Review:poreuze metalen filters en membranen voor olie-waterscheiding

Olie-waterscheidingsfiltermembraan op basis van metaalporositeit

Superhydrofoob-superoleofiel filtermembraan

Het lotusblad vertoont een superhydrofobe eigenschap vanwege zijn oppervlakteruwheid veroorzaakt door gelaagde structuren op micro/nanoschaal en epidermale was [24, 25]. Hierdoor geïnspireerd heeft de constructie van superhydrofobe oppervlakken de afgelopen jaren veel aandacht gekregen en zijn filtermembranen met superhydrofoob-superoleofiele eigenschappen geproduceerd [11, 14, 26,27,28,29,30,31,32,33]. De oppervlaktespanning van de oliefase is meestal lager dan die van de waterige fase [34, 35]. Volgens de vergelijking van Young moet, om een ​​superhydrofoob-superoleofiel filtermembraanoppervlak te creëren, de oppervlakte-energie van het gekozen materiaal tussen die van olie worden gehouden (20–30 mN m ⁻¹ ) en water (~ 72 mN m ⁻¹ ) [36], en de oppervlakte-energie van het metaal dat wordt gebruikt om het filtermembraan te fabriceren, zou hoger moeten zijn [37] en hydrofiliciteit vertonen. Om een ​​filtermembraanoppervlak met superhydrofobe-superoleofiele eigenschappen te geven, moet de oppervlakte-energie van het oppervlak in contact met de vloeibare fase daarom worden verminderd via coating of chemische oppervlaktemodificatie met een micro-/nanostructuurbekleding.

Bekleding

Dit verwijst naar het coaten van een membraansubstraat met een complexe micro-/nanostructuurbekleding door middel van fysische of chemische methoden. De coating combineert de intrinsieke hydrofobiciteit en lage oppervlakte-energie-eigenschappen van de samenstellende materialen om een ​​extreem ruwe micro/nano-oppervlaktestructuur te creëren; aldus wordt een filtermembraanoppervlak met superhydrofobe en superoleofiele eigenschappen gevormd op de metalen substraten, zoals een metalen gaas. Op dit moment worden sproeiafzetting [11, 38, 39], chemische dampafzetting [26] en elektrodepositie [40] met succes toegepast bij de fabricage van superhydrofobe-superoleofiele filtermembranen.

In 2004 hebben Feng et al. [11] nam een ​​sproeidepositiemethode aan om een ​​PTFE-coating op het oppervlak van een roestvrijstalen gaas aan te brengen om een ​​olie-waterscheidingsfiltermembraan te maken met superhydrofobe en superoleofiele eigenschappen, zoals weergegeven in Fig. 2, en bracht dit speciale bevochtigingsfiltermembraan aan op olie-water scheiding. Het oppervlak van de PTFE-coating geproduceerd met de bovenstaande methode heeft bolvormige uitsteeksels op microschaal met een ruwe structuur op nanoschaal, zoals weergegeven in Fig. 2b-d. Deze speciale oppervlaktemorfologie zorgt ervoor dat het oppervlak van het filtermembraan een grote oppervlakteruwheid heeft, vergroot de intrinsieke hydrofobiciteit van PTFE en verleent superhydrofobe-superoleofiele eigenschappen aan het oppervlak van het filtermembraan. Ondertussen zorgen de goede stabiliteit en chemische weerstand van PTFE ervoor dat het filtermembraan zijn oppervlaktestructuur en superhydrofobiciteit behoudt in zware omstandigheden.

Scanning-elektronenmicroscopie (SEM)-beelden van de coating-gaasfilm vervaardigd uit een roestvrijstalen gaas met een gemiddelde poriediameter van ongeveer 115 μm [11]. een Groot vlak van het gecoate membraan [11]. b –d Vergrote weergave van de oppervlaktemicrostructuur van het gecoate membraan [11]

De chemische dampafzettingstechniek kan de morfologie en eigenschappen van sedimentaire lagen nauwkeurig regelen door het gasdoteringsproces te regelen en heeft een goede toepassing bij de fabricage van superhydrofobe oppervlakten [26, 41]. Krik et al. (2013) deponeerde een siliconenelastomeer op een kopergaas door middel van chemische dampafzetting en produceerde een poreus metalen filtermembraan met superhydrofobe-superoleofiele eigenschappen [26]. Deze methode is eenvoudig te gebruiken en heeft een grote flexibiliteit, omdat het alleen de afzetting en coating van een superhydrofoob siliconenelastomeer vereist op de oppervlakken van complexe substraten met verschillende afmetingen.

