レビュー：油水分離用の多孔質金属フィルターと膜

背景

人間の水生環境と健康は、沖合の油流出と産業用油性廃水によって深刻な脅威にさらされています[1,2,3,4,5]。したがって、多くの研究は、汚染防止と油流出回収のための効果的な油水分離法の開発に焦点を合わせてきました。油相と水相の密度や導電率などの物理的特性の違いにより、従来の油水分離法には、主に重力沈降、遠心分離、電解分離、吸着分離[6]、および生分解[7]が含まれます。ただし、これらの方法は、油の拡散を妨げないため、費用がかかり、かなり非効率的です。

近年、界面科学とバイオニクスの進歩に伴い、特殊な湿潤性を備えたフィルター膜が油性廃水処理の新しい方法を提供しています。さまざまな化学成分を含む金属[8]、ポリマー[9]、繊維[10]が、多孔質の多層膜の製造に使用されてきました。水相および油相と反対の湿潤性を有するフィルター膜は、特定の相を優先的に吸収することによって液体バリアを形成することができる。油と水の界面張力と遮断された液相からの浸透力との間の平衡に基づいて、油を水から分離することができます。従来の油水分離技術と比較して、特殊な湿潤性を備えたフィルター膜を使用すると、製造が容易になり、より効率的でよりろ過が可能になり、油水混合物から油相と水相を回収できます。

低コスト、高い可塑性、高い熱安定性、優れた機械的特性により、金属材料は、油水分離用の特別な湿潤性を備えたフィルター膜として使用するために十分に研究されてきました。この特別な湿潤性は、物理的および化学的方法で膜を金属ネットと多孔質金属でコーティングすることによって達成できます。 2004年に、Feng等。 [11]疎水性ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）をステンレス鋼メッシュにスプレーして超疎水性-超親油性フィルター膜を作成し、この種のフィルター膜が最初に油水分離分野に適用されたことを報告しました。その後、コーティング[12]、表面酸化[13]、化学的表面改質[14]によって製造された、特殊な湿潤性を備えた多くの多孔質金属フィルター膜が、油水分離にうまく使用されました。この論文では、特別な湿潤性を備えたフィルター膜の油水分離理論を簡単に紹介し、油水分離多孔質金属フィルター膜の製造、長所と短所を分析します。フィルター膜は、その特性によって3つのタイプに分類されます。超疎水性-超親油性、超親水性および水中超疎油性、および親水性の切り替え可能な湿潤性を備えたフィルター膜です。さらに、この分野での将来の開発についても説明します。

油水分離の原理

特殊な湿潤性を備えた多孔質金属フィルター膜による油水分離のメカニズムは、固相、水相、および油相の接触界面での超湿潤挙動です[15]。油水界面張力と遮断された液相からの透過力の間には平衡があるため、この特殊なフィルター膜は油水混合物中で選択的な分離を実現できます。したがって、スーパーウェッティング表面を構築することは、油水分離フィルター膜を製造するための重要なプロセスです。

表面材料の表面湿潤性は、接触角によって特徴付けることができ、表面材料の湿潤性に影響を与える主な要因は、表面エネルギーと表面粗さです[16、17、18、19、20]。空気中の固体の理想的な滑らかな表面では、接触角はヤングの方程式[21]で表すことができます。

この式では、γ _SA 、γ _WA およびγ _SW は、それぞれ、固体-空気界面、液体-空気界面、および固-液体界面の界面自由エネルギーを表します。これは、表面材料の化学成分によって決定されます。したがって、水相または油相に対する理想的な滑らかな固体表面の固有の親和性は、図1aに示すように、主に固体材料の表面エネルギーによって決定されます。

a 空気中の理想的な滑らかな固体表面と液滴の接触状態。 b 液滴が粗い表面に接触しているときのウェンゼル状態[21]。 c 液滴が粗い表面に接触しているときのCassie-Baxter状態[22]

1936年と1944年に、ウェンゼル等。 [22]およびCassieetal。 [23]はそれぞれ、実際の表面のYoungの方程式を修正し、Wenzel状態[22]およびCassie-Baxter状態[23]での固体表面への液体の浸透を図1b、cに示すように提案しました。表面粗さ係数 r 、水平投影に対する実際の表面積の比率は、特定の液体に対する固体表面の親和性を拡大するために、修正されたヤングの方程式に導入されます。

