Dokumentarac BBC-ja je jednom predstavio tako magičnu životinju koja "dobi vodu iz pustinje". U pustinji Namibije živi buba. Njihova leđa su sastavljena od hidrofilnih izbočina i superhidrofobnih supstrata, što omogućava bubama da hvata vlagu iz zraka.
Svako jutro, vazduh u namibijskoj pustinji je ispunjen maglom. U ovom trenutku, vlaga oko bube će biti zarobljena hidrofilnim izbočinama na njenom tijelu.
Zatim će se vlaga postepeno kondenzirati u kapljice vode na tvrdoj ljusci bube. Zatim, pod dejstvom gravitacije, kapljice vode teku u njegova usta duž superhidrofobnog leđa bube. Na ovaj način, u pustinji s krajnje malo vode, buba je na tako divan način dobila vodu za piće.
Tim profesora Li Jiana sa Northwest Normal University se dugo vremena pridržavao istraživačkog koncepta „učenja iz prirode“. Separacija ulje-voda jedan je od pravaca njegovih istraživanja. Jednom je zamislio: Ako se jedinstvena struktura pustinjske bube kombinuje s podvodnom super-oleofobnom membranom, mogu li se kapljice ulja uhvatiti i koristiti u polju odvajanja nafte i vode?
Njegova ideja je konačno postala stvarnost. Ne tako davno, inspirisan "sakupljanjem vode u magli" pustinjske bube, on i njegov tim razvili su membranu za odvajanje ulja od vode nalik pustinjskoj bubi, koja ima "funkciju sakupljanja ulja u vodi".
Membrana je sastavljena od uzdignutih hidrofobnih ZIF-8 oleofilnih čestica i donjeg sloja poliakrilonitrila (PAN) podvodnog superoleofobnog materijala.
Prilikom odvajanja emulzija voda-u-ulju, podignute hidrofobne/oleofilne čestice (ZIF-8) mogu postići "sakupljanje ulja u vodi" i demulzifikaciju, dok donji sloj podvodne superoleofobne membrane (PAN) igra ulogu provjere na emulzija. Pod sinergističkim učinkom ova dva, razbija se efekat "kompromisa" između efikasnosti odvajanja i fluksa tradicionalne podvodne superoleofobne membrane, a efikasnost odvajanja emulzije ulje-voda je poboljšana dok je tok odvajanja poboljšan, i uspješno se postiže efikasno i visoko propusno odvajanje različitih emulzija voda u ulju, pa čak i emulzija voda u sirovoj nafti.
Na osnovu toga, istraživački tim je otkrio poboljšani mehanizam odvajanja "hvatanja-agregacije-odvajanja" membrane za odvajanje ulje-voda.
Očekuje se da će ovo dostignuće imati određene izglede za primjenu u dubinskom tretmanu i korišćenju resursa zauljenih otpadnih voda.
Na primjer, može se koristiti za prečišćavanje zauljenih otpadnih voda koje stvaraju petrohemijska industrija, metalurška industrija, tekstilna industrija, prehrambena industrija, gradska kanalizacija, izlijevanje sirove nafte, brodski transport i ekstrakcija nafte i plina, a očekuje se da će postići efikasnu separaciju i pročišćavanje.
Podrazumijeva se da je nedostatak resursa čiste vode uzrokovan izlivanjem sirove nafte na moru i ispuštanjem industrijskih zauljenih otpadnih voda globalni problem koji ugrožava sigurnost ekološke sredine i ograničava održivi razvoj ljudskog društva.
Dubinski tretman i korištenje resursa zauljenih otpadnih voda od velikog su značaja za rješavanje nestašice vodnih resursa, zaštitu ekološkog okoliša, služenje uštedi energije i smanjenju emisija, te postizanje ciljeva „dvougljičnog dioksida“.
Membranska tehnologija, kao strategija za odvajanje i prečišćavanje zauljenih otpadnih voda, ima značajne prednosti visoke efikasnosti i niske potrošnje energije, te se smatra jednom od najefikasnijih tehnologija za tretman zauljenih otpadnih voda. Kroz skrining veličine pora i regulaciju površinske vlažnosti, ova tehnologija može postići selektivno odvajanje mješavine ulja i vode.
Međutim, problem zagađenja membrane uzrokovan adsorpcijom surfaktanta ili začepljenjem pora kapljicama ulja i dalje je jedan od najvećih izazova s kojima se suočavaju u tretmanu zauljenih otpadnih voda.
Površinska kontaminacija uljem će dovesti do smanjenja protoka membrane za odvajanje ulje-voda, smanjenja efikasnosti odvajanja i povećanja radne potrošnje energije. Stoga je hitno potrebno razviti membranu za odvajanje ulja i vode sa visokom efikasnošću odvajanja i jakom radnom stabilnošću, tako da se može postići duboki tretman i korištenje resursa zauljene otpadne vode.