Tot nu toe zijn er slechts weinig studies gerapporteerd over de invloed van temperatuur op olie-waterscheiding. Een temperatuurstijging resulteert in een afname van de oppervlakte-energie van de waterdruppel, wat betekent dat een vloeistof met een hoge temperatuur het oppervlak gemakkelijker bevochtigt dan een vloeistof met een lage temperatuur [42]. In 2018 hebben Cao et al. [39] ontwikkelde een koperen gaas met een superhydrofobe coating door sproeiafzetting van gemodificeerd polyurethaan en hydrofobe silica-nanodeeltjes. Dit soort filtermembraan kan een goede hydrofobiciteit en mechanische stabiliteit behouden in een wateromgeving van 100 °C en biedt goede vooruitzichten voor industriële toepassingen.

Chemische oppervlaktemodificatie

Chemische oppervlaktemodificatie omvat het verhogen van de oppervlakteruwheid van het substraat door te decoreren met een hydrofobe substantie, waardoor het oppervlak superhydrofobiciteit krijgt. Geïnspireerd door de Mytilus edulis foot protein 5 [43,44,45], Cao et al. [14] vervoegd n -dodecylmercaptan (NDM) en een roestvrijstalen gaasmembraan gecoat met adhesief polydopamine (PDA) door middel van Michael-additiereactie bij omgevingstemperatuur, zoals getoond in Fig. 3a, om een ​​superhydrofoob-superoleofiel filtermembraan te bereiden, dat met succes olie-waterscheiding bereikte . De bevochtigbaarheid van PDA-NDM-gaas wordt getoond in Fig. 3c, d. De auteurs hebben een nieuwe methode geïntroduceerd om olie-waterscheiding te bereiken, waarbij superhydrofobe-superoleofiele eigenschappen worden verleend aan het oppervlak van een metalen filtermembraan door het ruwe oppervlak van het metalen substraat te verfraaien met functionele groepen met hydrofiele en oleofobe eigenschappen. Volgens hetzelfde principe, Zang et al. [27] gemodificeerd CuO-gegroeid poreus kopergaasoppervlak met behulp van perfluordecyltriethoxysilaan; Wang et al. [28] galvaniseerde de Cu-nanodeeltjes op een gereinigd kopergaas en voerde een thioltransplantatie uit; Kong et al. [29] zette koperoxide af op een kopergaas en realiseerde oppervlaktemodificatie met behulp van NDM. In al deze experimenten werd een superhydrofoob-superoleofiel oppervlak geconstrueerd en werd de olie-waterscheiding met succes gerealiseerd.

een Schematische beschrijving van de bereiding van met polydopamine (PDA) gecoate roestvrijstalen gaasfolie en N -dodecylmercaptan (NDM) gemodificeerd oppervlak door Michael-additiereactie [14]. b De lage vergrotingsweergave van het PDA-NDM-gaas met een gemiddelde diameter [14] van ongeveer 40 m [14]. c De foto van een waterdruppel (2 L) op het PDA-NDM-gaas met een contacthoek van 143,8 ±-1,0° [14]. d Een druppel dieselolie (2 μL) verspreidt zich en dringt snel door op het gaas [14]

Er zijn methoden voor galvaniseren [29], elektrodepositie [32] en chemisch etsen [33] gebruikt om ruwe structuren op microschaal of nanoschaal te construeren, maar om de oppervlakte-energie te verminderen, vereisen deze methoden modificerende reagentia zoals fluorhoudende silanen, alkylmercaptanen en laurinezuur , die schadelijk zijn voor het milieu; de gewijzigde filtermembranen kunnen secundaire verontreiniging van het water veroorzaken. Daarom is chemische oppervlaktemodificatie voordelig omdat het een lage oppervlakte-energie oplevert volgens milieuvriendelijke procedures.

