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【中国科学报】吃油的“小豆豆”
发表日期: 2018-08-03
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磁性各向异性微球用于油水乳液的快速分离示意图

  一颗颗张着嘴的小豆豆“咬住”水中的小油滴,但它们并没有吞噬,而是再慢慢与其他“咬住”油滴的小豆豆们一起努力,使这些被“咬住”的小油滴聚集并形成一颗大油滴,最后小豆豆们将大油滴包裹起来并使其漂浮在水面上。

  这一场景被中科院理化技术研究所研究员王树涛团队实验室的显微镜如实地记录下来。

  研究人员将这种神奇的小豆豆命名为Janus。因为在罗马神话中,Janus是天门神,早晨打开天门,让阳光普照人间,晚上又把天门关上,使黑暗降临大地。他的头部前后各有一副面孔,可以同时看着两个不同方向,一副看着过去,一副看着未来,因此也称两面神。

  而Janus的两面,正好符合这种新微粒的既亲水又亲油的两面性。

  带磁性的Janus微粒 

  目前,由于工业、生活中含油废水的大量排放以及海上原油泄漏事故的频繁发生,如何解决水中油污染的问题一直被研究人员密切关注着。

  通常油在水中往往以浮油、分散油、乳化油或无表面活性剂稳定的微小油滴的形式存在。针对不同种类的油污染,在中科院引领下,许多研究人员相继开发了基于表面浸润性的膜、海绵等材料,并将其用于分离浮油、分散油甚至是乳化油等。

  尽管如此,对微小油粒的处理依然是个难题,传统方法很难高效、快速地将其分离,因为这些油滴尺寸通常小于20μm,在水中能长时间稳定存在。而Janus微粒的出现恰恰为解决这些细小油滴的分离提供了新思路。

  经过实验,研究人员巧妙地将界面聚合与乳液聚合两种传统合成方法结合,找到了一种新的方式,即通过油水乳液界面聚合结合纳米粒子界面组装的方法,最终才有了前面提到的Janus微粒的出现。

  “它的凸面亲水,凹面亲油。当它被放入油水混合的乳液中时,亲油的凹面可以有效捕捉水中的微小油滴。”论文通讯作者之一、中科院环亚娱乐app副研究员樊俊兵告诉《中国科学报》记者。

  当抓住油滴后,Janus微粒会与周围其他抓住油滴的同伴抱团,促使微小油滴聚并形成较大的油滴,并且其表面既亲水又亲油的两亲性特点可以保证大油滴的稳定。更为神奇的是,一块磁铁就可以将这些油滴吸到实验器皿的一边。“这是因为我们在Janus的亲水表面修饰了四氧化三铁,使其具有磁性。”樊俊兵解释说。而且,整个分离过程只需要两分钟,分离效率高达99%,并适用于不同比例、不同种类的油水混合物。

  吸油只是其中一种应用 

  Janus微粒如此神奇,它的基础离不开王树涛团队最初研究的普适性的乳液界面聚合的方法。在这种方法下,抓取油滴只是其中一种应用。实际上,这种微球还能选择性地吸附纳米粒子、生物分子或捕获细菌、胶体微球。

  “Janus微球项目从五六年前就开始了,我们用了一年多的时间找到了新的聚合方法。”王树涛在接受《中国科学报》记者采访时介绍道。之后的时间,王树涛研究组的科研人员将研究重点放在乳液界面聚合机理以及不同单体配比下的对应形成不同形貌微球的相图上。

  什么叫相图呢?“就好比我有水果也有冰,可以做水果口味的冰淇淋,但是它们的不同配比口味不同。那么什么比例可以做出什么样的冰淇淋呢?我们将所有配比情况下对应不同形貌的微球都做了一遍。”王树涛打了个比方。

  最终,研究人员发现,在不同配比情况下,微粒有时却变得圆鼓鼓的像个小馒头,有时则像月亮……“这些数据为我们接下来进一步的研究奠定了坚实的基础。”王树涛表示。

  应用还需因地制宜 

  “实验室制备Janus微粒,从最初的十几毫升到现在的5升,看起来进步很大,但真正面对以吨为单位的油水混合物还不够。”王树涛说。他们的论文被报道后,就陆续接到公司甚至油田打来的咨询电话,还有的油田要将污水样本直接运输过来,供他们研究。

  但是面对市场的庞大需求,王树涛表现得十分理智:“我们的实验毕竟只在实验室中进行,实际情况则要复杂得多。即便都是油田,但是周围环境也会有所不同,有些可能岩石较多,有些则可能泥沙多,酸碱环境也不同。所以我们不能直接套用,需要因地制宜。”

  因地制宜就意味要去当地进行考察,每个地方不同的特点可能也让这项技术的介入时机不尽相同。所以,在研究人员眼中,Janus微粒的出现仅仅是这项研究的开始,未来还有很长的路要走。

  “我们可以将这一研究继续下去,研究得更透彻。从而为解决我国油水分离的大问题做一点事情。”王树涛说。

  《中国科学报》 (2018-08-03 第3版 科普  作者:袁一雪) 

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