技術(shù)文章
Technical articles膜過(guò)濾和分離已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、水和環(huán)境相關(guān)的領(lǐng)域。在水凈化和廢水過(guò)濾過(guò)程中,濾膜的孔隙結(jié)構(gòu)僅允許凈化水通過(guò),而固體微顆粒(如微塑料)、油滴及其他污染物被膜阻擋,由此帶來(lái)的膜污染和堵塞一直是有效水過(guò)濾的主要瓶頸。為此,來(lái)自哈利法大學(xué)的李紅霞博士及其所在的張鐵軍教授團(tuán)隊(duì),提出了一種仿生抗堵塞濾膜,創(chuàng)造性的利用微立體光刻技術(shù)直接將魚類的鰓耙結(jié)構(gòu)打印在濾膜表面以達(dá)到抗(耐)堵塞的目的。
海洋中多數(shù)魚類是采用過(guò)濾機(jī)制來(lái)進(jìn)食的:其將水和浮游生物等食物顆粒吞入口中,在水通過(guò)密集排列的鰓耙結(jié)構(gòu)時(shí),食物顆粒會(huì)被篩選留在口腔中。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水流通過(guò)鰓耙結(jié)構(gòu)排出體外時(shí)會(huì)形成漩渦,即使體積非常小的食物顆粒也會(huì)因此從鰓耙頂部彈出并返回口腔(如圖1所示)。類似的,若將食物顆粒想象成為污水中的污染物顆粒,利用相同的彈回機(jī)制,就會(huì)大大減少污染物與濾膜表面接觸的機(jī)會(huì),從而有效減少膜污染和堵塞。
為了將鰓耙結(jié)構(gòu)集成到濾膜表面,該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種直接在濾膜表面打印復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在該工作中,他們利用面投影微立體光刻3D打印系統(tǒng)(nanoArch S130,摩方精密),制造了一種“魚鰓”濾膜并進(jìn)一步集成在微流控器件(圖2)中來(lái)快速測(cè)試抗堵塞過(guò)濾效果。直接膜上3D打印技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于這種一體化的器件在打印結(jié)構(gòu)-膜界面處具有自密封屬性,無(wú)需額外組裝。此外,不僅濾膜,其他多孔材料如金屬微網(wǎng)等也可以很容易地嵌入到 3D打印的器件中。
圖1. 擬海洋魚類捕食過(guò)濾機(jī)制的仿生抗堵塞濾膜
圖 2 直接膜上3D打印技術(shù)制作的“鰓耙”濾膜微流控器件
為測(cè)試“鰓耙”濾膜的抗堵塞性能,我們選擇了兩個(gè)*挑戰(zhàn)性的廢水處理問(wèn)題:表面活性劑穩(wěn)定的乳液和塑料微顆粒。它們的形態(tài)和顆粒/液滴尺寸分布如圖 3 所示。為了比較,我們還選取了沒(méi)有任何表面結(jié)構(gòu)的普通商用濾膜作為參考。如預(yù)期,當(dāng)過(guò)濾塑料微粒時(shí),普通濾膜的滲透通量在 10 分鐘運(yùn)行內(nèi)急劇下降至其初始通量的 40%,而“鰓耙”濾膜可以保持高達(dá)80%的初始通量。此外,隨著主流速度的增加,高滲透通量的持久性也明顯被延長(zhǎng)。
研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn):“鰓耙“濾膜的非凡防污/防堵性能源于過(guò)濾過(guò)程中污垢液滴/顆粒的*流動(dòng)行為。在研究中,濾膜微流控器件同時(shí)憑借其流動(dòng)可視化揭示了抗堵塞的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制。圖 4 顯示了油滴和塑料微粒在光學(xué)顯微鏡下通過(guò)鰓形結(jié)構(gòu)上方時(shí)的流動(dòng)軌跡。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴接近一個(gè)鰓結(jié)構(gòu)單元時(shí),它被滲透流夾帶到間隙( t = 0.02 到 0.08 s,藍(lán)色圓圈標(biāo)記)。然而,由于渦流(紅色圓圈標(biāo)記,t = 0.10 s),液滴從間隙彈回并返回主流(t = 0.10 到 0.12 s)。這樣,即使液滴尺寸遠(yuǎn)小于兩個(gè)鰓耙間縫隙,它也不會(huì)接觸到濾膜表面造成濾膜污染或堵塞。
目前,該團(tuán)隊(duì)獨(dú).創(chuàng)的濾膜基底3D打印技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)際專利。四川大學(xué)的袁紹軍教授、麻省理工學(xué)院Nicholas X. Fang教授對(duì)此工作改進(jìn)完善也有貢獻(xiàn)。
圖3 在過(guò)濾油水混合物和塑料微顆粒時(shí)“鰓耙“濾膜的抗堵塞性能
圖4 通過(guò)流動(dòng)可視化揭示的“鰓耙“濾膜抗堵塞的流體動(dòng)力機(jī)制