Üks BBC dokumentaalfilm tutvustas kunagi sellist maagilist looma, kes "saab vett kõrbest". Namiibia kõrbes elab mardikas. Nende seljad koosnevad hüdrofiilsetest kühmudest ja ülihüdrofoobsetest substraatidest, mis võimaldab mardikatel õhust niiskust kinni püüda.
Igal hommikul täitub Namiibia kõrbes õhk uduga. Sel ajal püüavad mardika ümber oleva niiskuse kinni selle kehal olevad hüdrofiilsed mügarikud.
Seejärel kondenseerub niiskus järk-järgult mardika kõvale kestale veepiiskadeks. Seejärel voolavad veepiisad gravitatsiooni mõjul tema suhu mööda mardika ülihüdrofoobset seljaosa. Nii sai mardikas ülimalt veevaeses kõrbes imelisel moel joogivett.
Northwest Normal University professori Li Jiani meeskond on pikka aega järginud uurimiskontseptsiooni "loodusest õppimine". Õli-vee eraldamine on üks tema uurimissuundi. Ta kujutas kunagi ette: kui kõrbemardika ainulaadne struktuur kombineerida veealuse superoleofoobse membraaniga, kas õlitilku saab püüda ja kasutada õli-vee eraldamise valdkonnas?
Tema idee sai lõpuks teoks. Mitte kaua aega tagasi, inspireerituna kõrbemardika "veekogust udus", töötas ta koos meeskonnaga välja kõrbemardikalaadse õli-vee eraldusmembraani, millel on "vees õli kogumise funktsioon".
Membraan koosneb kõrgendatud hüdrofoobsetest ZIF-8 oleofiilsetest osakestest ja põhjakihi polüakrüülnitriilist (PAN) veealusest superoleofoobsest materjalist.
Vesi-õlis emulsioonide eraldamisel võivad esilekerkinud hüdrofoobsed/oleofiilsed osakesed (ZIF-8) saavutada "õli kogunemise vees" ja demulgeerumise, samas kui alumine veealune superoleofoobne membraan (PAN) mängib sõeluvat rolli. emulsioon. Nende kahe sünergilise mõju tõttu katkeb traditsioonilise veealuse superoleofoobse membraani eraldusefektiivsuse ja voo vaheline kompromiss ning õli-vee emulsiooni eraldusefektiivsus paraneb, samal ajal kui eraldusvoog paraneb, ja edukalt saavutatakse erinevate vesi-õlis emulsioonide ja isegi vesi-toorõlis emulsioonide tõhus ja suure läbilaskevõimega eraldamine.
Selle põhjal avastas uurimisrühm õli-vee eraldusmembraani "püüdmise-agregatsiooni-eraldamise" täiustatud eraldusmehhanismi.
Eeldatakse, et sellel saavutusel on teatud rakendusväljavaated õlise reovee süvapuhastamisel ja ressursside kasutamisel.
Näiteks saab seda kasutada naftakeemiatööstuses, metallurgiatööstuses, tekstiilitööstuses, toiduainetööstuses, linna kanalisatsiooni, toornafta lekete, laevatranspordi ning nafta ja gaasi ammutamises tekkiva õlise reovee puhastamiseks ning eeldatavasti saavutab see tõhusa eraldamise ja puhastamine.
Arusaadavalt on avamere toornafta leketest ja õlise tööstusliku reovee väljajuhtimisest põhjustatud puhta veevarude nappus ülemaailmne probleem, mis seab ohtu ökoloogilise keskkonna turvalisuse ja piirab inimühiskonna jätkusuutlikku arengut.
Õlise reovee süvapuhastus ja ressursikasutus omavad suurt tähtsust veeressursipuuduse lahendamisel, ökoloogilise keskkonna kaitsmisel, energiasäästu ja heitmete vähendamise teenimisel ning kahe süsinikuheite eesmärkide saavutamisel.
Membraantehnoloogial kui õlise reovee eraldamise ja puhastamise strateegial on märkimisväärsed eelised kõrge efektiivsuse ja madala energiatarbimisega ning seda peetakse üheks tõhusamaks tehnoloogiaks õlise reovee puhastamisel. Pooride suuruse sõelumise ja pinna märguvuse reguleerimise abil saab selle tehnoloogiaga saavutada õli-vee segude selektiivse eraldamise.
Pindaktiivsete ainete adsorptsioonist või õlipiiskade pooride ummistumisest põhjustatud membraanireostuse probleem on aga endiselt üks suurimaid väljakutseid õlise reovee puhastamisel.
Pinna õli saastumine toob kaasa õli-vee eraldusmembraani voolu vähenemise, eraldamise efektiivsuse vähenemise ja tööenergia tarbimise suurenemise. Seetõttu on kiiresti vaja välja töötada õli-vee eraldusmembraan, millel on kõrge eraldusefektiivsus ja tugev tööstabiilsus, et oleks võimalik saavutada õlise reovee sügavpuhastus ja ressursside kasutamine.