粗い表面の測定された単位面積内には、実際にはより多くの表面積があります。したがって、同じ測定単位面積の場合、滑らかな表面よりも粗い表面の方が表面エネルギーの強度が高くなります[22]。したがって、表面粗さ係数 r 固体表面の特定の液体への親和性を「拡大」する要因と見なすことができます。超湿潤（超疎水性または超親水性）表面は、特定の液体に対する物質の固有の親和性を拡大するために表面のマイクロ/ナノ構造を構築することによって人工的に製造することができます。疎水性または疎油性の表面がCassie-Baxter状態にある場合、液滴と固体界面の間のマイクロ/ナノ構造内の空気により、固体表面への液体の付着が少なくなり、自己流動性の表面が生じる可能性があります。セルフクリーニング機能。

金属の多孔性に基づく油水分離フィルター膜

超疎水性–超親油性フィルターメンブレン

ハスの葉は、マイクロ/ナノスケールの層状構造と表皮ワックスによって表面が粗くなるため、超疎水性を示します[24、25]。これに触発されて、近年、超疎水性表面の構築が注目され、超疎水性-超親油性のフィルター膜が製造されています[11、14、26、27、28、29、30、31、32、33]。油相の表面張力は通常、水相の表面張力よりも低くなります[34、35]。 Youngの式によると、超疎水性-超親油性フィルター膜表面を作成するには、選択した材料の表面エネルギーを油の表面エネルギー（20〜30 mN m ^-1 ）の間に維持する必要があります。 ）と水（〜72 mN m ^-1 ）[36]、およびフィルター膜を製造するために使用される金属の表面エネルギーはより高く[37]、親水性を示す必要があります。したがって、フィルター膜表面に超疎水性-超親油性を付与するには、液相と接触する表面の表面エネルギーを、マイクロ/ナノ構造カバーによるコーティングまたは化学的表面修飾によって低減する必要があります。

コーティング

これは、物理的または化学的方法でカバーする複雑なマイクロ/ナノ構造で膜基板をコーティングすることを指します。コーティングは、その構成材料の固有の疎水性と低表面エネルギー特性を組み合わせて、非常に粗いマイクロ/ナノ表面構造を作成します。したがって、超疎水性および超親油性の特性を有するフィルター膜表面が、金属メッシュなどの金属基板上に形成される。現在、スプレー蒸着[11、38、39]、化学蒸着[26]、電着[40]の方法は、超疎水性-超親油性フィルター膜の製造にうまく適用されています。

2004年に、Feng等。 [11]スプレー蒸着法を採用して、ステンレス鋼メッシュの表面にPTFEコーティングを蒸着し、図2に示すように、超疎水性および超親油性の油水分離フィルター膜を作成し、この特殊な湿潤フィルター膜をに適用しました。油水分離。上記の方法で製造されたPTFEコーティングの表面には、図2b–dに示すように、ナノスケールの粗い構造を持つマイクロスケールの球状の突起があります。この特殊な表面形態により、フィルター膜の表面の表面粗さが大きくなり、PTFEの固有の疎水性が拡大し、フィルター膜の表面に超疎水性-超親油性の特性が付与されます。一方、PTFEの優れた安定性と耐薬品性に​​より、フィルター膜は過酷な条件でもその表面構造と超疎水性を維持できます。

平均孔径が約115μmのステンレス鋼メッシュから作成されたコーティングメッシュフィルムの走査型電子顕微鏡（SEM）画像[11]。 a コーティングされた膜の広域図[11]。 b – d コーティングされた膜の表面微細構造の拡大図[11]

化学蒸着技術は、ガスドーピング堆積プロセスを制御することにより、堆積層の形態と特性を正確に制御することができ、超疎水性表面の製造に適しています[26、41]。 Crick etal。 （2013）化学蒸着によって銅メッシュ上にシリコーンエラストマーを堆積させ、超疎水性-超親油性の特性を備えた多孔質金属フィルター膜を製造しました[26]。この方法は、操作が簡単で柔軟性が高く、サイズの異なる複雑な基板の表面に超疎水性シリコーンエラストマーを堆積してコーティングするだけで済みます。

