近期的研究更注重可制造的化学工艺以及适合实际应用的膜结构。可切换型Janus陶瓷膜将不对称润湿效应扩展到了无机基底上[17]，此外，还有针对含油盐水进料的Janus膜设计，这类设计需要同时优化脱盐功能和抗油润湿性能[18]。受贻贝结构启发的儿茶酚/PEI添加剂策略可以实现原位形成Janus结构，提升层间结合力[19]；而可控型Janus多孔膜则表明，可以通过孔径结构设计实现定向传输，从而实现无需外部能量的液体操控[20]。中空纤维型Janus膜则实现了连续的破乳和分离功能，推动了Janus膜向模块化应用的发展[21]、[22]。在更前沿的研究中，Janus膜的概念已经从单纯的膜材料发展为完整的装置结构：由亲水/疏水膜构成的封闭通道，能够同时从表面活性剂稳定的乳状液中回收油类和水，直接服务于近零液体排放的目标[1]。

随着应用领域的拓展，以膜蒸馏为应用目标的Janus膜以及多功能界面也逐渐增多。研究表明，通过控制亲水层厚度和设计密集的Janus层，可以将膜的渗透性与抗污染、抗润湿、抗结垢性能相结合，这凸显了缺陷控制和界面设计在保证膜长期稳定性方面的重要性[23]、[24]。经过改性的界面聚合技术也有助于实现Janus膜在膜蒸馏应用中的通量与稳定性平衡[25]。诸如激光诱导石墨烯之类的碳基不对称层，则能为膜提供按需的油水分离功能以及电热稳定性，例如防冰/除冰功能[26]。响应型Janus膜则能够在进料成分发生变化时实现自动调节润湿特性，实现定向传输和乳状液分离功能[27]、[28]；而仿生通道设计则进一步提升了定向传输的效率[29]。图1展示了这一领域的发展趋势：2013–2016年相关论文仅有5篇，2017年为4篇，2018–2020年每年约有10–15篇，此后增长速度加快，2021年为25篇，2022年为33篇，2023年为36篇，2024年为38篇，2025年为49篇。这一增长趋势与膜结构设计和测试条件的多样化密切相关，如果没有基于机制分析的评估标准，跨研究比较就会变得愈发困难[2]、[3]、[8]。

目前已有不少综述从总体设计原则、水能与资源整合应用[8]、乳状液分离、膜蒸馏、混合基质膜以及智能润湿材料等角度总结了Janus材料与膜的相关研究。不过，这些综述大多按照材料类别或工艺类型进行分类，这往往掩盖了含油废水处理中最核心的问题：即厚度方向的不对称性是如何在真实进料条件下调控油滴进入孔隙的行为、油滴附着程度、润湿转变、破乳过程以及相选择性传输的[6]。因此，本文重点探讨那些与油水分离及含油废水处理直接相关的Janus膜设计[3]。只有在能够解释Janus结构如何实现特定功能时，才会介绍相关的材料与制备方法，这些功能包括毛细控流、压差不对称性、基于电荷屏蔽的聚并效应、具备缺陷容忍能力的界面结构，以及适合模块化应用的传输特性[9]。此外，本文还区分了游离油、分散态油滴、稳定水包油乳状液以及稳定油包水乳状液，因为不同类型的含油废水对膜的设计要求和失效模式各不相同。通过将不对称结构、界面机制、应用场景以及工程障碍相互关联，本文旨在为含油废水处理中Janus膜的设计与评估提供一个清晰的框架。

章节要点

Janus膜的定义与独特性质

Janus膜是一种多孔分离膜，其两面——通常还包括近表面的孔区域——都被设计成具有截然不同的界面性质（如润湿性、表面能和/或表面电荷），这使得膜的润湿行为、毛细作用下的物质进入过程以及传输过程都呈现出方向依赖性[2]、[7]、[8]。在油水分离应用中，典型的Janus膜结构是由亲水/疏水表面与疏水/亲水表面组合而成，而具有电荷不对称性的Janus膜设计则

Janus油水分离膜的设计策略

在含油废水处理中，不能简单地将Janus膜的设计视为材料和制备方法的简单组合。其实际价值取决于制备工艺是否能够在孔径尺度上实现稳定的厚度方向不对称性，并将这种不对称性转化为可测量的润湿性和传输性能。因此，本节将从调控孔隙处毛细作用、压差不对称性等方面，探讨相关的材料与制备策略。

Janus膜在含油废水处理中的应用

含油废水包含多种不同的工业来源，并非单一类型的混合物。石油开采产生的废水以及页岩气处理废水通常具有高盐度、分散态烃类以及低表面张力有机物等特点；金属加工过程中产生的乳状液则常含有表面活性剂、润滑剂以及稳定的细小油滴；船舶舱底水或航运废水可能含有燃料残留物、润滑剂、洗涤剂以及悬浮固体；食品加工行业产生的废水则通常含有脂肪、蛋白质等成分

可规模化生产与制造难题

规模化生产仍是Janus膜发展面临的主要瓶颈，因为结构上的不对称性会加剧制造过程中的敏感性问题：微小的缺陷、厚度不均匀或部分分层都可能导致原本功能正常的Janus界面出现润湿故障或旁路流动现象。目前有一些制备工艺在可规模化生产方面具有明显优势。通过对商用膜进行单面改性——如等离子体处理、光接枝、浸涂喷涂或涂层处理——相比完全从头设计的结构，显然更具规模化生产的潜力。

结论

Janus膜已从最初的仿生润湿概念发展成为复杂的界面结构，为含油废水处理提供了全新的思路。其工程应用价值在于能够实现稳定的厚度方向不对称性，这种不对称性相当于在微观层面引入了一种“内部调控机制”，用于控制毛细力、润湿转变以及压差，而无需完全依赖孔径大小这一因素。

• 1)
  机制的特异性：从

作者贡献说明

Xiang Cai：参与论文的撰写与编辑工作、方法设计、定量分析、数据整理。Cheng Chen：参与论文的撰写与编辑工作、资源协调、资金申请、定量分析、数据整理。Leihong Zhao：负责方法设计、定量分析、数据整理。Hongjun Lin：参与论文的撰写与编辑工作、原始稿件撰写、可视化处理、结果验证、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请、定量分析、数据整理以及概念构思工作。Mingyi

利益冲突声明

所有作者均声明，不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52370051）以及浙江省“先锋计划”和“领雁计划”科研项目的支持（项目编号分别为2025C02240和2026C02A1003）。