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

來源：PuSL摩方高精密3D打印


膜過濾和分離已廣泛應用于生物醫(yī)學、水和環(huán)境相關的領域。在水凈化和廢水過濾過程中，濾膜的孔隙結構僅允許凈化水通過，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直接將魚類的鰓耙結構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構時，食物顆粒會被篩選留在口腔中。研究發(fā)現(xiàn)，當水流通過鰓耙結構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。

為了將鰓耙結構集成到濾膜表面，該團隊發(fā)明了一種直接在濾膜表面打印復雜三維結構的技術。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打印技術最大的優(yōu)點在于這種一體化的器件在打印結構-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構的普通商用濾膜作為參考。如預期，當過濾塑料微粒時，普通濾膜的滲透通量在 10 分鐘運行內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機制。圖 4 顯示了油滴和塑料微粒在光學顯微鏡下通過鰓形結構上方時的流動軌跡。研究發(fā)現(xiàn)當液滴接近一個鰓結構單元時，它被滲透流夾帶到間隙（ t = 0.02 到 0.08 s，藍色圓圈標記）。然而，由于渦流（紅色圓圈標記，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打印技術已申請國際專利。四川大學的袁紹軍教授、麻省理工學院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