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          仿生液體門控膜在水處理中的應用研究

          發表日期:2021-01-19 14:51文章編輯:國初科技瀏覽次數: 標簽:    

          IWA國際水協會微信公眾號1月15日訊:“液體門控技術”是廈門大學侯旭等人提出的原創概念,指多孔膜中微尺度孔道利用毛細力作用,將液體形成一種閉合狀態的液體門控,液體門控在一定壓力下迅速可逆開啟,其在水處理、化學檢測、生物醫學、能源材料等領域具有重要的應用前景。“液體門控技術”被全球最具權威性的化學組織國際純粹與應用化學聯合會IUPAC 評為2020年全球“化學領域十大新興技術”。

          仿生液體門控膜材料

          膜科學作為交叉學科,已成為實現經濟可持續發展戰略的重要支撐,在廢水處理、海水淡化等國家重大需求方面發揮關鍵性的作用。傳統膜材料的發展已經歷了較長的歷史,目前也已經有了較豐富的膜材料種類,但隨著現代科學技術的迅速發展,越來越多的膜材料問題擺在人們的面前,已成為許多學科發展與應用的瓶頸,如水處理中膜污染性和耐用性問題、膜分離過程中的微孔界面可控性問題等1。膜分離技術作為水處理中多相分離領域的重要方法,其中新型膜材料的研發一直是該領域的研究重點。對于固體多孔膜材料,雖然提供了材料骨架的穩定性,但其材料界面很難避免吸附與微結構缺陷等問題;而對于流動態的液體,液體材料界面分子級平整,但時時處于流動態,不易固定。

          為了解決上述問題,侯旭等受肺泡啟發,首次提出了“液體門控”的概念2。液體門控膜是多孔膜中微尺度孔道利用毛細力作用,將液體形成一種閉合狀態的液體門控,液體門控在一定壓力下迅速可逆開啟,并在膜材料孔道內壁形成有液體層的通路,其液體層可為液體門控膜材料提供動態分子級平整的界面,因此具有優異的抗污與節能性質1-4,有助于解決膜材料在水處理領域的重大科學與應用問題。

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          圖1. 液體門控膜和傳統固體多孔膜的對比2

          應力響應性液體門控膜系統

          傳統的膜分離系統在氣液的輸運與分離控制中,其分離開關性質都是基于驅動壓力的變化,比如變壓氣液分離。而壓力變化往往需要消耗額外的能量;同時壓力變化會作用于整個系統而不僅僅是膜本身,因此作用于其他部分的能量會被損耗。如何實現在恒壓環境下的動態可控氣液分離一直以來面臨著技術挑戰。針對這一問題,侯旭團隊首次建立了應力響應性液體門控膜系統,應用于恒壓環境下多相流體的動態膜分離的新方法5。

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          圖2. 應力響應性液體門控膜系統的工作原理5

          這一研究設計了孔徑可控的高分子彈性體多孔材料,其具有良好的伸縮率(斷裂伸縮率~450%)和穩定性(循環穩定性達500次以上)。通過功能液體與高分子膜材料的復合,避免了待輸運流體與膜材料的直接接觸,該體系具有優異的抗污性能?;趹憫砸后w門控膜系統,首次實現了在恒壓環境下的可控氣液輸運和動態分離(分離效率97%以上)。該復合體系的材料選擇廣泛,材料制備簡單,可控性好,穩定性高,具有良好的抗污性能和恢復性能,能動態調控物質過膜壓強,這項研究對多相物質輸運和分離將具有重要的意義。

          石墨烯復合增強的彈性體液體門控膜材料

          此項研究設計了具有增強力學性能的氧化石墨烯(GO)復合聚氨酯(TPU)液體門控膜,作為應力響應性液體門控系統,其可以在恒定壓力刺激下產生響應來動態控制輸運氣體和液體的傳輸和分離6。對復合膜的結構和力學性能的深入探究,驗證了GO和TPU之間的氫鍵鍵合增強了復合材料的力學性能,賦予該系統優異的可拉伸性。通過優化的材料選擇和界面設計,該系統表現出優異的防污性能。通過簡單地交替拉伸和釋放過程,可以實現實時響應的輸運物質過膜壓強閾值的變化,以對氣體和液體進行分選。進一步優化界面設計和調控由應力刺激發生的孔形貌變化,可以動態控制氣體和液體的傳輸。此外,通過可控地調節對復合膜系統上的拉伸程度,可以實現更廣泛的物質傳輸和分離,將為復雜水處理提供更多可能性。該項目被列為2018年福建省戰略性新興產業專項。

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          圖3. 石墨烯復合增強的彈性體液體門控膜系統的抗污性能和可控氣液分離6

          總結及展望

          液體門控膜是一種新概念材料,其液體層可為膜材料提供動態分子級平整的界面,具有優異的抗污與節能性質,有助于解決膜材料在水處理領域的重大科學與應用問題。在未來的工作中,基于液體門控膜系統的響應性材料界面調控研究,將為智能膜材料的研發提供新的思路,液體門控膜材料相關的產學研研究將推動膜材料在水處理等領域的實際應用,促進材料、化學、物理、工程等多學科的交叉融合發展。

           
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