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哈尔滨工业大学尤世界团队Nature Communications：受深海海绵捕食策略启发的涡流锚固过滤器

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-10 19:59

正文

▲第一作者：于源

通讯作者：尤世界

通讯单位：哈尔滨工业大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-55587-y （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

近日，城市水资源与水环境国家重点实验室尤世界教授团队研发出一种仿生涡流锚固过滤技术，能够在湍流环境中实现稳定的原位溢油回收。相关研究成果以《一种受深海玻璃海绵启发的湍流环境溢油回收过滤器》（A filter inspired by deep-sea glass sponges for oil cleanup under turbulent flow）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。突破了复杂流场中多相态油（包括水面连续相和水下乳化相）的原位回收难题。

背景介绍

石油泄漏会污染数千倍于泄漏本体的自然水体，造成广泛且持久的社会、经济、环境和生态危害。自 1979 年 Atlantic Empress 事故以来，拦截和吸附一直是溢油回收的主要策略。然而，拦截设备易受湍流干扰导致结构失稳、传质劣化和回收失效。这一问题在水下环境中尤为突出。如何在复杂流场中实现原位溢油回收，仍是全球面临的重大技术难题。

图文解析

针对上述问题，团队借鉴玻璃海绵 E. aspergillum 在恶劣海底环境中的滤食机制，创新设计了一款涡流锚固过滤（ VAF ）设备。 VAF 具有镂空结构，内附鞭毛状吸附材料。当水流通过时， VAF 能够以均匀的小尺寸涡流拦截外部湍流动能，从而在尾迹区域形成准静态流场。这一独特流型赋予 VAF 卓越的流体力学稳定性、高效的界面传质能力和出色的停留时间，使其能够在亚临界至超临界流态范围内稳定捕获水面浮油、水下油和乳化油，捕获率高达 97% 。该技术突破了复杂流场中水下乳化油的原位回收难题，为原位环境修复和资源回收领域的进一步发展开辟了新路径。

图 1 仿生涡流锚固过滤设备示意图、动态油回收效果展示、涡流锚固工作原理及应用展望

总结与展望

1 ） VAF 能够将外部湍流转换为内部小尺度低速涡流，实现了界面传质效率与设备流体力学稳定性的同步强化。因此， VAF 可在亚临界、临界和超临界条件下稳定捕获浮油、乳化油及溶解油。

2 ）这项跨学科研究融合了环境工程、流体力学、生物物理和仿生学的前沿理念，不仅揭示了水动力学在溢油捕获中的关键作用，更标志着基于生物物理原理的溢油清理策略突破。

3 ）该研究的意义远不止于溢油治理。其仿生设计理念可进一步拓展至集成光热、电热及电化学模块的先进环境修复系统，使其在更广泛的应用场景下具备更高的适用性、经济性和可持续性，为环境治理与资源回收提供新思路。

该项研究工作得到了国家自然科学基金、哈工大青年科学家工作室等项目支持。本文研究成果被全球顶尖媒体英国物理学会 Physics World 专题报道。

链接：

https://physicsworld.com/a/filter-inspired-by-deep-sea-sponge-cleans-up-oil-spills/

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