一、研究背景

原油是人类社会可持续发展不可缺少的资源。然而，随着全球经济的快速发展，工业生产过程中产生的含水油和意外溢油造成了严重的经济损失。在过去的半个世纪里，人们开发了许多分离各种油水混合物的技术，如撇油、破乳、吸附等。然而，由于液滴的高稳定性和微小尺寸（直径<20 μm），有效处理油水乳液仍然是一个很大的挑战。常规的乳化液分离技术包括物理（重力、离心、膜分离等）、化学（絮凝、深度氧化、燃烧等）、和生物（好氧、厌氧生物降解等）方法。这些技术在分离乳剂方面已显示出一定的能力，但也存在成本高、安装空间大、易受二次污染、耗时高等典型缺点。近年来，膜分离技术因其操作简便、分离效率高、无二次污染等优点，在乳状液分离中显示出巨大的潜力。具有选择性超润湿性的多孔材料被认为是油水分离领域最前沿的候选材料之一。

但需要注意的是，油的粘度往往会影响乳化液的分离通量和分离效率。大多数已经报道的膜材料只适用于轻质油或有机溶剂。当它们用于处理高粘度乳状液，特别是原油乳状液时，分离通量低导致膜分离工艺无效。因此，设计和制备用于处理高粘度油相形成的乳液的膜材料仍然是一个很大的挑战。

自全球能源危机以来，可持续发展的理念和对可再生资源的渴望已经成为人们根深蒂固的信念。纤维素作为世界上最丰富的天然多糖高分子化合物，正受到越来越多的关注。生产纤维素的原料来源广泛，包括木材、植物秸秆等。纤维素不仅具有良好的生物降解性和生物相容性，而且具有优异的物理和化学性能，如优越的机械性能、良好的热稳定性、高的长径比等。因此，纤维素在能源、软致动器、建筑、生物医学工程、光伏、等诸多领域得到了全面的应用。近年来，纤维素基膜或气凝胶被设计并应用于油水分离领域。 Jiang等利用纤维素滤纸和聚乙烯醇（PVA）通过极简单的交联方法制备了超亲水性和浸入式超疏油水凝胶包覆过滤器。这种水凝胶涂布滤纸在高酸、高碱、高盐环境下可实现高效油水分离（> ~ 99%）。以羧纤维素纳米纤维（CNFs）和热塑性聚氨酯弹性体为材料，采用定向冷冻铸造法制备了孔隙结构排列良好的气凝胶海绵。该气凝胶海绵具有优异的油底超亲水性、吸水性、可压缩性和可回收性，可连续去除高粘度原油和润滑油中微米级的水滴。具有特殊的弹簧片状结构的各向异性巴尔沙木海绵具有较高的机械压缩性和弹性回复率。其吸油量可达41 g g - 1，通过简单的机械压缩，吸附油具有良好的可回收性。尽管纤维素基膜材料在油水分离中具有诱人的应用潜力，但如何控制膜材料的选择性，简化制备工艺，实现规模化生产，仍然是纤维素基膜材料面临的巨大挑战。

二、摘要

利用膜材料净化工业生产过程和意外溢油中的粘性含水油具有重要意义，但仍具有挑战性。利用聚吡咯（PPy）优异的导电性和电热转化率，成功制备了疏水聚吡咯修饰的微纤化纤维素膜（P-CP）。P-CP膜的尺寸可定制，以满足特定要求。在本研究中，膜直径能够达到24 cm。使用闪蒸焦耳热设备，通过施加0到12 V的电压，P-CP膜的表面温度可以升高到大约120°C。在12 V电压下加热和冷却10次后，P-CP膜的电热曲线、表面疏水性和孔结构保持稳定，表明P-CP膜在长时间运行下仍具有良好的电热稳定性和可靠性。P-CP膜的电压与电流呈良好的线性关系（R2 = 0.997），且在低电源电压（0-12 V）下，从室温至~ 120℃温度范围内易于控制。在12v电源和自重力条件下，P-CP膜对油包水（W/O）乳剂（煤油、柴油）的分离通量比室温条件下高2-3倍，分离效率也有所提高。重要的是，P-CP膜对高粘度原油包水乳状液具有良好的分离性能，重力分离通量为40 L m-2 h-1。与无电情况相比，油包水乳状液的分离通量提高了4倍。对P-CP膜进行焦耳加热，扩展了其使用时间和应用场景，在实际粘稠油水乳液分离中具有广阔的应用前景。

三、结论

综上所述，利用环境友好型纤维素和聚吡啶制备了焦耳加热P-CP膜。合理的微观结构设计使P-CP膜具有优异的疏水性、优异的导电性和良好的电热转换性能。P-CP膜的厚度约为800 μm，平均孔径为9.81 μm，抗拉强度为69 kPa。P-CP膜可根据需要制作不同尺寸。在本研究中，膜的直径可达24cm。P-CP膜内电压与电流呈高度线性关系（R2 = 0.997）。通过施加0 ~ 12 V的电压，P-CP膜的表面温度可以从室温提高到~ 120°C。在12 V电压下加热和冷却10次后，P-CP膜的电-热曲线、表面疏水性和孔结构都保持稳定，表明P-CP膜在长时间运行下仍具有良好的电-热稳定性和可靠性。P-CP膜具有显著的电-热转化性能，对不同粘度的乳状液，特别是稠油包水乳状液的分离通量提高了近2-3倍。在电-热辅助作用下，P-CP膜仅依靠自重力就能将原油乳状液的分离通量提高近4倍。多功能纤维素基P-CP膜具有简单、可扩展的制造方法和环保、可再生的原料，在下一代热管理膜材料和油水处理方面具有巨大的应用潜力。

图1.P-CP膜的制备工艺示意图。

图2.P-CP 膜顶部（a-c）和横截面（d-f）的 SEM 图像。P-CP 膜的元素图谱图像（g）。

图3.水滴（水、柴油）在CP （a、b）和P-CP （c、d）复合膜上的扩散和润湿行为。P-CP膜在柴油作用下的动态水粘附性能(e). （a: S1膜，b: S2膜，c: S3膜，d: S4膜，e: S5膜）