Um documentário da BBC certa vez apresentou um animal mágico que "pega água do deserto". Há um besouro vivendo no deserto da Namíbia. Suas costas são compostas de protuberâncias hidrofílicas e substratos super-hidrofóbicos, o que permite que o besouro capture umidade do ar.
Todas as manhãs, o ar no deserto da Namíbia fica cheio de neblina. Nesse momento, a umidade ao redor do besouro será capturada pelas protuberâncias hidrofílicas em seu corpo.
Então, a umidade irá gradualmente condensar em gotículas de água na casca dura do besouro. Então, sob a ação da gravidade, as gotículas de água fluem para sua boca ao longo das costas super-hidrofóbicas do besouro. Dessa forma, no deserto extremamente escasso de água, o besouro obteve água potável de uma forma tão maravilhosa.
Por muito tempo, a equipe do Professor Li Jian da Northwest Normal University aderiu ao conceito de pesquisa de "aprender com a natureza". A separação de óleo e água é uma de suas direções de pesquisa. Ele uma vez imaginou: Se a estrutura única do besouro do deserto for combinada com a membrana superoleofóbica subaquática, as gotículas de óleo podem ser capturadas e usadas no campo da separação de óleo e água?
Sua ideia finalmente se tornou realidade. Não muito tempo atrás, inspirados pela "coleta de água na neblina" do besouro do deserto, ele e sua equipe desenvolveram uma membrana de separação de óleo-água semelhante à do besouro do deserto, que tem a "função de coleta de óleo na água".
A membrana é composta de partículas oleofílicas ZIF-8 hidrofóbicas elevadas e material superoleofóbico subaquático de poliacrilonitrila (PAN) da camada inferior.
Ao separar emulsões de água em óleo, as partículas hidrofóbicas/oleofílicas elevadas (ZIF-8) podem atingir "coleta de óleo em água" e desemulsificação, enquanto a membrana superoleofóbica subaquática (PAN) da camada inferior desempenha um papel de triagem na emulsão. Sob o efeito sinérgico dos dois, o efeito de "compensação" entre a eficiência de separação e o fluxo da membrana superoleofóbica subaquática tradicional é quebrado, e a eficiência de separação da emulsão óleo-água é melhorada enquanto o fluxo de separação é melhorado, e a separação eficiente e de alto rendimento de várias emulsões de água em óleo e até mesmo emulsões de água em óleo bruto é alcançada com sucesso.
Com base nisso, a equipe de pesquisa revelou o mecanismo de separação aprimorado de "captura-agregação-separação" da membrana de separação de óleo e água.
Espera-se que essa conquista tenha certas perspectivas de aplicação no tratamento profundo e na utilização de recursos de águas residuais oleosas.
Por exemplo, ele pode ser usado para tratar águas residuais oleosas geradas pela indústria petroquímica, indústria metalúrgica, indústria têxtil, indústria alimentícia, esgoto urbano, derramamentos de petróleo bruto, transporte marítimo e extração de petróleo e gás, e espera-se que alcance separação e purificação eficientes.
Entende-se que a escassez de recursos de água limpa causada por derramamentos de petróleo bruto offshore e descargas de águas residuais oleosas industriais é um problema global que coloca em risco a segurança do meio ambiente ecológico e restringe o desenvolvimento sustentável da sociedade humana.
O tratamento profundo e a utilização de recursos de águas residuais oleosas são de grande importância para resolver a escassez de recursos hídricos, proteger o meio ambiente ecológico, servir à conservação de energia e à redução de emissões e atingir as metas de "carbono duplo".
A tecnologia de membrana, como estratégia para separar e purificar águas residuais oleosas, tem vantagens significativas de alta eficiência e baixo consumo de energia, e é considerada uma das tecnologias mais eficazes para tratar águas residuais oleosas. Por meio da triagem do tamanho dos poros e da regulação da molhabilidade da superfície, essa tecnologia pode atingir a separação seletiva de misturas de óleo e água.
Entretanto, o problema da poluição da membrana causado pela adsorção de surfactante ou obstrução dos poros por gotículas de óleo ainda é um dos maiores desafios enfrentados no tratamento de águas residuais oleosas.
A contaminação de óleo de superfície levará a uma diminuição no fluxo da membrana de separação óleo-água, uma diminuição na eficiência de separação e um aumento no consumo de energia operacional. Portanto, é urgente desenvolver uma membrana de separação óleo-água com alta eficiência de separação e forte estabilidade operacional, para que o tratamento profundo e a utilização de recursos de águas residuais oleosas possam ser alcançados.