Superhydrofiel en onderwater superoleofoob filtermembraan

Een hydrofiel oppervlak heeft een hogere oppervlakte-energie dan een waterige fase en vertoont dus gewoonlijk oleofobiciteit. Geïnspireerd door vissenschubben, Liu et al. [46] ontwikkelde een superoleofobe en laagklevende water/vaste stof-interface. Watermoleculen kunnen vast komen te zitten in de micro/nanostructuren van het superhydrofiele onderwateroppervlak omdat het hydrofiele oppervlak oleofobiciteit onder water vertoont. De toenemende hydrofiliciteit van het grensvlak verhoogt de oleofobiciteit onder water, zodat het superhydrofiele oppervlak ook onder water superoleofobe eigenschappen bezit. Gezien dit fenomeen zijn er verschillende superhydrofiele en onderwater-superoleofobe filtermembranen gefabriceerd en toegepast op olie-waterscheiding.

In superhydrofiel-onderwater superoleofobe filtermembranen wordt water aan het membraanoppervlak gehecht om een ​​oleofobe vloeistofbarrière te vormen, die voorkomt dat oliedruppels doorsijpelen, waardoor olie-waterscheiding wordt gerealiseerd [36]. Als gevolg van de oleofobiciteit onder water en de lage hechting aan olie, heeft het superhydrofiele materiaal een uitstekende aangroeiwerende eigenschap onder water, zodat het probleem van verstopte filterporiën door olie wordt vermeden [47]. Door de adhesie van organische verontreinigende stoffen met een lage oppervlakte-energie, zal de superhydrofiliciteit van dit soort membraan echter geleidelijk afnemen, wat bijgevolg het olie-waterscheidingsvermogen beïnvloedt.

Metalen materialen, macromolecuulpolymeren en anorganische niet-metalen materialen worden allemaal toegepast bij de fabricage van superhydrofiel-onderwater superoleofobe poreuze metalen filtermembranen. De specifieke fabricagemethoden omvatten coating en oxidatie.

Bekleding

Coatingmethoden toegepast op superhydrofiel-onderwater superoleofoob filtermembraan omvatten spraycoating [48,49,50,51], dompelcoating [12, 52], laag-voor-laag (LBL) coating [53,54,55], chemische groei [56] en elektrodepositie [57]. Met behulp van deze methoden wordt het oppervlak van een substraat (meestal een roestvrijstalen gaas of kopergaas) bedekt met een superhydrofiel-onderwater superoleofobe coating.

Hydrogel wordt veel gebruikt bij de scheiding van olie en water vanwege zijn uitstekende superhydrofiliciteit en goede aangroeiwerende eigenschappen [12, 58,59,60,61,62,63]. Xue et al. [12] creëerde eerst een superhydrofiel-onderwater superoleofoob poreus metalen filtermembraan door een roestvrijstalen gaas te coaten met polyacrylamide-hydrogels, zoals weergegeven in Fig. 4. Dit filtermembraan heeft goede oleofobe eigenschappen en is gemakkelijk opnieuw te gebruiken. Bovendien is polyacrylamide-hydrogel een fluoridevrij en milieuvriendelijk materiaal, en dus zou secundaire vervuiling tijdens de scheiding worden vermeden. Deze organische polymeercoating is echter gevoelig voor hydratatie [64], en de afbraak van polyacrylamidematerialen vereist extreme externe omstandigheden. Om een ​​zelfreinigend olie-waterscheidingsfiltermembraan met een lage olieadhesie onder water te maken, hebben Dai et al. [62] fabriceerde een nieuw met guargom hydrogel gecoat roestvrijstalen gaas met zowel superhydrofiele als onderwater superoleofobe eigenschappen door middel van een gemakkelijke en effectieve dip-coating techniek. Natuurlijke biologisch afbreekbare guargom werd als materiaal gebruikt en het voorbereide filtermembraan vertoonde een goede biocompatibiliteit en gemakkelijke afbraak.

