新的膜系统持续高效过滤油污。
撰文 Prachi Patel
翻译 许雅澜
审校 陆妍婷
通过模仿一些鱼类的进食方式，一种新的生物膜轻松实现了分离和收集水上泄漏的石油，且不会产生堵塞。该生物膜的研发者说，这可能成为清洁大型石油泄漏的一种经济高效的途径。
灾难急救员通常采用浮栅盛装和浮油回收船清理浮油的方法来应对大型石油泄漏事故。许多研究人员正在开发可能的更快捷、经济的分离膜。这些膜能够驱水或吸油，有助于分离两种液体。然而，膜的孔隙易被石油堵塞，使膜在使用一段时间后失效。
北京航空航天大学的 Dongliang Tian 与卧龙岗大学的 Ziqi Sun 及其同事受到滤食性鱼类的咽喉部结构的启发，设计了一种新型过滤器。为了过滤出悬浮在水中的微小猎物，这类鱼的喉咙里长有骨弓，越深入喉咙越窄，间隔也越小。水流入喉咙，逐渐从骨弓之间的空隙渗出，再从鳃中流出，而食物颗粒则聚集在后面。
模仿了这一过程，研究人员制作了一个3厘米长的不锈钢膜，它包含五个孔径逐渐减小的网孔区域，从一端的150纳米缩小至另一端的30纳米。他们将相互交织的氧化钴纳米片覆盖在膜表面，形成锁水的微小凹陷，使膜具有吸水性（亲水性）。然后他们将膜倾斜放置以使大孔隙位于底部，又用与顶部相连的控制器推动它，模拟船舶推动倾斜的膜前进的一种形式，即底边先通过水。
当驱动系统推动膜通过油水混合物时，液体沿膜向上流动。水渗过膜并沿其亲水性表面形成一层薄层，防止油堵塞孔隙。拥有最大流量的底部大孔隙使水更快地流过，而顶部浸满水的小孔隙由于疏油而使油很容易流过膜的顶部而进入容器，Tian 解释说。虽然油可能会通过大孔隙的第一个关卡，但该系统对受污染区域进行多次清扫，每次都能收集更多的油。
研究人员在一个100厘米长、10厘米宽的水槽里测试了该系统，水槽里充满了水和油的混合物：分别测试了原油、柴油、玉米油和液压油。该系统能以每米膜长每分钟50升的速度持续集油，且100分钟内将膜推过水槽超2000次。这时系统效率下降不到3%，并且Tian说经过清洗后膜还能恢复效率。
作为对照，该团队在常规设定下进行测试，将油水混合物倒在一张90微米孔径的膜上，在50次使用后膜即堵塞不再有用。
这种新奇的过滤技术可以实现“一步到位、快速、连续、大流量的泄漏石油采集，”来自清华大学的Lin Feng说。她表示这项技术有望用于大规模的石油泄漏，特别是在湖泊和平静的海域上。而波浪可能会成为一项挑战，因为水可能会溢过膜的顶部而直接进入集油容器，降低膜的效率。研究人员建议，调整孔径、船舶速度、膜的长度和坡度等变量可有助于应对波涛起伏的水域。
文章来源:
http://cen.acs.org/articles/95/web/2017/03/Simpler-faster-oil-spill-cleanup-using-fish-inspired-membranes.html
论文信息
【题目】Fish Gill Inspired Crossflow for Efficient andContinuous Collection of Spilled Oil
【作者】 Yuhai Dou, Dongliang Tian, Ziqi Sun, Qiannan Liu, Na Zhang, Jung Ho Kim, Lei Jiang, and Shi Xue Dou
【刊期】ACS Nano, Published on web
【日期】January 23, 2017
【DOI】10.1021/acsnano.6b07918
【摘要】Developing an effective system to clean uplarge-scale oil spills is of great significance due to their contribution tosevere environmental pollution and destruction. Superwetting membranes havebeen widely studied for oil/water separation. The separation, however, adopts agravity-driven approach that is inefficient and discontinuous due to quickfouling of the membrane by oil. Herein, inspired by the crossflow filtrationbehavior in fish gills, we propose a crossflow approach via ahydrophilic, tilted gradient membrane for spilled oil collection. In crossflowcollection, as the oil/water flows parallel to the hydrophilic membrane surface,water is gradually filtered through the pores, while oil is repelled,transported, and finally collected for storage. Owing to the selective gatingbehavior of the water-sealed gradient membrane, the large pores at the bottomwith high water flux favor fast water filtration, while the small pores at thetop with strong oil repellency allow easy oil transportation. In addition, thegradient membrane exhibits excellent antifouling properties due to theprotection of the water layer. Therefore, this bioinspired crossflow approachenables highly efficient and continuous spilled oil collection, which is verypromising for the cleanup of large-scale oil spills.
【链接】http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b07918?source=cen
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