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  社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求使得塑料的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng) — 從1950年的170噸/年到如今每年近4億噸， 增長(zhǎng)了 200 多倍，其增速遠(yuǎn)大于同時(shí)期內(nèi)的全球 GDP（不變價(jià)）的增速。與此同時(shí)，微塑料污染現(xiàn)象引起了人們的日益關(guān)注。所謂微塑料，是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒，可被分為初生微塑料和次生微塑料。作為一種近年來(lái)才被高度重視的污染物，微塑料已經(jīng)在陸地、江河、湖泊、大海、大洋以及大氣環(huán)境中被檢測(cè)到，且可能作為毒素的載體，進(jìn)而影響動(dòng)物和人類的生命健康。因此，從地表水和地下水中有效去除微塑料是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。許多種化學(xué)、物理和生物方法被應(yīng)用于去除微塑料，例如活性污泥、吸附、混凝/凝聚、光催化降解、生物降解和膜分離等技術(shù)。已報(bào)道的用于去除微塑料的膜分離技術(shù)包括超濾、微濾、和反滲透。然而，由于堵孔和膜污染現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致通量降低，傳統(tǒng)的膜分離技術(shù)來(lái)去除水體中微塑料的效率相對(duì)較低。發(fā)展能夠高效去除微塑料且具有高滲透通量和長(zhǎng)使用壽命的新型膜材料仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

  師法自然，是人類不斷取得進(jìn)步的源泉！蝠鲼(圖1a)等海洋魚類通過(guò)其鰓耙捕獲浮游生物，同時(shí)通過(guò)其鰓裂排出海水，其中的鰓耙由長(zhǎng)而平行的葉片狀陣列組成(圖1b, c)。這些海洋魚類可以通過(guò)一種耐堵塞的固液過(guò)濾機(jī)制濾食那些小于鰓耙之間縫隙的浮游生物。當(dāng)水在鰓耙上方單向移動(dòng)時(shí)，浮游顆粒被葉狀的鰓耙彈開，同時(shí)水從鰓耙的間隙中排出(圖1d)。這種機(jī)制被稱為“彈跳分離”，可以在高流速下有效分離浮力顆粒。可以說(shuō)，具有這種過(guò)濾機(jī)制的多孔膜有望實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中微塑料的高效分離，同時(shí)具有高滲透通量和以及良好的長(zhǎng)期服役性能。

圖1 (a) 蝠鲼的照片；(b) 斜帶銼鱗鲀的鰓耙；(c) 鯨鯊的鰓耙；(d) 流體(藍(lán)色)和固體顆粒(黃色)流經(jīng)魚鰓耙時(shí)的軌跡示意圖；(e) 流體(藍(lán)色)和固體顆粒(黃色)流經(jīng)仿魚鰓膜時(shí)的軌跡示意圖。

  浙江大學(xué)徐志康教授帶領(lǐng)的聚合物分離膜表界面工程團(tuán)隊(duì)(SIEPM)，與德國(guó)拜羅伊特大學(xué)安德烈亞斯·格雷納教授合作，在國(guó)家自然科學(xué)基金“聚合物垂直通孔膜的定向結(jié)晶模板法制備與應(yīng)用基礎(chǔ)研究(資助號(hào)：51673166)”以及德國(guó)研究基金“微塑料”重大專項(xiàng)(German Research Foundation, CRC 1357 - “Mikroplastik” 391977956)的資助下，發(fā)展雙向冷凍過(guò)程與熱致相分離的集成，制備了一系列膜孔傾斜角度可調(diào)的仿魚鰓貫通斜孔膜(圖2)，通過(guò)模仿蝠鲼等海洋魚類的鰓耙對(duì)浮游顆粒的濾食作用，實(shí)現(xiàn)了在高流速與高水通量下對(duì)粒徑遠(yuǎn)小于膜孔徑的聚苯乙烯微塑料的高效去除。

圖2 (a) z方向和y方向溫度梯度之比與仿魚鰓膜孔道傾斜角對(duì)水面升高速率的函數(shù)關(guān)系；(b)-(f)分別為一系列具有貫通孔及可調(diào)控的孔道傾斜角的仿魚鰓膜的SEM圖。

  研究者首先以聚偏氟乙烯為原料，以二甲亞砜為稀釋劑，用雙向冷凍法制備了具有貫通孔結(jié)構(gòu)的仿魚鰓膜，并且通過(guò)調(diào)控冷卻過(guò)程中的水面升高速率實(shí)現(xiàn)了對(duì)膜孔傾斜角度從25到85°的精確調(diào)控(圖2)。研究者還構(gòu)建了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 模型以探索這些仿魚鰓膜如何去除微塑料顆粒(圖3)，當(dāng)聚苯乙烯微球的水溶液流經(jīng)膜表面時(shí)，會(huì)形成渦旋，使微球從傾斜的膜孔壁上彈出，從而實(shí)現(xiàn)微塑料的高效去除(圖4)。

圖3 (a)和(b)為過(guò)濾時(shí)流動(dòng)方向?yàn)檎蚝头聪虻氖疽鈭D。膜孔傾斜角度分別為(c-f) 25° 和 (g-j) 85°的仿魚鰓膜的計(jì)算模型。(c)-(j) 使用CFD模型預(yù)測(cè)的溶液流動(dòng)方向?yàn)檎?左)和反向(右)時(shí)的仿魚鰓膜周圍的流場(chǎng)(白色表示流線；背景顏色表示速度大小)。(c), (d), (g), (h) 0.51 m/s, (e), (f), (i), (j) 0.08 m/s。

圖4通過(guò)模擬計(jì)算得到的當(dāng)流速分別為 (a)、(b)、(e)、(f) 0.51 m/s 和 (c)、(d)、(g)、(h) 0.08 m/s 時(shí)由正方向(左)和反方向(右)過(guò)濾粒徑為700 nm的聚苯乙烯微球的水溶液時(shí)的微球的運(yùn)動(dòng)軌跡。

  進(jìn)一步，研究者將仿魚鰓膜用于三種粒徑不同的聚苯乙烯微球水溶液的過(guò)濾中，并研究了過(guò)濾時(shí)溶液的流動(dòng)方向、流速以及膜孔傾斜角度對(duì)微球去除效率的影響(圖5)。這些仿魚鰓膜對(duì)粒徑遠(yuǎn)小于膜孔的聚苯乙烯微球表現(xiàn)出優(yōu)異的去除效率及良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 

圖5 仿魚鰓膜對(duì)粒徑為(a) 500 nm，(b) 700 nm，(c) 1 μm的聚苯乙烯微球的截留效率。(d), (e), (f)為相應(yīng)的仿魚鰓膜的滲透通量。

  這項(xiàng)工作以 “Biomimetic Gill-inspired Membranes with Direct-through Micropores for Water Remediation by Efficiently Removing Microplastic Particles”為題，發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》(Chem Eng J 2020, 434, 134758)上。文章第一作者是浙江大學(xué)博士研究生張弦，通訊作者為浙江大學(xué)黃小軍副教授、拜羅伊特大學(xué)安德烈亞斯·格雷納教授和浙江大學(xué)徐志康教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134758