een –c SEM-afbeeldingen van het met PAM-hydrogel gecoate gaas vervaardigd uit een roestvrijstalen gaas met een gemiddelde poriediameter van ongeveer 50 m [12]. d , e Olie / water scheidingsstudies van het PAM-hydrogel-gecoate gaas. De poriegrootte van het gaas is ongeveer 50 μm [12]

De LBL-coating kan verschillende functionele coatings nauwkeurig integreren in een enkele coating die grotendeels wordt afgezet op het oppervlak van een complexe structuur [54]. Zhang et al. [54] heeft een zelfreinigend superoleofoob onderwatergaas gemaakt dat kan worden gebruikt voor olie-waterscheiding door een LBL-assemblage van natriumsilicaat en TiO2-nanodeeltjes op een roestvrijstalen gaas. Door de aanwezigheid van de TiO2-laag werden de organische verontreinigende stoffen die aan het filtergaas waren gehecht katalytisch afgebroken na ultraviolette bestraling. Het vermogen van TiO2 om organische verontreinigende stoffen af ​​te breken na ultraviolette bestraling is met succes toegepast in verschillende onderzoeken [8, 49, 54, 65, 66]. Hou et al. (2017) hebben een roestvrijstalen filtermembraan met superoleofobiciteit onder water gemaakt door een LBL-assemblage van poly (diallyldimethylammoniumchloride) (PDDA) en halloysiet-nanobuisjes (HNT's) op een roestvrijstalen gaas [53], zoals weergegeven in Fig. 5. Het roestvrij staal filtermembraan vertoonde een goede chemische en mechanische duurzaamheid en behaalde een olie-waterafscheidingspercentage van meer dan 97%.

Schematische weergave van het LBL-assemblageproces voor de fabricage van het (PDDA/HNTs)n versierde gaas [53]

Oxidatie

Oxidatie verwijst naar de vorming van een metaaloxidelaag met hoge oppervlakte-energie op een metalen oppervlak door een oxidatiereactie, waardoor het filtermembraanoppervlak superhydrofiliciteit krijgt. Op dit moment kunnen directe oxidatie [13, 65, 67], elektrochemische oxidatie [47, 55, 66, 68] en laseroppervlakoxidatie [8, 69] worden gebruikt voor de fabricage van superhydrofiel-onderwater superoleofobe filtermembranen.

Feng et al. [13] maakte een nanodraadhaarmembraan door oppervlakteoxidatie van een kopergaas in een alkalische waterige oplossing met (NH4)2S2O8, en dit nanodraadhaarmembraan met Cu(OH)2 vertoonde goede superhydrofiele-onderwater superoleofobe eigenschappen, zoals getoond in Afb. 6a. In vergelijking met het organische filtermembraancoatingmateriaal heeft dit anorganische filtermembraanoppervlak een betere alkalibestendigheid en aangroeiwerende eigenschappen. De Cu(OH)2-nanostructuren zullen echter in de zure oplossing worden vernietigd en hun scheidingsvermogen verliezen [67]. Zhuo et al. [67] gebruikte de bovenstaande methode om een ​​nanodraadmembraan te maken met Cu(OH)2 en dompelde het vervolgens onder in een oxaalzuuroplossing om een ​​nanodraadhaarmembraan te maken met koperoxalaat, zoals weergegeven in Fig. 6b, c. Dit membraan heeft een betere zuurbestendigheid dan het nanogestructureerde membraan met Cu(OH)2.

een Schematische weergave van olie-bevochtiging op een nanodraadhaar membraan met een micro/nano-hiërarchische structuur in water. [13]. b , c SEM-afbeeldingen van kopergaas gecoat met CuC2O4-nanoribbons [67]

