把油从水里捞出来

众所周知，石油和水不愿意完全混合在一起。但将它们完全分离——例如，当清理漏油或通过水力压裂法净化被污染的水时——是一个极其困难和低效的过程，常常依赖于容易堵塞或“污染”的膜。

麻省理工学院开发的一种新的成像技术可以为开发更好的膜材料提供一种工具，这种材料可以抵抗或防止污垢。这项新研究发表在《应用材料与界面》杂志上，由麻省理工学院研究生林毅敏、陈松和化学工程教授格雷戈里·拉特利奇共同撰写。

许多行业都需要清理含油废水，包括石油精炼、食品加工和金属加工，而未经处理的废水可能会破坏水生生态系统。去除含油污染物的方法因油和水的相对含量以及油滴的大小而异。当油被乳化时，最有效的清洁方法是使用滤除微小油滴的膜，但这些膜很快就会被油滴污染，需要耗时的清洗。

但是污垢过程很难观察到，因此很难评估不同材料和结构对膜本身的相对优势。研究人员说，麻省理工学院研究小组开发的新技术可以使这种评估更容易进行。

拉特利奇说，这些过滤膜“往往很难看到里面”。“开发新型薄膜需要付出很多努力，但当它们投入使用时，你想要看到它们如何与受污染的水相互作用，而且它们不容易检测。它们通常被设计成尽可能多的薄膜区域，能够看到里面是非常困难的。”

他们开发的解决方案使用了共焦激光扫描显微镜，这是一种两束激光扫描材料的技术，在两束激光交叉的地方，用荧光染料标记的材料会发光。在他们的方法中，研究小组引入了两种荧光染料，一种用于标记液体中的油性物质，另一种用于标记滤膜中的纤维。这项技术允许将材料扫描不仅跨膜的面积,而且还为材料的深度,一层一层地,建立一个完整的三维图像的方式分散的油滴膜,在这种情况下由一个数组的微小的纤维。

拉特利奇解释说，这种基本方法已被用于生物学研究，观察样本中的细胞和蛋白质，但它还没有被大量应用于膜材料的研究，也从未同时标记过油脂和纤维。在这种情况下，研究人员观察的液滴大小范围从10到20微米(百万分之一米)，到几百纳米(百万分之一米)。

他说，到目前为止，“成像薄膜孔隙的方法还很粗糙。“在很大程度上，孔隙特征是通过测量流体流速和压力变化来推断的，而没有给出关于油性物质在孔隙中是如何形成的直接信息。”他说，有了这个新工艺，“现在你可以实际测量几何形状，建立一个三维模型，并对材料进行一些细节描述。”所以现在的新发现是，我们可以真正研究这些膜是如何分离的。”

拉特利奇说，通过这样做，并通过使用不同的材料和纤维的不同排列来测试其效果，“这应该能让我们更好地理解污垢到底是什么。”

研究小组已经证明，根据所用材料的不同，油和薄膜之间的相互作用可能会非常不同。在某些情况下，油会形成微小的液滴，然后逐渐凝聚成更大的液滴，而在另一些情况下，油会沿着纤维层扩散，这一过程被称为润湿。拉特利奇说:“我们的希望是，随着对污垢机理的更好理解，人们将能够花更多的时间研究那些更有可能成功地限制污垢的技术。”

他说，这种新的观测方法对试图设计更好的过滤系统的工程师有着明确的应用，但它也可以用于研究混合流体如何相互作用的基础科学。“现在我们可以开始思考一些关于两相液体流动和多孔介质相互作用的基础科学，”他说。“现在，您可以开发一些流程的详细模型”。

关于不同结构或化学性质的详细信息可以使我们更容易地为不同的应用设计特定类型的膜，这取决于要去除的污染物的类型，这些污染物中水滴的典型大小，等等。他说:“在设计薄膜时，它不是一个放之四海而皆准的方法。”“对于不同的废水，你可能有不同类型的膜。”

拉特利奇说，这种方法也可以用来观察不同种类混合物的分离，比如液体中的固体颗粒，或者是相反的情况，在这种情况下，石油占主导地位，而薄膜被用来过滤掉水滴，比如在燃料过滤系统中。

“当我读到他的文章,给我留下了深刻的印象格雷格用三维成像的方式来理解复杂的膜污染过程用于油水乳剂,”William j . koro语说罗伯特·c·古兹维塔椅子卓越在化学工程和掌握著名学者在乔治亚理工学院的膜,他并没有参与这项研究。

这项研究在一定程度上得到了阿布扎比马斯达尔科学技术研究所和麻省理工学院之间的合作协议的支持。