これまでのところ、油水分離に対する温度の影響について報告されている研究はほとんどありません。温度が上昇すると、水滴の表面エネルギーが低下します。つまり、高温の液体は低温の液体よりも表面を濡らしやすくなります[42]。 2018年、Cao etal。 [39]は、変性ポリウレタンと疎水性シリカナノ粒子のスプレー蒸着により、超疎水性コーティングを施した銅メッシュを開発しました。この種のフィルター膜は、100°Cの水環境で優れた疎水性と機械的安定性を維持でき、産業用途で明るい見通しを持っています。

化学的表面改質

化学的表面改質には、疎水性物質で装飾することによって基板の表面粗さを増加させ、それによって表面に超疎水性を与えることが含まれます。 ムラサキイガイに触発された 足タンパク質5 [43,44,45]、Cao etal。 [14]共役 n -図3aに示すように、ドデシルメルカプタン（NDM）と、周囲温度でのマイケル付加反応により接着性ポリドーパミン（PDA）でコーティングされたステンレス鋼メッシュ膜により、超疎水性-超親油性フィルター膜が調製され、油水分離が成功しました。 。 PDA-NDMメッシュの湿潤性を図3c、dに示します。著者らは、金属基板の粗い表面を親水性および疎油性の官能基で装飾することにより、金属フィルター膜の表面に超疎水性-超疎油性を付与する、油水分離を実現する新しい方法を紹介しました。同じ原理で、Zang etal。 [27]パーフルオロデシルトリエトキシシランを使用してCuOで成長させた多孔質銅メッシュ表面を修飾。王ら。 [28]洗浄したままの銅メッシュ上にCuナノ粒子を電気めっきし、チオールグラフト化を実行しました。 Kong etal。 [29]銅メッシュ上に亜酸化銅を堆積させ、NDMを使用して表面改質を実現しました。これらすべての実験で、超疎水性-超親油性の表面が構築され、油と水の分離が成功裏に実現されました。

a ポリドーパミン（PDA）でコーティングされたステンレス鋼メッシュフィルムと N の調製の概略図 -マイケル付加反応によるドデシルメルカプタン（NDM）修飾表面[14]。 b 平均直径[14]が約40μm[14]のPDA-NDMメッシュの低倍率ビュー。 c 接触角143.8±1.0°のPDA–NDMメッシュ上の水滴（2μL）の写真[14]。 d ディーゼル油滴（2μL）がメッシュ上にすばやく広がり、浸透します[14]

電気めっき[29]、電着[32]、化学エッチング[33]の方法は、マイクロスケールまたはナノスケールの粗い構造を構築するために使用されてきましたが、表面エネルギーを減らすために、これらの方法では、フッ素含有シラン、アルキルメルカプタン、ラウリン酸などの試薬を変更する必要があります。 、環境に有害です。変更されたフィルター膜は、水に二次汚染を引き起こす可能性があります。したがって、化学的表面改質は、環境に優しい手順に従って低い表面エネルギーを提供するため、有利です。

超親水性および水中超疎油性フィルターメンブレン

親水性の表面は水相よりも表面エネルギーが高いため、通常は疎油性を示します。魚の鱗に触発されて、Liu等。 [46]は、超疎油性で低粘着性の水/固体界面を開発しました。親水性表面は水中の疎油性を示すため、水分子は水中の超親水性表面のマイクロ/ナノ構造にトラップされる可能性があります。界面の親水性が増加すると、水中の疎油性が増加するため、超親水性表面も水中の超疎油性を有します。この現象を考慮して、さまざまな超親水性および水中超疎油性フィルター膜が製造され、油水分離に適用されています。

超親水性-水中超疎油性フィルター膜では、水が膜表面に付着して疎油性液体バリアを形成し、油滴の浸透を防ぎ、油と水の分離を実現します[36]。水中の疎油性と油への付着性が低いため、超親水性材料は優れた水中防汚性を備えており、フィルターの細孔が油で塞がれる問題を回避できます[47]。ただし、表面エネルギーの低い有機汚染物質が付着するため、この種の膜の超親水性は徐々に低下し、その結果、油水分離能力に影響を及ぼします。

金属材料、高分子ポリマー、および無機非金属材料はすべて、超親水性-水中超疎油性多孔質金属フィルター膜の製造に適用されます。具体的な製造方法には、コーティングと酸化が含まれます。

コーティング

超親水性-水中超疎油性フィルター膜に適用されるコーティング方法には、スプレーコーティング[48,49,50,51]、ディップコーティング[12、52]、レイヤーバイレイヤー（LBL）コーティング[53,54,55]、化学成長が含まれます。 [56]および電着[57]。これらの方法を使用して、基板（通常はステンレス鋼メッシュまたは銅メッシュ）の表面を超親水性-水中超疎油性コーティングで覆います。