De directe oxidatiemethode, waarbij een hydrofiele laag met een speciale nanostructuur wordt gegenereerd door directe oxidatie in een specifieke oplossing, heeft veel nadelen, zoals de gevaren van reagentia, ruwe bedrijfsomstandigheden en moeilijkheid om het reactieproces te beheersen. Daarentegen is elektrochemische anodische oxidatie een effectief alternatief voor directe oxidatie, omdat het een eenvoudige operatie en lage kosten met zich meebrengt, en het kan worden gebruikt om geordende nanostructuren te laten groeien op een substraat met een groot oppervlak [70]. Met deze methode kunnen de oppervlaktemorfologie en dikte van de oxidelaag nauwkeurig worden gecontroleerd [55] door de elektrolytoplossing te veranderen, de stroomdichtheid, reactietemperatuur en tijd te regelen. Door een eenvoudige en zeer efficiënte elektrochemische anodische oxidatie, Pi et al. (2017) heeft een superhydrofiel-onderwater superoleofobe Cu₂ . gemaakt S-gecoat kopergaas [47] met een unieke gekrulde plaatachtige structuur, en met succes een olie-watermengsel gescheiden. Het membraan heeft een lage olieadhesie en in tegenstelling tot de polymeercoating is de anorganische coating stabiel en zwelt niet gemakkelijk op in water. Zhuo et al. [68] gebruikte elektrochemische anodische oxidatie, zoals weergegeven in figuur 7a, om een ​​hydrofiele CuWO4@Cu2O-laag met een hiërarchische bloemkoolachtige structuur op een kopersubstraat te bereiden, zoals weergegeven in figuur 7b, c. Dit soort membraan katalyseert ook de fotodegradatie van organische verontreinigende stoffen. Anders dan TiO2, kan de hydrofiele CuWO4@Cu2O-laag de afbraak van organische verontreinigende stoffen katalyseren door bestraling met zichtbaar licht, wat de moeilijkheid van fotokatalytische afbraak van verontreinigende stoffen aanzienlijk vermindert. De fotokatalytische afbraak van verontreinigende stoffen in water door verschillende fotokatalysatoren wordt weergegeven in figuur 7d.

een Schematische weergave van de groei van CuWO4@Cu2O op kopersubstraat door anodisatie [68]. b , c Morfologie en structuur van de CuWO4@Cu2O-film op kopergaas [68]. d Fotodegradatiecurven van verontreinigende stoffen in water door gebruik te maken van verschillende fotokatalysatoren onder bestraling met zichtbaar licht [68]

In de afgelopen jaren hebben sputter- en afzettingsverschijnselen bij laserverwerking veel aandacht getrokken [71]. Metalen oppervlakken worden onderworpen aan laseractie, waardoor ablatie en plasma bij hoge temperaturen worden gegenereerd. Het plasma wordt afgezet op het metalen substraat om een ​​oxidelaag te vormen met een complexe micro/nanostructuur, waardoor het gelaserde metaaloppervlak superhydrofiele eigenschappen krijgt. Je et al. (2016) vervaardigde titanium micronpore-array filtermembranen met behulp van femtoseconde laserboren [8]. Zoals getoond in Fig. 8a-d, werd door laserverwerking een TiO2-laag met hydrofiliciteit gevormd op het oppervlak van het membraan; de wand van micrometerporiën was bedekt met de uitsteeksels op microschaal en geribbelde uitsteeksels werden gevormd tussen aangrenzende poriën. Deze microstructuren verhoogden de oppervlakteruwheid van het filtermembraan, wat de hydrofiliciteit van de TiO2-laag op het oppervlak versterkte en zo het filtermembraan superhydrofiliciteit en superoleofobiciteit onder water voorzag. De bevochtigbaarheid van het oppervlak van titaniumfolie na laserboren wordt getoond in Fig. 8e, f. Door de aanwezigheid van de TiO2-laag met halfgeleidereigenschap, werden organische verontreinigende stoffen die aan het membraan hechtten katalytisch afgebroken na een ultraviolette bestraling.

een –d SEM-afbeeldingen van geablateerde titaniumfolie vervaardigd met een laserfluentie van 12,4 J/cm2 en een microgatafstand van 100 μm [8]. e Bevochtigingsgedrag van waterdruppels op het oppervlak van titaniumfolie na laserboren [8]. v Bevochtigingsgedrag van oliedruppels onder water op het oppervlak van titaniumfolie na laserboren [8]

