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科研成果推介｜ky体育app辛斌杰教授：仿生“纤维载花” Janus 膜，实现协同处理含油废水

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工业 / 农业废水同时存在乳化油、可溶性抗生素、大肠杆菌等致病菌；传统压力驱动膜仅能物理分离，易发生油、微生物不可逆污染，且无法降解溶解有机微污染物。针对这类废水的治理，行业亟需从被动过滤模式转向主动、多功能界面调控新思路。

 针对该难题，ky体育app辛斌杰教授团队采用分步静电纺丝与喷涂沉积工艺，制备了一种新型仿生“纤维载花”Janus膜。该膜具有精心设计的不对称分层结构：上层为含 Z 型异质结的疏水光催化层（BiOBr/ZnO/TiO?@聚偏氟乙烯），底层为亲水性基底（聚丙烯腈@聚乙二醇）。研究借助分子动力学（MD）模拟定性分析水与溴氧化铋（BiOBr）的界面作用，结果表明水分子更易聚集团聚，难以在 BiOBr 晶体表面铺展。得益于该结构优势，该膜对表面活性剂稳定型油包水乳液实现＞99% 的高效分离，渗透通量高达 2120 ± 119 L?m???h??。除物理筛分分离作用外，构建的异质结可拓宽可见光吸收范围、抑制光生载流子复合，赋予膜优异的主动抗污染性能：依靠“物理穿刺 - 光催化氧化”协同双机制，该膜对盐酸四环素（TCH）降解效率达 97.4%，对大肠杆菌杀菌率高达 99.99%。

本研究构建了一套概念验证型 Janus 膜体系，将仿生结构设计与 Z 型异质结调控相结合，同步实现油包水乳液分离、可见光驱动四环素降解与大肠杆菌高效抑菌三大功能，为复合型含油废水一体化治理提供全新方案。相关研究内容以“ Biomimetic“Flower-on-Fiber”Janus membrane with Zscheme heterojunctions for synergistic oily wastewater remediation: Visible-light photocatalysis, unidirectional transport and dual-mode antibacterial activity”为题目，发表在期刊《 Chemical Engineering Journal》上。

图 1 BXPZTPPY型 Janus 膜的制备流程及其协同处理复合型含油废水的作用机理示意图。

图 2 (a、a?) 纯 PZT 膜、(b、b?) B?.?PZT、(c、c?) B?.?PZT、(d、d?) B?.?PZT、(e、e?) B?.?PZT 以及 (f、f?) 样品的扫描电镜 (SEM) 图像；(g) B?PZT 膜仿生分级微结构示意图；(h) B?.?PZT 的能谱 (EDS) 电子图像及碳 (C)、氧 (O)、氟 (F)、硅 (Si)、钛 (Ti)、锌 (Zn)、溴 (Br)、铋 (Bi) 元素面分布图谱；(i) B?.?PZT 的 EDS 能谱图；(j) B?.?PZT 的元素质量占比饼图。

图 3 (a)、(b) PAN、PP1、PP2、PP3 以及 B?.?PZT 样品的动态水接触角随时间变化曲线；(c) B?.?PZT、PAN、PP1、PP2、PP3、B?.?PZTPP2 的吸水率；(d) 各样品平衡含水率；(e) 各样品保水率；(f) 不同模拟时长下水团簇在溴氧化铋（BiOBr）表面演化的分子动力学（MD）模拟快照（红色：氧原子，白色：氢原子，紫色：铋原子，棕色：溴原子）。误差棒代表标准偏差（测试样本数 n=3）。

图 4 (a) 可见光下不同样品对盐酸四环素 (TCH) 的光催化降解曲线；(b) 降解动力学线性拟合曲线；(c) B0.6PZT降解 TCH 过程中的紫外 - 可见吸收光谱；(d) B0.6PZT五次循环内对 TCH 的光催化活性；(e) 所有样品的光致发光 (PL) 光谱；(f) 不同样品的瞬态光电流响应曲线；(g) 紫外 - 可见漫反射 (DRS) 光谱；(h) PZT、(i) BiOBr 光学带隙计算图；(j) B0.6PZT\)的光催化作用机理示意图。

图 5 光学照片展示重力驱动分离过程：(a) 不互溶油水混合液、(b) 表面活性剂稳定型油包水乳液；(c) 油包水乳液分离前后的光学显微镜图像；(d、e) 多种不互溶油水体系的渗透通量与分离效率；(g、h) 油包水乳液的渗透通量与分离效率；(f) 油水混合液分离、(i) 乳液分离连续 10 次循环可重复使用性能测试结果。

图 6 (a)、(b) 油穿过双层膜的传输过程，以及双层膜单向输油作用机理；(c) 由B0.6PZTPP2膜制成的集油装置（内层为B0.6PZT；(d) 仅采用B0.6PZT单层膜制备的对照集油装置。

图 7 (a) 对照组、PZT 膜、B0.6PZT膜与B0.6PZTPP2膜在不同光照条件下对大肠杆菌的平板涂布抗菌测试结果；(b) “被动 - 主动” 协同双模式抗菌机理示意图。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177379