ヒドロゲルは、その優れた超親水性と優れた防汚性により、油水分離に広く使用されています[12、58、59、60、61、62、63]。 Xue etal。 [12]最初に、図4に示すように、ステンレス鋼メッシュをポリアクリルアミドヒドロゲルでコーティングすることにより、超親水性-水中超疎油性多孔質金属フィルター膜を作成しました。このフィルター膜は、優れた疎油性を備えており、再利用が容易です。さらに、ポリアクリルアミドヒドロゲルはフッ化物を含まず、環境に優しい材料であるため、分離中の二次汚染が回避されます。ただし、この有機ポリマーコーティングは水和しやすく[64]、ポリアクリルアミド材料の劣化には極端な外部条件が必要です。水中で油の付着が少ないセルフクリーニングの油水分離フィルター膜を準備するために、Dai etal。 [62]簡単で効果的なディップコーティング技術により、超親水性と水中の超疎油性の両方の特性を備えた、新しいグアーガムヒドロゲルコーティングされたステンレス鋼メッシュを製造しました。材料には天然の生分解性グアーガムを使用し、作製した濾膜は優れた生体適合性と分解しやすさを示しました。

a – c 平均細孔径が約50μmのステンレス鋼メッシュから作成されたPAMヒドロゲルコーティングメッシュのSEM画像[12]。 d 、 e PAMヒドロゲルコーティングメッシュの油/水分離研究。メッシュの細孔径は約50μmです[12]

LBLコーティングは、さまざまな機能性コーティングを、複雑な構造の表面に大部分が堆積する単一のコーティングに正確に統合することができます[54]。張ら。 [54]は、ステンレス鋼メッシュ上のケイ酸ナトリウムとTiO2ナノ粒子のLBLアセンブリによる油水分離に使用できる、セルフクリーニングの水中超疎油性メッシュを準備しました。 TiO2層が存在するため、フィルターメッシュに付着した有機汚染物質は紫外線照射後に触媒分解されました。紫外線照射後に有機汚染物質を分解するTiO2の能力は、いくつかの研究でうまく利用されています[8、49、54、65、66]。 Hou etal。 （2017）図5に示すように、ステンレス鋼メッシュ上のポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）（PDDA）とハロイサイトナノチューブ（HNT）のLBLアセンブリを介して、水中超疎油性を備えたステンレス鋼フィルター膜を作成しました[53]。ステンレス鋼フィルター膜は、優れた化学的および機械的耐久性を示し、97％を超える油水分離率を達成しました。

（PDDA / HNTs）n装飾メッシュの製造のためのLBLアセンブリプロセスの概略図[53]

酸化

酸化とは、酸化反応により金属表面に表面エネルギーの高い金属酸化物層を形成し、フィルター膜表面に超親水性を与えることです。現在、直接酸化[13、65、67]、電気化学的酸化[47、55、66、68]、およびレーザー表面酸化[8、69]は、超親水性-水中超疎油性フィルター膜の製造に使用できます。

Feng etal。 [13]は、（NH4）2S2O8を含むアルカリ性水溶液中で銅メッシュを表面酸化することによりナノワイヤーヘアーメンブレンを調製しました。このナノワイヤーヘアードメンブレンは、Cu（OH）2を使用して、図6a。有機フィルター膜コーティング材と比較して、この無機フィルター膜表面は、より優れた耐アルカリ性と防汚性を備えています。ただし、Cu（OH）2ナノ構造は酸性溶液中で破壊され、分離能力を失います[67]。 Zhuo etal。 [67]は、図6b、cに示すように、上記の方法を利用してCu（OH）2でナノワイヤー膜を作成し、次にそれをシュウ酸溶液に浸してシュウ酸第二銅でナノワイヤーヘアの膜を作成しました。この膜は、Cu（OH）2を含むナノ構造の膜よりも優れた耐酸性を備えています。

a 水中でのマイクロ/ナノ階層構造を持つナノワイヤーヘア膜での油濡れの概略図。 [13]。 b 、 c CuC2O4ナノリボンでコーティングされた銅メッシュのSEM画像[67]