Kao odgovor na problem onečišćenja membrane s kojim se obično suočavaju membrane za odvajanje ulje-voda, inspiriran učinkom samočišćenja riblje ljuske, tim Li Jiana od 2015. priprema niz materijala za odvajanje kao što su materijali za filtraciju i materijali za odvajanje adsorpcije, fokusirajući se na koncept dizajna superhidrofilnosti/podvodne superoleofobnosti.
Među njima, materijali za filtriranje za odvajanje koje su razvili mogu postići uspješno odvajanje emulzija ulje-voda. Međutim, jedini nedostatak je da kada se ova vrsta materijala koristi za obradu emulzija ulje-voda, kada se poboljša efikasnost odvajanja, fluks će biti smanjen.
Konkretno, izgradnjom hidrofilne površine, voda može proći kroz strukturu pora membrane i formirati hidratacijski sloj na površini, čime se sprječava kontakt između kapljica ulja i membrane za razdvajanje.
Membrana slojevite strukture sastavljena od dvodimenzionalnih materijala ima ultra tanku debljinu membrane i nanopore, a njeni nanokanali imaju i visoku propusnost i visoku selektivnost.
Međutim, s povećanjem propusnog toka, na površini membrane će se pojaviti veća normalna brzina protoka, što će dovesti do smanjenja međuslojnog razmaka membrane dvodimenzionalne slojevite strukture, a samim tim i do smanjenja permeacijskog fluksa.
Istovremeno, smanjenje međuslojnog razmaka dvodimenzionalne membrane će uzrokovati kompresiju hidratantnog sloja između slojeva, tako da se smanjuje učinak protiv obraštanja. Stoga, kako uravnotežiti fluks prodiranja i sposobnost protiv obraštanja je težak problem u istraživanju visokoučinkovitih membrana za odvajanje ulja i vode.
Da bi riješio ovaj problem, istraživački tim je koristio nanočestice metalnog organskog okvira (MOF, UiO-66-NH2) i dvodimenzionalne MXene nanoploče kroz strategiju samosastavljanja interfejsa kako bi konstruirao funkcionalnu membranu visoke propusnosti.
Ova funkcionalna membrana visoke propusnosti može se konstruirati kroz strategiju samosastavljanja interfejsa. Detaljno, interkalacioni sloj kreiran nanočesticama metalnog organskog okvira može proširiti međuslojni razmak između dvodimenzionalnih MXene nano listova, čime se poboljšava fluks permeacije.
U isto vrijeme, nanočestice metalnog organskog okvira mogu podržati MXene nano ploče i izbjeći ekstruziju membranskog sloja uzrokovanu visokom normalnom brzinom protoka na površini membrane.
Štoviše, nanočestice metalnog organskog okvira također imaju izvrsna svojstva apsorpcije vode i zadržavanja vode, što može učiniti površinu razdjelne membrane i hidratacijski sloj interkalacionog sloja stabilnijim, tako da membrana za odvajanje ulja i vode ima odličnu podvodnu superoleofobnost i svojstva protiv obraštanja.
Osim toga, vodonične veze formirane između polietilen glikola (PEG) i MXene i metalnih organskih okvira pomažu da se dodatno poboljša stabilnost interkalacijske strukture i dodatno poboljša hidrofilnost funkcionalne membrane.
Općenito, zahvaljujući jedinstvenoj interkalacijskoj strukturi dvodimenzionalnog MXene membranskog materijala i hidrofilnosti i zadržavanju vode čestica metalnog organskog okvira, ova membrana za odvajanje ulja i vode pokazuje sljedeće prednosti:
Prvo, površinski i interkalacijski stabilan hidratacijski sloj daju mu odličnu sposobnost protiv obrastanja; drugo, stabilan međuslojni razmak daje mu kontinuiranu i stabilnu sposobnost odvajanja visokog fluksa. Treće, takođe ima odličnu hemijsku izdržljivost.
Sa ovim mogućnostima, ne samo da može riješiti problem međusobnih ograničenja između propusnog toka i sposobnosti protiv obrastanja dvodimenzionalnih slojevitih strukturnih membrana, već također može pružiti nove ideje za razvoj visokoučinkovitih membranskih materijala za odvajanje ulja i vode, i u određenoj mjeri riješiti problem zagađenja membrane s kojim se suočavaju trenutni super-hidrofilni/podvodni super-oleofobni membranski materijali.
Konačno, srodni rad je objavljen u časopisu Journal of Materials Chemistry A pod naslovom "Inverzna pustinjska buba nalik ZIF-8/PAN kompozitna nanofibrozna membrana za visoko efikasno odvajanje emulzija ulje u vodi", sa Li Haoyu kao prvi autor i Li Jian kao odgovarajući autor.
Rad je objavljen u časopisu Journal of Membrane Science pod naslovom "PEG/MXene@MOF membrana visoke permeabilnosti sa stabilnim međuslojnim razmakom i efikasnom otpornošću na zarastanje za kontinuirano prečišćavanje zauljenih otpadnih voda", sa Xiang Bin kao prvim autorom i Li Jian kao odgovarajućim autor.
