基于“響應(yīng)性液體門控技術(shù)”在水界面上高效過(guò)濾與吸收的核心機(jī)制

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，廈門大學(xué)侯旭教授團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表了一篇題為 “Continuous Air Purification by Aqueous Interface Filtration and Absorption”的研究成果。

該成果報(bào)道了運(yùn)用“響應(yīng)性液體門控技術(shù)”提出不同微尺度顆粒物在水界面上的高效過(guò)濾與吸收的核心機(jī)制，打通了現(xiàn)有空氣凈化中過(guò)濾吸收、防污防腐、抗菌除臭、長(zhǎng)期運(yùn)行的技術(shù)難關(guān)，為空氣凈化器的設(shè)計(jì)提供了全新的思路。

廈門大學(xué)電化學(xué)科學(xué)與工程研究所所長(zhǎng)侯旭教授為該論文的通訊作者，博士生張運(yùn)茂為論文的第一作者。

近年來(lái)，空氣污染一直是人們關(guān)注的重要問(wèn)題，持續(xù)不斷的霧霾天氣，不但增加呼吸道等疾病的爆發(fā)，同時(shí)也造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)問(wèn)題?？諝馕廴疚镏械念w粒物是具有較大危害性的一類物質(zhì)，其由固體、液體、有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)顆粒的復(fù)雜混合懸浮物組成，顆粒物的濃度已被用作空氣污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)。去除這些顆粒物直接有效的方法仍然是使用各種空氣過(guò)濾凈化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)多由多層纖維膜或多孔材料組成的過(guò)濾膜單元構(gòu)成。然而，由于顆粒在其表面和內(nèi)部孔隙的堆積，這些過(guò)濾單元將不可避免地遭受堵塞問(wèn)題，其表面的容塵能力從根本上限制了這類過(guò)濾裝置的效率和使用壽命。因此，這種系統(tǒng)需定期更換或清洗過(guò)濾器單元，以維持其最佳凈化性能，這將會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本，更換下來(lái)的配件也會(huì)產(chǎn)生固體廢物；目前，凈化效率、使用壽命和維護(hù)成本之間的完美權(quán)衡仍然近乎無(wú)解，如何開(kāi)發(fā)凈化效率高、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)需復(fù)雜維護(hù)的凈化系統(tǒng)，是該領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)。

廈門大學(xué)侯旭團(tuán)隊(duì)致力于仿生液基材料及其界面科學(xué)的研究。受生物肺泡孔的啟發(fā)，基于液體作為結(jié)構(gòu)材料的“液體門控機(jī)制”由侯旭等首次提出，侯旭團(tuán)隊(duì)逐步將液體門控技術(shù)的概念與理論發(fā)展具體成形，并引領(lǐng)該技術(shù)的全球發(fā)展。2020年，液體門控技術(shù)被世界權(quán)威化學(xué)組織“國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC”評(píng)為年度全球“化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)”。不同于傳統(tǒng)固體多孔系統(tǒng)和液膜系統(tǒng)的概念，液體門控是指微尺度孔道利用毛細(xì)力作用，將液體穩(wěn)定地填充在孔道內(nèi)部，在一定壓力下迅速開(kāi)啟，在多孔材料孔道內(nèi)壁形成有液體層的通路，并具有可逆調(diào)控性。其液體層可為液體門控材料提供動(dòng)態(tài)分子級(jí)平整的界面，因此具有優(yōu)異的抗污與節(jié)能性質(zhì)，有助于解決與材料科學(xué)、化學(xué)、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域的前沿科學(xué)與應(yīng)用問(wèn)題。

圖1 基于液體門控技術(shù)的連續(xù)高效空氣凈化

該空氣凈化研究工作是液體作為結(jié)構(gòu)與功能材料的進(jìn)一步升華，其核心在于利用電化學(xué)響應(yīng)性液體門控技術(shù)將表面潤(rùn)濕性可調(diào)的多孔膜作為固體骨架，特定功能液體同時(shí)作為結(jié)構(gòu)與功能材料，電化學(xué)調(diào)控固-液界面的物理化學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)微氣泡尺寸的控制，并通過(guò)調(diào)控顆粒物與液體之間的相互作用進(jìn)而控制空氣-水界面上的物質(zhì)傳遞（圖2）。該方法將傳統(tǒng)固體材料對(duì)污染物過(guò)濾所使用的有效表面積轉(zhuǎn)換成液體材料對(duì)污染物過(guò)濾吸收的有效體積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物處理量的數(shù)量級(jí)提升，從而在提高凈化效率的同時(shí)也提高了凈化器的塵容量。此外，利用門控液體作為主要過(guò)濾材料，可以通過(guò)管路連接、自動(dòng)化、程序化控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、高效、低成本的系統(tǒng)運(yùn)行。而且可以按照需要設(shè)計(jì)功能液體，賦予空氣凈化液門系統(tǒng)能夠適合特定的凈化需求，如抗菌能力、對(duì)氣味和有害氣體污染物的去除能力，以及耐腐蝕能力等。

圖2 電化學(xué)響應(yīng)性液體門控水界面上的過(guò)濾與吸收機(jī)制示意圖

該電化學(xué)液門空氣凈化系統(tǒng)還可結(jié)合人工智能技術(shù)、微流控技術(shù)等集成應(yīng)用，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)多種功能液體的智能快速調(diào)節(jié)，滿足不同環(huán)境下的空氣凈化需求。該多相界面相互作用和界面物質(zhì)傳遞的機(jī)制也將有助于研究多相體系中的物質(zhì)傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，將促進(jìn)微型反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)及催化、乳化、化妝品、制藥等領(lǐng)域的研究和發(fā)展。