Hoe et al. [69] vervaardigde koperen micronpore-array filtermembranen met behulp van femtoseconde laserboren en creëerde een superhydrofiel filtermembraan. De ingangslocatie en de uitgangslocatie van het gat dat is gemaakt met behulp van laserstraalbewerking worden getoond in Fig. 9a, b. Vanwege de oppervlaktespanning van water en de speciale ringvormige geribbelde morfologie van de microporeuze uitlaat, zoals weergegeven in figuur 9c, eindigt de water-koper contactlijn bij de microporeuze uitlaat. Olie-waterscheiding kan worden gerealiseerd op basis van de verschillende drukken van olie en water die door microporiënreeksen gaan. Deze fabricagemethode omvat het gebruik van chemische reagentia voor oppervlaktemodificatie en is milieuvriendelijk en eenvoudig. Koper wordt echter gemakkelijk geoxideerd en gecorrodeerd door zeewater om materialen te vormen zoals alkalisch koperchloride, alkalisch kopersulfaat en patina [72], wat de oppervlaktestructuur van het membraan vervormt en het olie-waterscheidingsvermogen beïnvloedt.

Een gat gemaakt met behulp van laserstraalbewerking. een De ingangslocatie. b De uitgangslocatie. (De laserstraalcondities zijn 500 μJ per puls, 20 kHz en 10 schoten) [69]. c De locatie van de watercontactlijn op een gat met opnieuw gegoten materiaal in een evenwichtstoestand [69]

Vanwege de oleofobiciteit onder water en de lage olieadhesie, heeft het superhydrofiele-onderwater superoleofobe filtermembraan goede aangroeiwerende eigenschappen onder water, en dus worden de poriën niet geblokkeerd door olie [47]. Vanwege de hechting van organische verontreinigende stoffen met een lage oppervlakte-energie, zal de superhydrofiliciteit van dit membraan echter geleidelijk afnemen, wat het olie-waterscheidingsvermogen zal beïnvloeden. Daarom zijn methoden om zelfreinigende filtermembraanoppervlakken te fabriceren en de olie-waterscheidingsefficiëntie en levensduur van filtermembranen te vergroten uitdagingen die moeten worden opgelost op het onderzoeksgebied van superhydrofiel-onderwater superoleofoob filtermembraan.

Filtermembraan met schakelbare bevochtigbaarheid

Op het gebied van olie-waterscheiding kan de bevochtigbaarheid het oppervlak bepalen waar de regelbare conversie van oliefiltratie of waterfiltratie wordt gerealiseerd op een enkel filtermembraanapparaat, en vervolgens kan een intelligent olie-waterscheidingsapparaat worden gefabriceerd, dat goede eigenschappen heeft. vooruitzichten in industriële toepassingen [73].

Onderzoekers hebben schakelbare filtermembranen geconstrueerd met schakelbare bevochtigbaarheid op textiel [74,75,76,77], koolstof nanobuisjes materialen [78] en filterpapier [79] om een ​​intelligente scheiding van olie en water te bereiken. In de studies van een poreus metalen filtermembraan, Tian et al. [80] bereidde een ZnO-array met nanostaafjes gecoat roestvrijstalen gaas door een tweestapsoplossingsbenadering, zoals weergegeven in Fig. 10a-c. Een fotokatalytisch olie-water scheidingsfiltermembraan werd verkregen. Na ultraviolette bestraling vertoonde het membraan superhydrofiele-onderwater-superoleofobe eigenschappen, waardoor de olie in een olie-watermengsel niet door het filtergaas kon gaan. Na 7 dagen in het donker of 2 uur in een zuurstofatmosfeer te zijn bewaard, zou het membraan weer superhydrofobiciteit kunnen krijgen - superoleofobiciteit onder water, zoals weergegeven in Fig. 10d, e. Yan et al. [81] gebruikte ook de schakelbare bevochtigbaarheid van een ZnO-materiaal in een optische drive om een ​​foto-geïnduceerd olie-waterscheidingsfiltermembraan te fabriceren door hydrofobe ZnO-nanodeeltjes en watergedragen polyurethaanmengsels te sproeien. Met deze eenvoudige methode kan het membraan schakelbare bevochtigbaarheid bereiken door afwisselende ultraviolette bestraling en warmtebehandeling. Yi et al. (2018) ontwikkelden een dunne laag zilver op een kopergaas door een enkele verplaatsingsreactie, en fabriceerden vervolgens een filtermembraan met speciale bevochtigbaarheid bij de katalytische omzetting van ultraviolette stralen [82]. The membrane obtained super-hydrophobic properties after heat treatment and superhydrophilic–underwater superoleophobic properties after ultraviolet irradiation.

