張鐵軍教授團隊：濾膜基底3D打印助力研發(fā)仿生污染物控制技術(shù)

來源：PuSL摩方高精密3D打印


膜過濾和分離已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、水和環(huán)境相關(guān)的領(lǐng)域。在水凈化和廢水過濾過程中，濾膜的孔隙結(jié)構(gòu)僅允許凈化水通過，而固體微顆粒（如微塑料）、油滴及其他污染物被膜阻擋，由此帶來的膜污染和堵塞一直是有效水過濾的主要瓶頸。為此，來自哈利法大學(xué)的李紅霞博士及其所在的張鐵軍教授團隊，提出了一種仿生抗堵塞濾膜，創(chuàng)造性的利用微立體光刻技術(shù)直接將魚類的鰓耙結(jié)構(gòu)打印在濾膜表面以達到抗（耐）堵塞的目的。

海洋中多數(shù)魚類是采用過濾機制來進食的：其將水和浮游生物等食物顆粒吞入口中，在水通過密集排列的鰓耙結(jié)構(gòu)時，食物顆粒會被篩選留在口腔中。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流通過鰓耙結(jié)構(gòu)排出體外時會形成漩渦，即使體積非常小的食物顆粒也會因此從鰓耙頂部彈出并返回口腔（如圖1所示）。類似的，若將食物顆粒想象成為污水中的污染物顆粒，利用相同的彈回機制，就會大大減少污染物與濾膜表面接觸的機會，從而有效減少膜污染和堵塞。

為了將鰓耙結(jié)構(gòu)集成到濾膜表面，該團隊發(fā)明了一種直接在濾膜表面打印復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)。在該工作中，他們利用面投影微立體光刻3D打印系統(tǒng)（nanoArch S130，摩方精密），制造了一種“魚鰓”濾膜并進一步集成在微流控器件（圖2）中來快速測試抗堵塞過濾效果。直接膜上3D打印技術(shù)最大的優(yōu)點在于這種一體化的器件在打印結(jié)構(gòu)-膜界面處具有自密封屬性，無需額外組裝。此外，不僅濾膜，其他多孔材料如金屬微網(wǎng)等也可以很容易地嵌入到 3D打印的器件中。

△圖1. 擬海洋魚類捕食過濾機制的仿生抗堵塞濾膜


△圖 2 直接膜上3D打印技術(shù)制作的“鰓耙”濾膜微流控器件

為測試“鰓耙”濾膜的抗堵塞性能，我們選擇了兩個最具挑戰(zhàn)性的廢水處理問題：表面活性劑穩(wěn)定的乳液和塑料微顆粒。它們的形態(tài)和顆粒/液滴尺寸分布如圖 3 所示。為了比較，我們還選取了沒有任何表面結(jié)構(gòu)的普通商用濾膜作為參考。如預(yù)期，當(dāng)過濾塑料微粒時，普通濾膜的滲透通量在 10 分鐘運行內(nèi)急劇下降至其初始通量的 40%，而“鰓耙”濾膜可以保持高達80%的初始通量。此外，隨著主流速度的增加，高滲透通量的持久性也明顯被延長。

研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)：“鰓耙“濾膜的非凡防污/防堵性能源于過濾過程中污垢液滴/顆粒的獨特流動行為。在研究中，濾膜微流控器件同時憑借其流動可視化揭示了抗堵塞的流體動力學(xué)機制。圖 4 顯示了油滴和塑料微粒在光學(xué)顯微鏡下通過鰓形結(jié)構(gòu)上方時的流動軌跡。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴接近一個鰓結(jié)構(gòu)單元時，它被滲透流夾帶到間隙（ t = 0.02 到 0.08 s，藍色圓圈標(biāo)記）。然而，由于渦流（紅色圓圈標(biāo)記，t = 0.10 s），液滴從間隙彈回并返回主流（t = 0.10 到 0.12 s）。這樣，即使液滴尺寸遠小于兩個鰓耙間縫隙，它也不會接觸到濾膜表面造成濾膜污染或堵塞。

目前，該團隊獨創(chuàng)的濾膜基底3D打印技術(shù)已申請國際專利。四川大學(xué)的袁紹軍教授、麻省理工學(xué)院Nicholas X. Fang教授對此工作改進完善也有貢獻。

△圖3 在過濾油水混合物和塑料微顆粒時“鰓耙“濾膜的抗堵塞性能


△圖4 通過流動可視化揭示的“鰓耙“濾膜抗堵塞的流體動力機制

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https://doi.org/10.1038/s41598-022-11738-z