Dokument BBC przedstawił kiedyś takie magiczne zwierzę, które „czerpie wodę z pustyni”. Na pustyni w Namibii żyje chrząszcz. Ich grzbiety składają się z hydrofilowych wybrzuszeń i superhydrofobowego podłoża, co umożliwia chrząszczowi pobieranie wilgoci z powietrza.
Każdego ranka powietrze na pustyni w Namibii jest wypełnione mgłą. W tym czasie wilgoć wokół chrząszcza zostanie przechwycona przez hydrofilowe guzki na jego ciele.
Następnie wilgoć będzie stopniowo skraplać się w kropelki wody na twardej skorupie chrząszcza. Następnie pod wpływem grawitacji kropelki wody wpływają do jego pyska wzdłuż superhydrofobowego grzbietu chrząszcza. W ten sposób na niezwykle ubogiej w wodę pustyni chrząszcz w cudowny sposób pozyskiwał wodę pitną.
Zespół profesora Li Jiana z Northwest Normal University od dawna realizuje koncepcję badawczą „uczenia się od natury”. Separacja oleju i wody jest jednym z jego kierunków badawczych. Kiedyś sobie wyobraził: czy jeśli połączy się unikalną strukturę chrząszcza pustynnego z podwodną superoleofobową membraną, można będzie wychwycić kropelki oleju i wykorzystać je w procesie oddzielania oleju od wody?
Jego pomysł w końcu stał się rzeczywistością. Niedawno zainspirowany „zbieraniem wody we mgle” przez chrząszcza pustynnego, on i jego zespół opracowali przypominającą chrząszcza pustynnego membranę do oddzielania oleju od wody, która ma „funkcję zbierania oleju w wodzie”.
Membrana składa się z podwyższonych hydrofobowych cząstek oleofilowych ZIF-8 i dolnej warstwy poliakrylonitrylu (PAN) podwodnego materiału superoleofobowego.
Podczas oddzielania emulsji typu woda w oleju uniesione cząstki hydrofobowe/oleofilowe (ZIF-8) mogą spowodować „zbieranie oleju w wodzie” i demulgację, podczas gdy podwodna membrana superoleofobowa (PAN) w dolnej warstwie pełni rolę ekranującą na emulsja. Pod wpływem synergistycznego efektu obu, efekt „kompromisu” pomiędzy wydajnością separacji a strumieniem tradycyjnej podwodnej membrany superoleofobowej zostaje zerwany, a skuteczność separacji emulsji olej-woda ulega poprawie, przy jednoczesnym polepszeniu strumienia separacji, oraz z powodzeniem osiąga się efektywną i wysokowydajną separację różnych emulsji typu woda w oleju, a nawet emulsji typu woda w ropie naftowej.
Na tej podstawie zespół badawczy ujawnił ulepszony mechanizm separacji w postaci „wychwytywania-agregacji-separacji” membrany do separacji oleju i wody.
Oczekuje się, że osiągnięcie to będzie miało pewne perspektywy zastosowania w głębokim oczyszczaniu i wykorzystaniu zasobów ścieków zaolejonych.
Na przykład można go stosować do oczyszczania ścieków zaolejonych wytwarzanych przez przemysł petrochemiczny, przemysł metalurgiczny, przemysł tekstylny, przemysł spożywczy, ścieki miejskie, wycieki ropy naftowej, transport morski oraz wydobycie ropy i gazu i oczekuje się, że zapewni skuteczną separację i oczyszczenie.
Rozumie się, że niedobór zasobów czystej wody spowodowany wyciekami ropy naftowej na morzu i odprowadzaniem zaolejonych ścieków przemysłowych jest problemem globalnym, zagrażającym bezpieczeństwu środowiska ekologicznego i ograniczającym zrównoważony rozwój społeczeństwa ludzkiego.
Głębokie oczyszczanie i wykorzystanie zasobów zaolejonych ścieków ma ogromne znaczenie dla rozwiązywania niedoborów zasobów wodnych, ochrony środowiska ekologicznego, oszczędzania energii i redukcji emisji oraz osiągania celów „podwójnego węgla”.
Technologia membranowa, jako strategia oddzielania i oczyszczania ścieków zaolejonych, ma istotne zalety w postaci wysokiej wydajności i niskiego zużycia energii i jest uważana za jedną z najskuteczniejszych technologii oczyszczania ścieków zaolejonych. Dzięki przesiewaniu wielkości porów i regulacji zwilżalności powierzchni technologia ta umożliwia selektywne oddzielanie mieszanin olej-woda.
Jednakże problem zanieczyszczenia membran spowodowany adsorpcją środków powierzchniowo czynnych lub zatykaniem porów przez kropelki oleju jest nadal jednym z największych wyzwań stojących przed oczyszczaniem ścieków zaolejonych.
Zanieczyszczenie powierzchni olejem doprowadzi do zmniejszenia strumienia membrany separacji olej-woda, zmniejszenia wydajności separacji i wzrostu zużycia energii operacyjnej. Dlatego pilne jest opracowanie membrany do separacji oleju i wody o wysokiej wydajności separacji i dużej stabilności działania, aby można było osiągnąć głębokie oczyszczanie i wykorzystanie zasobów zaolejonych ścieków.
