Dokument BBC raz predstavil takéto magické zviera, ktoré „dostáva vodu z púšte“. V púšti Namíbie žije chrobák. Ich chrbát je zložený z hydrofilných hrbolčekov a superhydrofóbnych substrátov, čo umožňuje chrobákom zachytávať vlhkosť zo vzduchu.
Každé ráno je vzduch v namíbijskej púšti naplnený hmlou. V tomto čase bude vlhkosť okolo chrobáka zachytená hydrofilnými hrbolčekmi na jeho tele.
Potom bude vlhkosť postupne kondenzovať na kvapôčky vody na tvrdej škrupine chrobáka. Potom pôsobením gravitácie kvapôčky vody prúdia do jeho úst pozdĺž superhydrofóbneho chrbta chrobáka. Chrobák tak v extrémne vzácnej púšti získaval pitnú vodu tak úžasným spôsobom.
Tím profesora Li Jian z Northwest Normal University sa dlhodobo drží výskumného konceptu „učenia sa od prírody“. Separácia oleja a vody je jedným z jeho výskumných smerov. Raz si predstavil: Ak sa jedinečná štruktúra púštneho chrobáka skombinuje s podvodnou superoleofóbnou membránou, dajú sa kvapky oleja zachytiť a použiť v oblasti separácie oleja a vody?
Jeho nápad sa napokon stal skutočnosťou. Nie je to tak dávno, inšpirovaný púštnym chrobákom „zbieraním vody v hmle“, on a jeho tím vyvinuli membránu na separáciu oleja a vody podobnú púštnemu chrobákovi, ktorá má „funkciu zberu oleja vo vode“.
Membrána sa skladá zo zvýšených hydrofóbnych ZIF{0}} oleofilných častíc a spodného polyakrylonitrilu (PAN) podvodného superoleofóbneho materiálu.
Pri oddeľovaní emulzií typu voda v oleji môžu zvýšené hydrofóbne/oleofilné častice (ZIF-8) dosiahnuť „zachytenie oleja vo vode“ a deemulgáciu, zatiaľ čo spodná vrstva podvodnej superoleofóbnej membrány (PAN) hrá skríningovú úlohu na emulzia. Pri synergickom účinku týchto dvoch sa preruší „kompenzačný“ efekt medzi separačnou účinnosťou a tokom tradičnej podvodnej superoleofóbnej membrány a zlepší sa separačná účinnosť emulzie olej-voda, pričom sa zlepší separačný tok a úspešne sa dosahuje efektívna a vysokovýkonná separácia rôznych emulzií typu voda v oleji a dokonca aj emulzií typu voda v surovom oleji.
Na tomto základe výskumný tím odhalil vylepšený separačný mechanizmus „zachytenie-agregácia-separácia“ separačnej membrány olej-voda.
Očakáva sa, že tento úspech bude mať určité vyhliadky na uplatnenie pri hĺbkovom čistení a využívaní zdrojov zaolejovaných odpadových vôd.
Napríklad sa môže použiť na čistenie olejových odpadových vôd vznikajúcich v petrochemickom priemysle, hutníckom priemysle, textilnom priemysle, potravinárskom priemysle, mestských odpadových vodách, ropných škvrnách, lodnej doprave a ťažbe ropy a plynu a očakáva sa, že dosiahne efektívnu separáciu a čistenie.
Je zrejmé, že nedostatok zdrojov čistej vody spôsobený únikmi ropy na mori a vypúšťaním priemyselných ropných odpadových vôd je globálnym problémom, ktorý ohrozuje bezpečnosť ekologického prostredia a obmedzuje trvalo udržateľný rozvoj ľudskej spoločnosti.
Hĺbkové čistenie a využívanie zdrojov zaolejovaných odpadových vôd majú veľký význam pre riešenie nedostatku vodných zdrojov, ochranu ekologického prostredia, šetrenie energiou a znižovanie emisií a dosahovanie cieľov „dvojakého uhlíka“.
Membránová technológia ako stratégia separácie a čistenia zaolejovaných odpadových vôd má významné výhody vysokej účinnosti a nízkej spotreby energie a je považovaná za jednu z najefektívnejších technológií na čistenie zaolejovaných odpadových vôd. Prostredníctvom skríningu veľkosti pórov a regulácie povrchovej zmáčavosti môže táto technológia dosiahnuť selektívnu separáciu zmesí oleja a vody.
Problém znečistenia membrány spôsobený adsorpciou povrchovo aktívnej látky alebo upchávaním pórov kvapôčkami oleja je však stále jednou z najväčších výziev, ktorým čelíme pri čistení zaolejovaných odpadových vôd.
Povrchová kontaminácia olejom povedie k zníženiu prietoku separačnej membrány olej-voda, zníženiu účinnosti separácie a zvýšeniu prevádzkovej spotreby energie. Preto je naliehavé vyvinúť membránu na separáciu oleja a vody s vysokou separačnou účinnosťou a silnou prevádzkovou stabilitou, aby bolo možné dosiahnuť hlboké čistenie a využitie zdrojov olejovej odpadovej vody.