特定の溶液中で直接酸化することにより、特殊なナノ構造の親水性層を生成する直接酸化法には、試薬の危険性、操作条件の厳しさ、反応プロセスの制御の難しさなど、多くの欠点があります。対照的に、電気化学的陽極酸化は、簡単な操作と低コストを伴い、大面積基板上に規則正しいナノ構造を成長させるために使用できるため、直接酸化の効果的な代替手段です[70]。この方法では、電解質溶液を変更し、電流密度、反応温度、および時間を制御することにより、酸化物層の表面形態と厚さを正確に制御できます[55]。単純で非常に効率的な電気化学的陽極酸化を通して、Pi等。 （2017）超親水性-水中超疎油性Cu ₂ を準備しました 独特のカールした板状構造のSコーティングされた銅メッシュ[47]で、油と水の混合物をうまく分離しました。膜は油付着性が低く、ポリマーコーティングとは異なり、無機コーティングは安定しており、水中で容易に膨潤しません。 Zhuo etal。 [68]は、図7aに示すように、電気化学的陽極酸化を使用して、図7b、cに示すように、銅基板上に階層的なカリフラワーのような構造を持つCuWO4 @ Cu2O親水性層を作成しました。この種の膜は、有機汚染物質の光​​分解も触媒します。 TiO2とは異なり、CuWO4 @ Cu2O親水性層は、可視光照射による有機汚染物質の分解を触媒することができ、汚染物質の光​​触媒分解の難しさを大幅に軽減します。さまざまな光触媒による水中の汚染物質の光​​触媒分解を図7dに示します。

a 陽極酸化による銅基板上でのCuWO4 @ Cu2Oの成長の概略図[68]。 b 、 c 銅メッシュ上のCuWO4 @ Cu2O膜の形態と構造[68]。 d 可視光照射下でのさまざまな光触媒の使用による水中の汚染物質の光​​分解曲線[68]

近年、レーザー加工におけるスパッタリングと堆積の現象が広く注目されています[71]。金属表面はレーザー作用を受け、高温アブレーションとプラズマを生成します。プラズマは金属基板上に堆積され、複雑なマイクロ/ナノ構造を持つ酸化物層を形成し、レーザー発振した金属表面に超親水性を与えます。 Ye etal。 （2016）フェムト秒レーザー穴あけを使用してチタンミクロンポアアレイフィルター膜を製造しました[8]。図8a〜dに示すように、レーザー処理により、膜の表面に親水性のTiO2層が形成されました。マイクロメートルの細孔の壁はマイクロスケールの突起で覆われ、隣接する細孔の間に隆起した突起が形成された。これらの微細構造は、フィルター膜の表面粗さを増加させ、表面のTiO2層の親水性を増幅し、フィルター膜に超親水性と水中超疎油性を提供しました。レーザー穴あけ後のチタン箔表面の濡れ性を図8e、fに示します。半導体特性を備えたTiO2層が存在するため、膜に付着した有機汚染物質は紫外線照射後に触媒分解されました。

a – d 12.4 J / cm2のレーザーフルエンスと100μmのマイクロホール間隔で製造されたアブレーションされたチタン箔のSEM画像[8]。 e レーザー穴あけ後のチタン箔表面の水滴の濡れ挙動[8]。 f レーザー穴あけ後のチタン箔表面の水中油滴の濡れ挙動[8]

Ho etal。 [69]フェムト秒レーザー穴あけを使用して銅ミクロンポアアレイフィルター膜を製造し、超親水性フィルター膜を作成しました。レーザー加工で作成した穴の入口位置と出口位置を図9a、bに示します。図9cに示すように、水の表面張力とミクロポーラス出口の特殊な環状隆起形態により、水と銅の接触線はミクロポーラス出口で終端します。油と水の分離は、ミクロポアアレイを通過する油と水の異なる圧力に基づいて実現できます。この製造方法は、表面改質のための化学試薬の使用を含み、環境に優しく、簡単です。ただし、銅は海水によって容易に酸化および腐食されて、アルカリ性塩化銅、アルカリ性硫酸銅、緑青などの材料を形成し[72]、膜の表面構造を変形させ、油水分離能力に影響を与えます。

レーザー加工で作られた穴。 a 入り口の場所。 b 出口の場所。 （レーザービームの条件は、パルスあたり500 µJ、20 kHz、10ショットです）[69]。 c 平衡状態にあるリキャスト材料のある穴の水接触線の位置[69]

