Heimildarmynd BBC kynnti einu sinni svo töfrandi dýr sem „fá vatn úr eyðimörkinni“. Það er bjalla sem býr í eyðimörkinni í Namibíu. Bakið þeirra er samsett úr vatnssæknum höggum og ofurvatnsfælinum hvarfefnum, sem gerir bjöllunni kleift að fanga raka úr loftinu.
Á hverjum morgni fyllist loftið í Namibíu eyðimörkinni af þoku. Á þessum tíma mun rakinn í kringum bjölluna vera fangaður af vatnssæknum höggum á líkama hennar.
Þá mun rakinn smám saman þéttast í vatnsdropa á harðri skel bjöllunnar. Síðan, undir áhrifum þyngdaraflsins, streyma vatnsdroparnir inn í munninn meðfram ofurvatnsfælinum baki bjöllunnar. Þannig fékk bjallan drykkjarvatn í afar vatnssnauðri eyðimörkinni á svo frábæran hátt.
Í langan tíma hefur teymi prófessors Li Jian frá Northwest Normal University haldið sig við rannsóknarhugtakið „að læra af náttúrunni“. Aðskilnaður olíu og vatns er ein af rannsóknum hans. Hann ímyndaði sér einu sinni: Ef einstök uppbygging eyðimerkurbjöllunnar er sameinuð neðansjávar ofur-oleophobic himnu, er hægt að fanga olíudropa og nota á sviði olíu-vatns aðskilnaðar?
Hugmynd hans varð loksins að veruleika. Ekki alls fyrir löngu, innblásin af „vatnssöfnun eyðimerkurbjöllunnar í þokunni“, þróaði hann og teymi hans olíu- og vatnsskiljunarhimnu sem líkist eyðimerkurbjöllu, sem hefur „olíusöfnunarvirkni í vatni“.
Himnan er samsett úr upphleyptum vatnsfælinum ZIF-8 olíufælnum ögnum og botnlags pólýakrýlonítríl (PAN) neðansjávar ofurfælnu efni.
Þegar vatns-í-olíu fleyti eru aðskilin geta upphækkuðu vatnsfælnu/fleytu agnirnar (ZIF-8) náð "olíusöfnun í vatni" og afmúlsöfnun, en botnlagið neðansjávar ofurfælufæln himna (PAN) gegnir skimunarhlutverki á fleyti. Undir samlegðaráhrifum þeirra tveggja eru „viðskipti“ áhrifin milli skilvirkni og flæðis hefðbundinnar ofurfælnihimnu neðansjávar rofin, og skilvirkni olíu-vatns fleytisins er bætt á meðan aðskilnaðarflæðið er bætt, og árangursríkur og afkastamikill aðskilnaður ýmissa vatns-í-olíu fleyti og jafnvel vatns-í-hráolíu fleyti hefur náðst með góðum árangri.
Á þessum grundvelli leiddi rannsóknarhópurinn í ljós aukinn aðskilnaðarbúnað „fanga-samloðunar-aðskilnaðar“ olíu-vatns aðskilnaðarhimnunnar.
Gert er ráð fyrir að þessi árangur hafi ákveðnar beitingarhorfur í djúphreinsun og auðlindanýtingu olíukennds afrennslisvatns.
Til dæmis er hægt að nota það til að meðhöndla olíukennt afrennsli sem myndast af jarðolíuiðnaði, málmvinnsluiðnaði, textíliðnaði, matvælaiðnaði, skólpi í þéttbýli, hráolíuleki, skipaflutningum og olíu- og gasvinnslu, og er gert ráð fyrir skilvirkum aðskilnaði og hreinsun.
Það er litið svo á að skortur á hreinum vatnsauðlindum af völdum hráolíuleka á hafi úti og olíukenndu frárennslisvatni frá iðnaðar er alþjóðlegt vandamál sem stofnar öryggi vistfræðilegs umhverfis í hættu og takmarkar sjálfbæra þróun mannlegs samfélags.
Djúphreinsun og auðlindanýting olíukennds afrennslisvatns hefur mikla þýðingu til að leysa vatnsauðlindaskort, vernda vistfræðilegt umhverfi, þjóna orkusparnaði og losunarskerðingu og til að ná „tví kolefnis“ markmiðunum.
Himnutækni, sem stefna til að aðskilja og hreinsa olíukennd afrennsli, hefur umtalsverða kosti vegna mikillar skilvirkni og lítillar orkunotkunar og er talin vera ein áhrifaríkasta tæknin til að meðhöndla feita skólp. Með svitaholastærðarskimun og reglugerð um yfirborðsvætleika getur þessi tækni náð sértækum aðskilnaði olíu-vatnsblandna.
Hins vegar er himnumengunarvandamálið af völdum aðsogs yfirborðsvirkra efna eða stífla olíudropa í svitahola enn ein stærsta áskorunin sem stendur frammi fyrir í meðhöndlun á feita afrennsli.
Yfirborðsolíumengun mun leiða til minnkunar á flæði olíu-vatns aðskilnaðarhimnunnar, lækkunar á skilvirkni skilvirkni og aukningar á rekstrarorkunotkun. Þess vegna er brýnt að þróa olíu-vatns aðskilnaðarhimnu með mikilli skilvirkni og sterkum rekstrarstöðugleika, þannig að hægt sé að ná djúpri meðhöndlun og auðlindanýtingu olíukennds afrennslisvatns.