W odpowiedzi na problem zanieczyszczania membran, z którym często borykają się membrany do separacji oleju i wody, zainspirowany efektem samooczyszczania rybich łusek, zespół Li Jiana od 2015 roku przygotowuje serię materiałów separacyjnych, takich jak materiały do separacji poprzez filtrację i materiały do separacji adsorpcyjnej, skupiając się na koncepcji projektowej superhydrofilowości/superoleofobowości podwodnej.
Wśród nich opracowane przez nich materiały do separacji filtracyjnej mogą skutecznie oddzielać emulsje olejowo-wodne. Jednakże jedyną wadą jest to, że gdy tego typu materiał stosuje się do obróbki emulsji olejowo-wodnych, gdy poprawia się skuteczność oddzielania, strumień będzie zmniejszony.
W szczególności, tworząc powierzchnię hydrofilową, woda może przejść przez strukturę porów membrany i utworzyć na jej powierzchni warstwę hydratacyjną, zapobiegając w ten sposób kontaktowi kropelek oleju z membraną separacyjną.
Membrana o strukturze warstwowej złożona z materiałów dwuwymiarowych ma ultracienką grubość membrany i nanopory, a jej nanokanały charakteryzują się zarówno wysoką przepuszczalnością, jak i wysoką selektywnością.
Jednakże wraz ze wzrostem strumienia przenikania na powierzchni membrany pojawi się większa normalna prędkość przepływu, co będzie prowadzić do zmniejszenia odstępu międzywarstwowego membrany o dwuwymiarowej strukturze warstwowej, a tym samym do zmniejszenia strumienia przenikania.
Jednocześnie zmniejszenie odstępu międzywarstwowego membrany dwuwymiarowej spowoduje ściśnięcie warstwy hydratacyjnej pomiędzy warstwami, co spowoduje zmniejszenie działania przeciwporostowego. Dlatego też zrównoważenie strumienia przenikania i zdolności przeciwporostowej jest trudnym problemem w badaniach wysokosprawnych membran do separacji oleju i wody.
Aby rozwiązać ten problem, zespół badawczy wykorzystał nanocząstki metaloorganicznego szkieletu (MOF, UiO-66-NH2) i dwuwymiarowe nanocząstki MXene, stosując strategię samoorganizacji interfejsu, aby skonstruować funkcjonalną membranę o wysokiej przepuszczalności.
Ta funkcjonalna membrana o wysokiej przepuszczalności może być skonstruowana poprzez strategię samoorganizacji interfejsu. Szczegółowo, warstwa interkalacyjna utworzona przez nanocząsteczki metaloorganicznego szkieletu może zwiększać odstępy międzywarstwowe między dwuwymiarowymi nanoarkuszami MXene, poprawiając w ten sposób strumień przenikania.
Jednocześnie nanocząstki metaloorganicznego szkieletu mogą wspierać nanoarkusze MXene i zapobiegać wytłaczaniu warstwy membrany spowodowanej dużą normalną prędkością przepływu na powierzchni membrany.
Co więcej, nanocząstki metaloorganicznego szkieletu mają również doskonałe właściwości absorpcji wody i zatrzymywania wody, co może sprawić, że powierzchnia membrany separacyjnej i warstwa hydratacyjna warstwy interkalacyjnej będą bardziej stabilne, dzięki czemu membrana separacyjna olej-woda będzie miała doskonałą podwodną superoleofobowość i właściwości przeciwporostowe.
Ponadto wiązania wodorowe utworzone pomiędzy glikolem polietylenowym (PEG) i MXene oraz metaloorganicznymi strukturami szkieletowymi pomagają w dalszym zwiększaniu stabilności struktury interkalacyjnej i dalszej poprawie hydrofilowości membrany funkcjonalnej.
Ogólnie rzecz biorąc, dzięki unikalnej strukturze interkalacyjnej dwuwymiarowego materiału membrany MXene oraz hydrofilowości i zatrzymywaniu wody w metalowo-organicznych cząstkach szkieletowych, ta membrana do separacji oleju i wody wykazuje następujące zalety:
Po pierwsze, powierzchnia i warstwa hydratacyjna stabilna interkalująco zapewniają doskonałą zdolność przeciwporostową; po drugie, stabilne odstępy między warstwami zapewniają ciągłą i stabilną zdolność separacji przy dużym strumieniu. Po trzecie, ma również doskonałą trwałość chemiczną.
Dzięki tym możliwościom może nie tylko rozwiązać problem wzajemnych ograniczeń między strumieniem przenikania a zdolnością przeciwporostową dwuwymiarowych membran o strukturze warstwowej, ale także dostarczyć nowych pomysłów na rozwój wysokowydajnych materiałów membranowych do separacji oleju i wody, i w pewnym stopniu rozwiązują problem zanieczyszczenia membran, przed którym stoją obecne superhydrofilowe/podwodne superoleofobowe materiały membranowe.
Wreszcie powiązany artykuł opublikowano w Journal of Materials Chemistry A pod tytułem „Odwrócona kompozytowa membrana nanowłóknista ZIF-8/PAN typu odwrotnego typu pustynnego do wysoce wydajnego oddzielania emulsji olej w wodzie”, z udziałem Li Haoyu jako pierwszy autor i Li Jian jako autor korespondencyjny.
Artykuł został opublikowany w Journal of Membrane Science pod tytułem „Membrana PEG/MXene@MOF o wysokiej przepuszczalności ze stabilnymi odstępami między warstwami i skuteczną odpornością na osadzanie się do ciągłego oczyszczania ścieków zaolejonych”, której pierwszym autorem jest Xiang Bin i współautorem Li Jian autor.