水中の疎油性と油の付着力が低いため、超親水性-水中の超疎油性フィルター膜は、優れた水中防汚性能を備えており、そのため、その細孔は油によって塞がれません[47]。ただし、表面エネルギーの低い有機汚染物質が付着するため、この膜の超親水性は徐々に低下し、油水分離能に影響を及ぼします。したがって、セルフクリーニングフィルター膜表面を製造し、油水分離効率とフィルター膜の寿命を延ばす方法は、超親水性-水中超疎油性フィルター膜の研究分野で解決する必要のある課題です。

切り替え可能な湿潤性を備えたフィルターメンブレン

油水分離の分野では、湿潤性により、単一のフィルター膜デバイスで油ろ過または水ろ過の制御可能な変換が実現される表面を決定できます。次に、インテリジェントな油水分離デバイ​​スを製造できます。産業用アプリケーションの展望[73]。

研究者は、油と水のインテリジェントな分離を実現するために、繊維[74,75,76,77]、カーボンナノチューブ材料[78]、濾紙[79]に切り替え可能な湿潤性を備えた切り替え可能なフィルター膜を構築しました。多孔質金属フィルター膜の研究において、Tian等。 [80]は、図10a–cに示すように、2段階のソリューションアプローチによってZnOアレイナノロッドコーティングされたステンレス鋼メッシュを準備しました。光触媒油水分離フィルター膜が得られた。紫外線照射後、膜は超親水性-水中超疎油性を示し、油-水混合物中の油がフィルターメッシュを通過するのを防ぎました。図10dに示すように、暗所で7日間、または酸素雰囲気で2時間保管した後、膜は超疎水性、つまり水中の超疎油性を取り戻すことができます。ヤンら。 [81]はまた、光学ドライブ内のZnO材料の切り替え可能な湿潤性を使用して、疎水性ZnOナノ粒子と水性ポリウレタン混合物を噴霧することにより、光誘起油水分離フィルター膜を製造しました。この簡単な方法で、膜は紫外線照射と熱処理を交互に行うことで切り替え可能な湿潤性を実現できます。 Yi etal。 （2018）は、単置換反応によって銅メッシュ上に銀の薄層を開発し、紫外線の触媒変換において特別な湿潤性を備えたフィルター膜を製造しました[82]。膜は、熱処理後に超疎水性特性を獲得し、紫外線照射後に超親水性-水中超疎油性を獲得しました。

a – c 準備されたままの整列されたZnOナノロッドアレイでコーティングされたステンレス鋼メッシュフィルムのSEM画像の概略図[80]。 d 接触角がそれぞれ〜155°および〜0°の空気中での暗所保管後（左）およびUV照射下（中央）のコーティングされたメッシュフィルム上の水滴の写真[80]。 e 空気中（左）と水中（中央）のメッシュフィルム上の油滴（1,2-ジクロロエタン）の写真。接触角はそれぞれ〜0°と〜156°です[80]

チェンら。 [83]銅メッシュを（NH ₄ の複合溶液に浸漬することにより、銅基板上にマイクロ/ナノ複合構造の酸化銅を調製しました。 ） ₂ S ₂ O ₈ （0.1 M）とNaOH（2.5 M）を12時間使用した後、HS（CH2）9CH3とHS（CH2）11OHの混合メルカプタン溶液を使用して、浸漬した表面を化学的に修飾し、最後に水と油の分離フィルター膜を作成しました。制御可能な表面湿潤性を備えています。混合メルカプタン溶液中のHS（CH2）11OHのモル分率が0に近づくと、図11aに示すように、フィルター膜の表面は超疎水性および超親油性を示し、フィルター膜は油-水中の油のみを許容します。通過する混合物。 HS（CH2）11OHのモル分率が1に近い場合、図11bに示すように、フィルター膜の表面は超親水性-水中超疎油性を示し、フィルター膜は油と水の混合物中の水のみを許容します。パススルー。膜の超親水性-超疎油性は、その表面の粗い微細形態と、混合メルカプタン溶液によってその表面に導入されたヒドロキシルおよびアルキル官能基によるものです。ヒドロキシルは親水性を示し、アルキルは疎水性と親油性を示します。混合メルカプタン溶液中のHS（CH2）11OHのモル分率を変更すると、膜表面のヒドロキシル基とアルキル基の比率が変化し、その結果、フィルター膜表面の水と油への親和性が変化します。