Til að bregðast við himnufótrunarvandamálinu sem almennt stendur frammi fyrir aðskilnaðarhimnur fyrir olíu og vatn, innblásin af sjálfhreinsandi áhrifum fiskhreisturs, hefur teymi Li Jian verið að undirbúa röð aðskilnaðarefna eins og síunaraðskilnaðarefni og aðsogsaðskilnaðarefni síðan 2015, með áherslu á hönnunarhugmyndina um ofurvatnssækni/ofurfælni neðansjávar.
Meðal þeirra geta síunaraðskilnaðarefnin sem þeir þróuðu náð árangursríkum aðskilnaði olíu-vatns fleyti. Hins vegar er eini gallinn sá að þegar þessi tegund af efni er notuð til að meðhöndla olíu-vatns fleyti, þegar skilvirkni er bætt, mun flæðið minnka.
Nánar tiltekið, með því að smíða vatnssækið yfirborð, getur vatn farið í gegnum svitaholabyggingu himnunnar og myndað vökvalag á yfirborðinu og þannig komið í veg fyrir snertingu milli olíudropa og aðskilnaðarhimnunnar.
Lagskipt uppbyggingarhimnan sem sett er saman af tvívíðum efnum hefur ofurþunna himnuþykkt og nanópórur og nanórásir hennar hafa bæði mikla gegndræpi og mikla sértækni.
Hins vegar, með aukningu á gegndræpi, mun meiri eðlilegur flæðishraði birtast á himnuyfirborðinu, sem mun leiða til minnkunar á millilagabili tvívíða lagskiptu byggingarhimnunnar og dregur þar með úr gegndræpi.
Á sama tíma mun minnkun á millilagsbili tvívíddar himnunnar valda því að vökvalagið á milli laganna er þjappað saman, þannig að gróðurvarnarvirkni minnkar. Þess vegna er erfitt vandamál í rannsóknum á afkastamiklum olíu-vatnsskiljunarhimnum hvernig á að koma jafnvægi á gegndræpiflæði og gróðureyðandi getu.
Til að leysa þetta vandamál notaði rannsóknarteymið lífræna ramma úr málmi (MOF, UiO-66-NH2) nanóagnir og tvívíð MXene nanóblöð í gegnum sjálfsamsetningarstefnu viðmótsins til að smíða virka himna með mikilli gegndræpi.
Þessa hagnýtu himnu með mikla gegndræpi er hægt að smíða með sjálfsamsetningarstefnu viðmótsins. Í smáatriðum getur innfellingarlagið sem búið er til af lífrænum ramma nanóögnum úr málmi stækkað bilið milli tvívíddar MXene nanóblaða og þar með bætt gegnflæðið.
Á sama tíma geta lífrænar nanóagnir úr málmi stutt MXene nanóblöð og forðast útpressun himnulagsins sem stafar af miklum eðlilegum flæðihraða á yfirborði himnunnar.
Þar að auki hafa lífrænar nanóagnir úr málmi einnig framúrskarandi vatnsgleypni og vökvasöfnunareiginleika, sem geta gert aðskilnaðarhimnuyfirborðið og vökvunarlagið á millilaginu stöðugra, þannig að olíu-vatns aðskilnaðarhimnan hefur framúrskarandi neðansjávar ofurfælni og gróðureyðandi eiginleika.
Að auki hjálpa vetnistengin sem myndast á milli pólýetýlen glýkóls (PEG) og MXen og lífrænna ramma úr málmi til að auka enn frekar stöðugleika innskotsbyggingarinnar og bæta enn frekar vatnssækni virku himnunnar.
Almennt séð, þökk sé einstakri millibyggingu tvívíða MXene himnuefnisins og vatnssækni og vökvasöfnun lífrænna ramma úr málmi, sýnir þessi olíu-vatns aðskilnaðarhimna eftirfarandi kosti:
Í fyrsta lagi gefa yfirborðs- og innfellingarstöðugt vökvunarlagið það framúrskarandi gróðurvörn; í öðru lagi gefur stöðugt millilagsbil það samfellda og stöðuga háflæðisaðskilnaðargetu. Í þriðja lagi hefur það einnig framúrskarandi efnaþol.
Með þessum hæfileikum getur það ekki aðeins leyst vandamálið með gagnkvæmum takmörkunum milli gegndræpis og gróðurvarnargetu tvívíddar lagskiptrar uppbyggingarhimna, heldur einnig veitt nýjar hugmyndir um þróun hágæða olíu-vatns aðskilnaðarhimnuefna, og leysa að vissu marki himnumengunarvandamálið sem núverandi ofur-vatnssækin/neðansjávar ofur-oleophobic himnuefni standa frammi fyrir.
Að lokum var tengd grein birt í Journal of Materials Chemistry A með titlinum "Inverse desert beetle-like ZIF-8/PAN composite nanofibrous membrane for very efficient separation of oil-in-water fleyti", með Li Haoyu sem fyrsti höfundur og Li Jian sem samsvarandi höfundur.
Greinin var birt í Journal of Membrane Science með titlinum "High permeability PEG/MXene@MOF himna með stöðugu millilagsbili og skilvirku gróðurþoli fyrir stöðuga olíuhreinsun frárennslis", með Xiang Bin sem fyrsta höfund og Li Jian sem samsvarandi höfundur.