V reakcii na problém zanášania membrány, ktorému bežne čelia membrány na separáciu oleja a vody, inšpirovaný samočistiacim efektom rybích šupín, tím Li Jian od roku 2015 pripravuje sériu separačných materiálov, ako sú filtračné separačné materiály a adsorpčné separačné materiály, so zameraním na dizajnový koncept superhydrofilnosti/podvodnej superoleofóbnosti.
Medzi nimi môžu filtračné separačné materiály, ktoré vyvinuli, dosiahnuť úspešnú separáciu emulzií olej-voda. Avšak jedinou nevýhodou je, že keď sa tento typ materiálu použije na úpravu emulzií olej-voda, keď sa zlepší separačná účinnosť, zníži sa tok.
Konkrétne, vytvorením hydrofilného povrchu môže voda prechádzať cez štruktúru pórov membrány a vytvárať hydratačnú vrstvu na povrchu, čím sa bráni kontaktu medzi kvapôčkami oleja a separačnou membránou.
Membrána s vrstvenou štruktúrou zostavená z dvojrozmerných materiálov má ultratenkú hrúbku membrány a nanopóry a jej nanokanály majú vysokú priepustnosť a vysokú selektivitu.
Avšak so zvýšením permeačného toku sa na povrchu membrány objaví vyššia normálna rýchlosť toku, čo povedie k zmenšeniu medzivrstvového rozostupu membrány s dvojrozmernou vrstvenou štruktúrou, čím sa zníži permeačný tok.
Súčasne zmenšenie vzdialenosti medzi vrstvami dvojrozmernej membrány spôsobí stlačenie hydratačnej vrstvy medzi vrstvami, takže sa zníži účinnosť proti zanášaniu. Preto, ako vyvážiť permeačný tok a antivegetatívnu schopnosť, je zložitý problém pri výskume vysokovýkonných separačných membrán oleja a vody.
Na vyriešenie tohto problému výskumný tím použil nanočastice kovového organického rámca (MOF, UiO{0}}NH2) a dvojrozmerné nanovrstvy MXene prostredníctvom stratégie samoskladania rozhrania na vytvorenie funkčnej membrány s vysokou priepustnosťou.
Táto funkčná membrána s vysokou permeabilitou môže byť skonštruovaná prostredníctvom stratégie samozostavovania rozhrania. Podrobne, interkalačná vrstva vytvorená nanočasticami kovovej organickej štruktúry môže rozšíriť medzivrstvový priestor medzi dvojrozmernými nanovrstvami MXene, čím sa zlepší permeačný tok.
Zároveň môžu nanočastice kovovej organickej konštrukcie podporovať nanovrstvy MXene a vyhnúť sa extrúzii membránovej vrstvy spôsobenej vysokou normálnou rýchlosťou prúdenia na povrchu membrány.
Okrem toho nanočastice kovovej organickej štruktúry majú tiež vynikajúce vlastnosti absorpcie vody a zadržiavania vody, čo môže urobiť povrch separačnej membrány a hydratačnú vrstvu interkalačnej vrstvy stabilnejšími, takže membrána na separáciu oleja a vody má vynikajúcu superoleofóbnosť pod vodou a vlastnosti proti znečisteniu.
Okrem toho vodíkové väzby vytvorené medzi polyetylénglykolom (PEG) a MXénom a kovovými organickými štruktúrami pomáhajú ďalej zvyšovať stabilitu interkalačnej štruktúry a ďalej zlepšujú hydrofilitu funkčnej membrány.
Vo všeobecnosti, vďaka jedinečnej interkalačnej štruktúre dvojrozmerného materiálu membrány MXene a hydrofilnosti a zadržiavaniu vody častíc kovovej organickej konštrukcie, táto membrána na separáciu oleja a vody vykazuje nasledujúce výhody:
Po prvé, povrchová a interkalačná stabilná hydratačná vrstva jej dáva vynikajúcu schopnosť proti znečisteniu; po druhé, stabilná vzdialenosť medzi vrstvami mu dáva kontinuálnu a stabilnú schopnosť separácie vysokým tokom. Po tretie, má tiež vynikajúcu chemickú odolnosť.
S týmito schopnosťami môže nielen vyriešiť problém vzájomných obmedzení medzi permeačným tokom a schopnosťou proti znečisteniu membrán s dvojrozmernou vrstvenou štruktúrou, ale tiež poskytnúť nové nápady pre vývoj vysokovýkonných membránových materiálov na separáciu oleja a vody, a do určitej miery vyriešiť problém znečistenia membrány, ktorému čelia súčasné superhydrofilné/podvodné superoleofóbne membránové materiály.
Napokon, súvisiaci článok bol publikovaný v Journal of Materials Chemistry A s názvom „Inverzný púštny chrobák podobný ZIF{1}}/PAN kompozitná nanovlákenná membrána na vysoko účinnú separáciu emulzií typu olej vo vode“ s Li Haoyu ako prvý autor a Li Jian ako zodpovedajúci autor.
Článok bol publikovaný v Journal of Membrane Science s názvom „Membrána PEG/MXene@MOF s vysokou priepustnosťou so stabilným medzivrstvovým rozostupom a účinnou odolnosťou voči znečisteniu pre nepretržité čistenie odpadových vôd s olejom“, pričom Xiang Bin ako prvý autor a Li Jian ako zodpovedajúci autora.
