明帮荣201600111036
摘要膜分离技术在最近十几年内快速发展，其能耗小、可在常温下操作等优点使之得到广泛应用。讨论现实生活中与之相关的现象，介绍膜在化工生产的应用，简述油水混合物在膜的作用下分离的原理。 关键词：膜分离机理；塑料袋优化；油水混合物；膜分离应用
1引言：在日常生活中，用塑料袋装含有油和水的食物时，发现即使油是大分子，却会从袋子内漏出；而水是远小于油的小分子，却不会透过塑料袋，这是个让人注意的现象，而原因又是什么呢？经过物化学习以及文献查，可以发现其原理与膜分离十分类似。那又要如何避免食品袋漏油呢？实际上，1748年Abble Nelkt发现水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内[1]，首次揭示了膜分离现象，但是直到本世纪60年代中期，膜分离技术才应用在工业上。目前，石油仍然是全球重要的一次性能源，将石油开采提取与节能减排合二为一成为目前各国研究的热点，膜分离技术具有能耗小、可操作性强的优点，因此在石油化工处理方面备受青睐。工业中含油污水的处理是膜分离技术研究的重要原因。然而，由于技术限制，膜分离理论及应用仍不够成熟，关于其机理的研究仍然非常必要。 2现象及讨论
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2.1膜分离的原理[1]
2.1.1优先吸附-毛细管模型
由于膜表面对渗透物的优先吸附作用，在膜的上游一侧表面形成一层该物质富集的吸附液体层。然后，在推动力作用下通过膜的毛细管，离开膜上游，进入膜下游。 2.1.2溶解-扩散模型
溶解—扩散机理分为3步进行，第1步分子被吸附在膜的一侧表面而溶解；第
2步被溶解在膜表面的分子受到浓度梯度(或压力梯度) 的推动, 缓慢扩散通过非多孔膜到达膜的另一侧(如图1所示)；最后, 扩散至膜另一侧的分子发生解吸，离开膜。
图1.溶解-扩散过程
2.2塑料袋的优化
2.2.1塑料膜中油透过原因
塑料袋的主要成分是聚氯乙烯大分子，油的主要成分是脂肪酸甘油酯（多为碳氢化合物），由于相似
相溶原理，油可以溶解在塑料袋中，有可能通过溶解-扩散机理通过膜；而水具有强极性，不发生溶解，也无法通过塑料膜。除此之外，聚氯乙烯高分子化合物有很大空隙，虽然在肉眼下仍是不可见的，但其多孔结构有可能使分子透过。关于油的漏出，应用表面张力可以作出如下解释，塑料袋作为物质接触的一个表面，根据表面能自发减小的趋势[2]，ΔG‹0。由于在塑料袋的空隙存在，孔隙并不是很小，会有气体分子存在，水和塑料孔隙接触角较大δsw ›δgw，表面张力的存在使不易润湿的小分子水不能透过；而油与塑料极性相似，
可以很容易与表面发生作用，接触角较小，容易润湿，表面张力小δgo ›δso，即ΔG‹0。（如图2所示）因此油即使分子量较大也可以经过溶解扩散或者从塑料孔隙中流出而透过塑料膜。此时，塑料膜作为疏水-亲油膜，与油高度亲和，易于使油滴聚集、粗化，从而实现油水分离。（ΔG自由能，δsw固水表面能，δgw气水表面能，δso固油表面能，δgo气油表面能）揉棉机
图2.油和水接触情况
2.2.2塑料袋防漏油处理凯膜过滤技术
食品袋作为生活中常用的打包物品，漏油这一弊端很明显限制其正常使用功能。因此，根据其原理进行二次处理，减少漏油，可以增强实用性。塑料膜疏水亲油，因此需要强化的主要是防漏油功能，那么只需要在其外表面制作一层疏油物质，就能有效防止油渍漏出。然而，事情并没有想象中那么容易。
目前制备超亲水-疏油膜主要思路之一是制备超亲水及水下超疏油膜[3]。超亲水及水下超疏油膜在空气中超亲水，当膜的表面被水占据后，由于油和水互不相溶，导致膜的表面不黏附油。很明显可以看出暴露在空气中的外层涂膜不能采用这种方法，如果疏油膜作为内层，先防止油漏出，再防水漏出，从这一角度考虑是可以的。然而能否与塑料表面发生作用形成复合材料是需要考虑的一种因素；关于这一种复合材料的安全性是否达到食品袋的使用标准也是需要考虑的重要因素；除此之外，塑料袋本身廉价易得，其经济成本与污染程度需要纳入考量范围，如今可降解塑料袋价格稍高就难以推广，那么防漏油塑料袋的成本也就不能过高。许多无机材料都是疏油性的，是否可以从中到能很好地解决以上问题的材料呢？
3类似的油水分离应用
通过塑料袋能够明显地分离油水混合物，我联想到了目前石油开采中灌水后的油水分离处理以及生活中含油污水处理，这些都可以采用类似的方法进行分离处理。它们的原理与我发现的这一现象相同。
