哈佛大学研究出新型过滤技术:用液体过滤液体

来源:荣格

发布时间:2019年2月21日下午 06:02:55

使用液体过滤其它液体的概念在自然界中很普遍。弄清楚怎样以LGM这样的方式来利用大自然的创新并将之投入到商业化应用中,有望带来巨大的能源节约。
过滤和处理人类消费的水或工业和市政废水,每年约占美国所有能耗的13%,并向大气排放2.9亿公吨的二氧化碳水。相当于全球人口的总重量。
 
目前,最常用的水处理方法是让其通过带有微孔的薄膜,以过滤掉比水分子大的颗粒。
 
哈佛大学研究出新型过滤技术:用液体过滤液体
液体门控薄膜过滤系统提高废水净化效率,节约能耗
 
但是,这些薄膜很容易被“污染”,也即容易被想要过滤掉的物质堵塞。为此,需要耗用更多电力来迫使水通过被部分堵塞的滤膜,并频繁更换薄膜。而这两者都会提高水处理成本。
 
哈佛大学威斯生物启发工程研究院研究小组以及东北大学和滑铁卢大学研究人员合作研究者的最新研究结果表明,与传统薄膜相比,威斯研究院的液体门控膜(LGM)滤除水中纳米颗粒的效率高出2倍,薄膜被污染的时间延长近三倍,同时还降低了过滤所需的压力。因此为降低石油和天然气钻井等高能耗行业的工艺成本和电力消耗提供了一种解决方案。该研究报告发表在“APL Materials”上。
 
“该研究首次表明LGM可以在与重工业相近的工况中获得持久过滤效果,为LGM如何防止不同类型的污染提供了深刻的视角,也为其在各种水处理环境中的应用提供了广阔的空间。”
 
LGM仿照了大自然如何利用充满液体的微孔,以尽可能少的能量来控制液体、气体和颗粒通过生物过滤器流动的机理,类似于植物叶子上可以让气体通过的气孔一样。
 
每张LGM都涂有类似反向转动的门一样作用的液体。这些液体充满并封住微孔,使其呈“密闭”状态。
 
哈佛大学研究出新型过滤技术:用液体过滤液体
当向薄膜施加压力时,微孔内的液体被拉向侧边,形成一个开放的、液体作内衬的微孔。经过微调后,可让特定的液体或气体通过。
 
由于液体层表面较滑,因此可以防止污垢堆积。衬有液体的微孔也使得从目标复合物中分离不同物质成为可能,这也是工业液体过滤经常需要承担的任务。
 
研究小组决定测试LGM对水中膨润土悬浮颗粒的过滤效果,因为这种“纳米颗粒”溶液与石油及天然气行业钻井废水很类似。
 
它们将在航空工业用了30多年的液体过滤材料——标准聚全氟聚醚过滤膜加工成LGM。然后对LGM施加压力,使水通过微孔,滤出纳米颗粒,并对比了未经处理薄膜和LGM的过滤效果。
 
未经处理的薄膜显示出被纳米颗粒污染的速度远快于LGM。在需要进行“反向冲洗”以去除集聚在薄膜上的颗粒之前, LGM的过滤寿命比传统膜长3倍。
 
频次更低的反向冲洗降低了清洁用化学品的使用以及泵送反向冲洗水所需的能耗,改善了工业水处理环境的过滤效率。
 
随着时间的推移,当LGM上逐渐出现积垢时,在过滤期间,其积垢水平要低60%,这是因为存在即便用反向清洗也无法去除的“不可逆污染”。
 
这种优势使得LGM寿命更长,更多滤液可以得到回收利用。
 
另外,在初始过滤阶段,LGM所需的压力要低16%,进一步节约了能耗。
 
“LGM还具有应用在食品及饮料加工、生物制药、纺织、纸浆与造纸、化工、石化等行业的前景,并有望提高各个行业的能源利用效率,”研究报告的通讯作者Joanna Aizenberg介绍。他也是威斯研究院的核心创始成员、哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)材料科学艾米·史密斯·布利尔森教授。
 
下一步,该团队的研究内容包括与工业领域的合作伙伴展开大规模实验生产研究,并对LGM的长期实际运行效果、对各行业各种更为复杂物质的过滤效果进行深入探讨,以探索其在不同领域的商业应用前景。
 
使用液体过滤其它液体的概念在自然界中很普遍,虽然并不那么引人注目。弄清楚怎样以LGM这样的方式来利用大自然的创新有望带来巨大的能源节约。”威斯研究院创始院长唐纳德·英格伯表示。
 
他同时担任哈佛医学院血管生物学犹大·福克曼教授、波士顿儿童医院血管生物学项目负责人,也是SEAS生物工程教授。
 
本文其他作者包括:Yuki Ainge,东北大学;Chris Williams及Aubrey Maltz,滑铁卢大学; Tom Blough及Mughees Khan,哈佛大学威斯研究院

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