een –c Schematic diagrams of the SEM images of as-prepared aligned ZnO nanorod array-coated stainless steel mesh films [80]. d Photographs of a water droplet on the coated mesh film after dark storage (left) and under UV irradiation (middle) in air with contact angles of ~ 155° and ~ 0°, respectively [80]. e Photographs of an oil droplet (1,2-dichloroethane) on the mesh film in air (left) and underwater (middle) with contact angles of ~ 0° and ~ 156°, respectively [80]

Cheng et al. [83] prepared copper oxides with a micro/nano composite structure on a copper substrate by immersing the copper mesh into a compound solution of (NH₄ )₂ S₂ O₈ (0.1 M) and NaOH (2.5 M) for 12 h, and then used a mixed mercaptan solution of HS(CH2)9CH3 and HS(CH2)11OH to chemically modify the immersed surface, and finally prepared a water–oil separation filter membrane with controllable surface wettability. When the mole fraction of HS(CH2)11OH in the mixed mercaptan solution approached 0, the surface of the filter membrane exhibited superhydrophobic and superoleophilic properties, as shown in Fig. 11a, and the filter membrane allows only the oil in the oil–water mixture to pass through. When the mole fraction of HS(CH2)11OH was close to 1, the surface of the filter membrane showed superhydrophilic–underwater superoleophobic properties, as shown in Fig. 11b, and the filter membrane allows only the water in the oil–water mixture to pass through. The superhydrophilicity-superoleophobicity of the membrane is due to its surface rough micro-morphology and the hydroxyl and alkyl functional groups introduced into its surface by the mixed mercaptan solution. Hydroxyl exhibits hydrophilicity, while alkyl exhibits hydrophobicity and oleophilicity. Changing the mole fraction of HS(CH2)11OH in the mixed mercaptan solution results in a change in the ratio of the hydroxyl groups to alkyl groups on the membrane surface and consequently alters the affinity of filter membrane surface to water and oil.

Schematic illustration of underwater oil wettability on the obtained surfaces:for surfaces prepared with XOH ≤ 0.2, the surfaces are mainly covered by the hydrophobic and oleophilic methyl groups; thus the oil droplet can enter into the microstructures, and the surface would show underwater superoleophilicity (a ). For the surface prepared with XOH ≥ 0.6, the presence of many hydroxyl groups increases the hydrophilicity of the surface, and water can enter into the microstructures; the oil droplet would reside in the composite Cassie state, and the surface would show superoleophobicity (b ) [83]

The pre-wetting of oil–water separation filter membranes exploits the strong affinity of the membrane surface for water and oil to achieve surface hydrophobic and oleophobic conversions as well as an intelligent separation of the oil–water mixture. Li et al. [84] exploited the hydrophilicity of starch, cellulose and pectin in waste potato residue powders and the ability to absorb oil; they sprayed a mixture of waste potato residue and waterborne polyurethane on a stainless steel mesh to fabricate a superoleophobic or superhydrophobic oil–water separation filter membrane catalysed by pre-wetting with water or oil. When the filter membrane is pre-wetted by water, the surface of the membrane acquires underwater super oleophobicity and will allow only water through the filter membrane, as shown in Fig. 12a, b. When the filter membrane is pre-wetted by oil, the surface of the membrane acquires super-hydrophobicity under the oil and would allow only oil to pass through the filter membrane, as shown in Fig. 12a, c.

een Schematic illustration of the selective separation of oil/water mixtures. PCRM means potato residue coated-mesh. b Separation of kerosene–water mixtures (where ρ_wate r > ρ_oil ). c Separation of chloroform–water mixtures (where ρ_water  < ρ_oil ) (the water was dyed with methylene blue and oil is dyed with Oil Red O to enhance the visual effect) [84]