3.1石油化工中的膜分离技术
恒温恒湿净化实验室依据个人的最初设想，仅仅是在未思索特别细致的情况下，我认为既然塑料膜可以有效分离油水混合物，那么我们应该可以制作出一种简单的有机膜，根据孔隙的大小将石油中的固体颗粒及过大的分子与相对较小的石油产物进行粗分离，同时如果开采的石油中含有水，油水混合物也可以采用溶解—扩
散机理进行分离，因为二者物理化学性质的不同能有效进行油水分离。实际上，膜分离技术被广泛地应用于石油开采中，石油膜分离技术[4]通过超滤、微滤、反渗透三部分达到开采石油资源的综合层次性过滤，超过滤技术是石油开采的第一层过滤，将开采原油中资源进行资源过滤，主要是大型物质进行分离处理；微滤，石油中微量悬浮物进行处理；反渗透技术的应用，结合电解法将石油与水彻底分离开来。这项操作可以在较低的条件下进行，相比于萃取蒸馏等分离技术更节省能源，而且初步分离也能使后续处理相对简化。当然，目前的石油化工处理不仅仅局限于我设想中的石油开采的初步处理过程，在后续的石油开发中也有应用，如用于乙醇/水体系的渗透汽化脱水[5]。
3.2工业含油污水处理
除了油田开采会产生大量的含油污水以外，食品加工、纺织等行业生产过程中也会制造出大量的含油
污水。目前含油污水的处理方法有重力分离法、粗颗粒法、气浮法、絮凝法、电化学方法、生物处理法、吸附法、膜分离法、高级氧化法和磁分离法[6]。工业污水中的有机物含量过高较容易造成严重的环境污染，其处理方法的好坏对我们的生存生活有着紧密的联系。事实上膜分离方法中膜使用后也会造成污染，就如同我们用滤纸过滤后的滤纸无法二次使用。
4总结与讨论
当我从塑料袋中渗油联想到油污水处理时，仔细思考了一番关于有机聚合物膜使用的优劣，认为其方法具有双面性，因此需扬长避短。当然我看到文献中许多关于膜分离技术的夸奖，表述这种方法确实有一定的优越性，但实际上目前最新的一些文献也指出了膜分离方法还存在不足，需要改进。油水混合物有着很明显的性质区别，自然界中的物体的存在趋势其实多数是由不稳定状态变为稳定状态，由于水和油与他们接触界面的不同作用，决定了他们最后会有不同的存在状态。对机理的更深入研究才能不断推陈出新，到更有效的分离膜。表面张力的存在能很明显地区分不同物质或者同一物质的不同存在状态，不同物质间表面张力的研究可以出更合适的材料。关于塑料袋的优化，仅是考虑提高其使用性能而言，疏油涂层的使用很明显和膜分离技术中超亲水-疏油膜的研究密切相关，目前无机材料制成的疏油膜陆续出现，这证明最初设想的防漏油涂层使用无机材料是合理的。如果其漏油的主要原因是塑料袋中存在的空隙，那么掺杂一定的物质堵住空隙，且这种物质与油之间有较强的排斥作用，那么就能起到防止油漏出的作用。
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参考文献
[1] 武汉大学主编，化学工程基础（第三版），高等教育出版社，北京，2016，270-279波特率发生器
[2]印永嘉奚正楷张树永，物理化学简明教程（第四版），高等教育出版社，北京，2007，284-290
[3] 沈舒苏张干伟杨晶晶周晓吉
白仁碧，超亲水超疏油聚合物膜处理含油废水的研究进展，功能材料, 2017,48(04),4018-4024+4032
[4] 冯晋鹏钟伟林梅关于油田含油污水处理及回用技术的研究中国石油和化工标准与质量, 2017,37(09),160-161
[5]丁建武张伟东, 渗透汽化膜分离技术的工业应用进展, 船电技术 ,2017,37(10),68-72
[6]王一同丁毅飞周卫红，油水分离技术的研究进展，科技风, 2018,(25),38-38+44
备注：此次灵感来源于在食堂打包饭回宿舍，发现桌子上有油；以及用塑料手套吃完卤鸡翅等手上仍会出现一层辣油。原本是想着和油水分离联系起来，查资料时发现应用已经较为广泛了。因此仅结合所学知识分析此现象可能的原因，思考了如何进行塑料袋优化。本论文中的内容来源于查阅的资料并
结合了所学课本知识，若有不足，请体谅。本学期以来张老师一直强调要用研究的眼光去看待这个世界并思考其背后的原理，授人以鱼不如授人以渔，我感觉自己是受益匪浅的。虽然说老师课程要求较多，但还是很有趣味的一门课，并不让人感觉枯燥，反而激发了求知欲。
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