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仿生液体门控膜在水处理中的应用研究分析
更新时间:2021-01-18 来源:IWA国际水协会

  “液体门控技术”是厦门大学侯旭等人提出的原创概念,指多孔膜中微尺度孔道利用毛细力作用,将液体形成一种闭合状态的液体门控,液体门控在一定压力下迅速可逆开启,其在水处理、化学检测、生物医学、能源材料等领域具有重要的应用前景。“液体门控技术”被全球最具权威性的化学组织国际纯粹与应用化学联合会IUPAC 评为2020年全球“化学领域十大新兴技术”。

  仿生液体门控膜材料

  膜科学作为交叉学科,已成为实现经济可持续发展战略的重要支撑,在废水处理、海水淡化等国家重大需求方面发挥关键性的作用。传统膜材料的发展已经历了较长的历史,目前也已经有了较丰富的膜材料种类,但随着现代科学技术的迅速发展,越来越多的膜材料问题摆在人们的面前,已成为许多学科发展与应用的瓶颈,如水处理中膜污染性和耐用性问题、膜分离过程中的微孔界面可控性问题等1。膜分离技术作为水处理中多相分离领域的重要方法,其中新型膜材料的研发一直是该领域的研究重点。对于固体多孔膜材料,虽然提供了材料骨架的稳定性,但其材料界面很难避免吸附与微结构缺陷等问题;而对于流动态的液体,液体材料界面分子级平整,但时时处于流动态,不易固定。

  为了解决上述问题,侯旭等受肺泡启发,首次提出了“液体门控”的概念。液体门控膜是多孔膜中微尺度孔道利用毛细力作用,将液体形成一种闭合状态的液体门控,液体门控在一定压力下迅速可逆开启,并在膜材料孔道内壁形成有液体层的通路,其液体层可为液体门控膜材料提供动态分子级平整的界面,因此具有优异的抗污与节能性质,有助于解决膜材料在水处理领域的重大科学与应用问题。

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  图1. 液体门控膜和传统固体多孔膜的对比

  应力响应性液体门控膜系统

  传统的膜分离系统在气液的输运与分离控制中,其分离开关性质都是基于驱动压力的变化,比如变压气液分离。而压力变化往往需要消耗额外的能量;同时压力变化会作用于整个系统而不仅仅是膜本身,因此作用于其他部分的能量会被损耗。如何实现在恒压环境下的动态可控气液分离一直以来面临着技术挑战。针对这一问题,侯旭团队首次建立了应力响应性液体门控膜系统,应用于恒压环境下多相流体的动态膜分离的新方法。

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  图2. 应力响应性液体门控膜系统的工作原理

  这一研究设计了孔径可控的高分子弹性体多孔材料,其具有良好的伸缩率(断裂伸缩率~450%)和稳定性(循环稳定性达500次以上)。通过功能液体与高分子膜材料的复合,避免了待输运流体与膜材料的直接接触,该体系具有优异的抗污性能。基于应力响应性液体门控膜系统,首次实现了在恒压环境下的可控气液输运和动态分离(分离效率97%以上)。该复合体系的材料选择广泛,材料制备简单,可控性好,稳定性高,具有良好的抗污性能和恢复性能,能动态调控物质过膜压强,这项研究对多相物质输运和分离将具有重要的意义。

  石墨烯复合增强的弹性体液体门控膜材料

  此项研究设计了具有增强力学性能的氧化石墨烯(GO)复合聚氨酯(TPU)液体门控膜,作为应力响应性液体门控系统,其可以在恒定压力刺激下产生响应来动态控制输运气体和液体的传输和分离6。对复合膜的结构和力学性能的深入探究,验证了GO和TPU之间的氢键键合增强了复合材料的力学性能,赋予该系统优异的可拉伸性。通过优化的材料选择和界面设计,该系统表现出优异的防污性能。通过简单地交替拉伸和释放过程,可以实现实时响应的输运物质过膜压强阈值的变化,以对气体和液体进行分选。进一步优化界面设计和调控由应力刺激发生的孔形貌变化,可以动态控制气体和液体的传输。此外,通过可控地调节对复合膜系统上的拉伸程度,可以实现更广泛的物质传输和分离,将为复杂水处理提供更多可能性。该项目被列为2018年福建省战略性新兴产业专项。

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  图3. 石墨烯复合增强的弹性体液体门控膜系统的抗污性能和可控气液分离

  总结及展望

  液体门控膜是一种新概念材料,其液体层可为膜材料提供动态分子级平整的界面,具有优异的抗污与节能性质,有助于解决膜材料在水处理领域的重大科学与应用问题。在未来的工作中,基于液体门控膜系统的响应性材料界面调控研究,将为智能膜材料的研发提供新的思路,液体门控膜材料相关的产学研研究将推动膜材料在水处理等领域的实际应用,促进材料、化学、物理、工程等多学科的交叉融合发展。


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