液体门控膜过滤系统可改善工业废水净化并节省能源

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一种最常见的水处理方法是让水通过一层有孔的膜，这些孔的大小可以过滤掉比水分子大的颗粒。然而，这些膜容易被“污物”堵塞，或者由于它们被设计用来过滤的材料，需要更多的电力来迫使水通过部分堵塞的膜，并且膜经常被更换，这两者都增加了水处理的成本。

哈佛大学Wyss生物工程研究所的最新研究以及东北大学和滑铁卢大学的合作者证明了Wyss的液体门控膜(LGMs)可以过滤水中的纳米粘土颗粒，效率提高了两倍，时间延长了近三倍。与传统膜相比，过滤所需压力降低，为降低油气钻井等高影响工业过程的成本和功耗提供了解决方案。研究报告发表在APL材料上。

“这是第一项证明LGM可以在类似于重工业的环境中实现连续过滤的研究，它提供了关于LGM如何抵抗不同类型污垢的见解，这可能导致它们在各种水处理环境中的使用，”第一作者杰斯阿尔瓦伦加说，他是威斯研究所的研究科学家。

LGM模仿自然，利用充满液体的小孔来控制液体、气体和颗粒通过生物过滤器的运动，尽可能少地使用能量，就像植物叶片上的小气孔开口允许气体通过一样。每个LGM都涂有液体，并作为一个可逆的门，在“关闭”状态下填充和密封其孔。当对膜施加压力时，孔中的液体被拉向两侧，形成开放的液体内衬孔，可以调节该孔以允许特定的液体或气体通过，并由于液体层的光滑表面而抵抗污垢。使用衬有流体的孔还可以从不同物质的混合物中分离目标化合物，这在工业液体处理中很常见。

研究小组决定用悬浮在水中的膨润土来测试他们的lgm，因为这种“纳米粘土”溶液模拟了石油和天然气行业钻井活动产生的废水。他们使用全氟聚醚(一种已经在航空航天工业中使用了30多年的液体润滑剂)将25毫米的标准滤膜圆盘注入其中，并将其转化为LGM。然后，他们将薄膜置于压力下，通过孔隙吸收水分，但留下纳米粘土颗粒，并将未处理的薄膜与LGM的性能进行比较。

未经处理的膜显示纳米粘土污染的迹象比LGM快得多，LGM过滤水的时间是标准膜的三倍，然后需要一个“反洗”程序来清除膜上积累的颗粒。较不频繁的反冲洗可转化为减少使用清洁化学品和泵送反冲洗水所需的能量，并提高工业水处理环境中的过滤速率。

虽然LGM最终确实经历了结垢，但在过滤过程中其结构中积累的纳米粘土的量减少了60%，这被称为“不可逆结垢”，因为它不会通过反冲洗被去除。这个优点使得LGM有更长的使用寿命，更多的滤液可以用于其他用途。此外，LGMs需要16%的压力来启动过滤过程，从而进一步节省能源。

“LGMs有潜力用于各种行业，如食品和饮料加工、生物制药、纺织、造纸、纸浆、化学品和石化产品，并可以在广泛的工业应用中提高能源使用和效率。”乔安娜艾岑伯格博士是Wyss研究所的创始核心教员，艾米史密斯贝利森是哈佛大学约翰a保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的材料科学教授。

该团队的下一步研究包括与行业合作伙伴进行更大规模的试点研究，LGM的长期运行，以及更复杂材料混合物的过滤。这些研究将深入了解LGM在不同应用中的商业可行性及其在许多使用案例中的持续时间。

“使用液体来帮助过滤其他液体的概念，虽然对我们来说可能不明显，但在自然界是普遍存在的。很高兴看到以这种方式利用大自然的创新可能会带来巨大的节能效果，”Wyss的创始董事唐纳德说。医学博士，哲学博士.同时，他还是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授、波士顿儿童医院血管生物学项目和SEAS大学生物工程教授。

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