Vastuseks membraani saastumise probleemile, millega õli-vee eraldusmembraanid tavaliselt silmitsi seisavad ja mis on inspireeritud kalasoomuste isepuhastuvast toimest, on Li Jiani meeskond alates 2015. aastast valmistanud ette mitmeid eraldusmaterjale, nagu filtreerimiseraldusmaterjalid ja adsorptsioonieraldusmaterjalid, keskendudes superhüdrofiilsuse/veealuse superoleofoobsuse disainikontseptsioonile.
Nende hulgas on nende väljatöötatud filtreerimiseraldusmaterjalidega võimalik saavutada õli-vee emulsioonide edukas eraldamine. Ainsaks puuduseks on aga see, et kui seda tüüpi materjale kasutatakse õli-vee emulsioonide töötlemiseks, siis eraldusvõime paranemisel väheneb vooluhulk.
Täpsemalt, hüdrofiilse pinna konstrueerimisel võib vesi läbida membraani pooride struktuuri ja moodustada pinnale hüdratatsioonikihi, vältides seeläbi kontakti õlipiiskade ja eraldusmembraani vahel.
Kahemõõtmelistest materjalidest kokkupandud kihilise struktuuriga membraanil on üliõhuke membraani paksus ja nanopoorid ning selle nanokanalitel on nii kõrge läbilaskvus kui ka kõrge selektiivsus.
Kuid läbitungimisvoo suurenemisega ilmub membraani pinnale suurem normaalne voolukiirus, mis viib kahemõõtmelise kihilise struktuuri membraani kihtidevahelise vahe vähenemiseni, vähendades seeläbi läbitungimisvoogu.
Samal ajal põhjustab kahemõõtmelise membraani kihtidevahelise vahe vähenemine kihtidevahelise hüdratsioonikihi kokkusurumist, nii et saastumisvastane toime väheneb. Seetõttu on suure jõudlusega õli-vee eraldusmembraanide uurimisel keeruline probleem, kuidas tasakaalustada läbitungimisvoogu ja saastumisvastast võimet.
Selle probleemi lahendamiseks kasutas uurimisrühm suure läbilaskvusega funktsionaalse membraani ehitamiseks orgaanilise metallist karkassi (MOF, UiO-66-NH2) nanoosakesi ja kahemõõtmelisi MXene nanolehti liidese isekoostumisstrateegia kaudu.
Seda suure läbilaskvusega funktsionaalset membraani saab konstrueerida liidese isekoostumisstrateegia kaudu. Üksikasjalikult võib metallist orgaanilise karkassi nanoosakeste loodud interkalatsioonikiht laiendada kahemõõtmeliste MXene nanolehtede vahelist vahekihti, parandades seeläbi läbilaskevoogu.
Samal ajal võivad metallist orgaanilise karkassi nanoosakesed toetada MXene nanolehti ja vältida membraanikihi väljapressimist, mis on põhjustatud membraanipinna suurest normaalsest voolukiirusest.
Lisaks on metallist orgaanilise karkassi nanoosakestel ka suurepärased veeimamis- ja veepeetusomadused, mis võivad muuta eraldusmembraani pinna ja interkalatsioonikihi hüdratsioonikihi stabiilsemaks, nii et õli-vee eraldusmembraanil on suurepärane veealune superoleofoobsus ja saastumisvastased omadused.
Lisaks aitavad polüetüleenglükooli (PEG) ja MXene ning metallist orgaaniliste raamistike vahel moodustunud vesiniksidemed veelgi suurendada interkalatsioonistruktuuri stabiilsust ja veelgi parandada funktsionaalse membraani hüdrofiilsust.
Üldiselt, tänu kahemõõtmelise MXene membraanimaterjali ainulaadsele interkalatsioonistruktuurile ning metallist orgaanilise karkassi osakeste hüdrofiilsusele ja veepidavusele, on sellel õli-vee eraldusmembraanil järgmised eelised:
Esiteks, pind ja interkalatsiooni stabiilne hüdratsioonikiht annavad sellele suurepärase saastumisvastase võime; teiseks, stabiilne vahekihtide vahe annab sellele pideva ja stabiilse suure vooluhulga eraldusvõime. Kolmandaks on sellel ka suurepärane keemiline vastupidavus.
Nende võimaluste abil ei saa see mitte ainult lahendada kahemõõtmelise kihilise struktuuriga membraanide läbilaskvusvoo ja saastumisvastase võime vastastikuste piirangute probleemi, vaid pakkuda ka uusi ideid suure jõudlusega õli-vee eraldusmembraani materjalide väljatöötamiseks, ja teatud määral lahendada membraanireostuse probleem, millega seisavad silmitsi praegused superhüdrofiilsed/veealused superoleofoobsed membraanimaterjalid.
Lõpuks avaldati seotud artikkel ajakirjas Journal of Materials Chemistry A pealkirjaga "Kõrbemardikalaadne ZIF-8/PAN komposiit-nanokiudmembraan õli-vees emulsioonide ülitõhusaks eraldamiseks" koos Li Haoyuga. esimese autorina ja Li Jian vastava autorina.
Artikkel avaldati ajakirjas Journal of Membrane Science pealkirjaga "Kõrge läbilaskvusega PEG/MXene@MOF membraan stabiilse kihtide vahega ja tõhusa saastumiskindlusega pidevaks õlise reovee puhastamiseks", mille esimene autor oli Xiang Bin ja vastav Li Jian. autor.