得られた表面の水中石油湿潤性の概略図：XOH≤0.2で調製された表面の場合、表面は主に疎水性および親油性のメチル基で覆われています。したがって、油滴は微細構造に入る可能性があり、表面は水中の超親油性を示します（ a ）。 XOH≥0.6で調製された表面の場合、多くのヒドロキシル基が存在すると表面の親水性が高まり、水が微細構造に入る可能性があります。油滴は複合キャシー状態で存在し、表面は超疎油性を示します（ b ）[83]

油水分離フィルター膜のプレウェッティングは、水と油に対する膜表面の強い親和性を利用して、表面の疎水性と疎油性の変換、および油と水の混合物のインテリジェントな分離を実現します。 Li etal。 [84]廃ジャガイモ残留粉末中のデンプン、セルロース、ペクチンの親水性と油を吸収する能力を利用した。彼らは、廃ポテト残留物と水性ポリウレタンの混合物をステンレス鋼メッシュに噴霧して、水または油で事前に濡らすことによって触媒される超疎油性または超疎水性の油水分離フィルター膜を製造した。図12a、bに示すように、フィルター膜を水で事前に濡らすと、膜の表面が水中の超疎油性を獲得し、水だけがフィルター膜を通過できるようになります。図12a、cに示すように、フィルターメンブレンがオイルで事前に濡れている場合、メンブレンの表面はオイルの下で超疎水性を獲得し、オイルのみがフィルターメンブレンを通過できるようになります。

a 油/水混合物の選択的分離の概略図。 PCRMは、ジャガイモの残留物がコーティングされたメッシュを意味します。 b 灯油と水の混合物の分離（ここで、ρ_水 r>ρ_オイル ）。 c クロロホルムと水の混合物の分離（ここで、ρ_水 <ρ_オイル ）（視覚効果を高めるために、水はメチレンブルーで染色され、油はオイルレッドOで染色されています）[84]

結論

要約すると、既存の油水分離多孔質金属フィルター膜は、膜表面の特殊な湿潤性を利用して油水混合物を分離でき、高効率、携帯性、高可塑性、高熱安定性、優れた機械的特性、低料金。ただし、これらのフィルター膜は、工業廃水や沖合の原油流出を効果的に処理するために改善が必要な側面がいくつかあります。まず、フィルター膜の環境適応性を高め、強酸や強アルカリ、高濃度食塩水、腐食性液体などの過酷な条件での作業安定性を強化し、機械的強度を次のように改善する必要があります。実環境に適応します。さらに、フィルター膜を製造するための材料および修飾試薬は、製造および適用プロセス中に環境に優しい必要があります。さらに、製造プロセスは単純であり、製造コストは大規模生産のニーズを満たすために合理的でなければなりません。 3D印刷技術は、廃棄物の最小化、設計の自由、マスカスタマイゼーション、複雑な構造の製造能力など、優れた利点を示しています[85]。生体模倣超疎水性構造[86]および超疎水性PLA膜[87]は、油水分離用に印刷されています。これらの結果は、3D印刷技術により、複雑なマイクロナノ構造の製造プロセスが容易になったことを示しています。この技術により、将来的にはより効率の高い油水分離膜を得ることができます。最後に、油水混合物がエマルジョン状態にあるとき、フィルター膜は油水分離能力を維持する必要があります。油水混合エマルジョンは、一般に、液滴径が20μm未満の油水分散液[88]として定義され、多孔質金属フィルター膜による油水分離の既存の研究では、混合液体の分離条件が報告されることはめったにありません。エマルジョン状態。江ら。 [52]メチルトリメトキシシランを用いたワンステップ溶液コーティング法を使用して油水混合エマルジョンを予備的に分離できる超親水性水中超疎油性ステンレス鋼メッシュを準備しましたが、このフィルター膜は、多くの開口部があるため、油水混合エマルジョンを完全に分離することはできません既存の油水分離多孔質金属フィルター膜は大きすぎます。これは、解決する必要のある多孔質金属フィルター膜による油水分離の分野で依然として緊急の課題です。

略語

HNT：

ハロイサイトナノチューブ

LBL：

レイヤーごと

NDM：

N -ドデシルメルカプタン

PDA：

ポリドーパミン

PDDA：

ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）

PTFE：

ポリテトラフルオロエチレン