近日，学院2022级硕士研究生张欣在工程技术类SCI期刊Chemical Engineering Journal（中科院一区TOP，IF=13.3）发表了题为“Preparation of robust superhydrophobic stainless steel mesh for Oil-Water separation through Mn-Assisted control of one-step electrodeposited Zn growth”的学术论文（共同指导老师：重庆三峡学院胡传波副教授、李廷真教授和香港浸会大学任康宁教授）。张欣为论文第一作者。
从水中清除溢油是环境修复领域的一项重大挑战。根据润湿性的不同，超浸润材料可实现油水混合物的分离，是当前油水分离领域的重要研究方向之一。本研究通过引入Mn和调节沉积参数来控制Zn晶体的微纳米结构，在不锈钢网上制备了具有六方片簇状结构的硬脂酸锌/锰（SZM）镀层。SZM不锈钢网具有显著的水接触角（163.1±2.4°）、油接触角为0，这一特点有利于高效的油水分离。结合SSM的尺度筛选，SZM不锈钢网的油水分离效率达到99.86%，通量高达55.58 kL/m2h。即使在极端条件下，如高温（200 °C）、高压（7 kg/cm2），或暴露在化学和机械应力下，SZM不锈钢网仍表现出持久的超疏水性和优异的耐腐蚀性。该不锈钢网适用于构建基于重力、连续和封闭的油水分离系统，为解决油污水问题提供了切实可行的方案。
图1 SZM不锈钢网的制备过程和油水分离机理
对材料进行了一系列力学和耐用性测试，SZM不锈钢网表现出长效耐久性。尤其是，优化镀层（SZMmit）的腐蚀保护效率可达90.8%。耐腐蚀的增强归因于Cassie-Baxter非润湿接触和低表面能材料的协同效应。一方面，径向生长的微/纳米六方片簇状结构在腐蚀介质和镀层表面之间捕获大量空气，形成保护性气垫屏障。这种屏障增加了液体-空气界面面积分数，显著减少了腐蚀介质与表面的接触。另一方面，生成的硬脂酸锌/锰表面降低了镀层的表面能，有效减少了腐蚀性液体的润湿。此外，空气膜可以作为纯平行板电容器的电介质，阻止腐蚀介质和镀层之间的电子传输，大大增强了SZMmit不锈钢网的耐腐蚀性。
图2 SZMmit不锈钢网的力学和耐用性研究
在油水分离过程中，跨膜传质系数与有机液体的粘度和分离膜本身的性质有关。具有较低粘度的有机液体表现出较高的跨膜传质系数，从而产生更大的油通量。同样地，目数较小的不锈钢网孔径越大，油通量越高。即使是高粘度油，SZMmit不锈钢网的最小通量也可达到2.68 kL/m2h。不同尺寸的SZMmit不锈钢网对各种油水混合物的分离效率均可保持在97%以上。此外，SZMmit不锈钢网经过10次分离循环后，通量仍超过40.58 kL/m2h，分离效率高达97.45%，凸显了SZM不锈钢网优异的可重复使用性。
图3 SZMmit不锈钢网的油水分离研究
综上所述，引入Mn和调节沉积参数可促进六方片簇状Zn晶体结构的取向，生成的SZM不锈钢滤网机械稳定性和环境耐久性突出，可实现对轻油-水-重油混合物、轻油-水混合物和水-重油混合物的高效率、大通量分离。该成果为鲁棒性-高性能油水分离材料的开发提供了新的思路。
本研究获得国家自然科学基金（51773173、81973288）、重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX1139）、重庆市教委科学技术研究项目（KJZDK202304502, KJZD-M202301201）、武汉科技大学耐火材料与冶金国家重点实验室开放基金（G202205）及重庆市研究生科研创新计划（CYS23729）的资助。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155369