Em resposta ao problema de incrustação de membrana comumente enfrentado por membranas de separação de óleo e água, inspirada pelo efeito autolimpante das escamas de peixe, a equipe de Li Jian vem preparando uma série de materiais de separação, como materiais de separação por filtração e materiais de separação por adsorção desde 2015, com foco no conceito de design de super-hidrofilicidade/superoleofobicidade subaquática.
Entre eles, os materiais de separação de filtração que eles desenvolveram podem atingir a separação bem-sucedida de emulsões de óleo-água. No entanto, a única desvantagem é que quando esse tipo de material é usado para tratar emulsões de óleo-água, quando a eficiência de separação é melhorada, o fluxo será reduzido.
Especificamente, ao construir uma superfície hidrofílica, a água pode passar pela estrutura de poros da membrana e formar uma camada de hidratação na superfície, evitando assim o contato entre gotículas de óleo e a membrana de separação.
A membrana de estrutura em camadas montada por materiais bidimensionais tem espessura de membrana ultrafina e nanoporos, e seus nanocanais têm alta permeabilidade e alta seletividade.
Entretanto, com o aumento do fluxo de permeação, uma velocidade de fluxo normal mais alta aparecerá na superfície da membrana, o que levará a uma redução no espaçamento entre camadas da membrana de estrutura bidimensional em camadas, reduzindo assim o fluxo de permeação.
Ao mesmo tempo, a redução no espaçamento entre camadas da membrana bidimensional fará com que a camada de hidratação entre as camadas seja comprimida, de modo que o desempenho antiincrustante seja reduzido. Portanto, como equilibrar o fluxo de permeação e a capacidade antiincrustante é um problema difícil na pesquisa de membranas de separação de óleo-água de alto desempenho.
Para resolver esse problema, a equipe de pesquisa utilizou nanopartículas de estrutura orgânica metálica (MOF, UiO-66-NH2) e nanofolhas bidimensionais de MXene por meio da estratégia de automontagem de interface para construir uma membrana funcional de alta permeabilidade.
Esta membrana funcional de alta permeabilidade pode ser construída por meio da estratégia de automontagem de interface. Em detalhes, a camada de intercalação criada por nanopartículas de estrutura orgânica metálica pode expandir o espaçamento entre camadas entre nanofolhas de MXene bidimensionais, melhorando assim o fluxo de permeação.
Ao mesmo tempo, as nanopartículas da estrutura orgânica metálica podem suportar nanofolhas de MXene e evitar a extrusão da camada de membrana causada pela alta velocidade de fluxo normal na superfície da membrana.
Além disso, as nanopartículas de estrutura orgânica metálica também têm excelentes propriedades de absorção e retenção de água, o que pode tornar a superfície da membrana de separação e a camada de hidratação da camada de intercalação mais estáveis, de modo que a membrana de separação óleo-água tenha excelentes propriedades de superoleofobia e antiincrustantes subaquáticas.
Além disso, as ligações de hidrogênio formadas entre o polietilenoglicol (PEG) e o MXene e as estruturas orgânicas metálicas ajudam a aumentar ainda mais a estabilidade da estrutura de intercalação e a melhorar ainda mais a hidrofilicidade da membrana funcional.
Em geral, graças à estrutura de intercalação exclusiva do material da membrana bidimensional MXene e à hidrofilicidade e retenção de água das partículas da estrutura orgânica metálica, esta membrana de separação óleo-água apresenta as seguintes vantagens:
Primeiro, a superfície e a camada de hidratação estável de intercalação lhe dão excelente capacidade anti-incrustante; segundo, o espaçamento estável entre camadas lhe dá uma capacidade de separação de alto fluxo contínua e estável. Terceiro, também tem excelente durabilidade química.
Com essas capacidades, ele não só pode resolver o problema de restrições mútuas entre o fluxo de permeação e a capacidade antiincrustante de membranas de estrutura em camadas bidimensionais, mas também fornecer novas ideias para o desenvolvimento de materiais de membrana de separação de óleo e água de alto desempenho e, até certo ponto, resolver o problema de poluição de membrana enfrentado pelos atuais materiais de membrana super-hidrofílica/super-oleofóbica subaquática.
Por fim, o artigo relacionado foi publicado no Journal of Materials Chemistry A com o título "Membrana nanofibrosa composta ZIF-8/PAN semelhante a um besouro do deserto inverso para separação altamente eficiente de emulsões de óleo em água", com Li Haoyu como primeiro autor e Li Jian como autor correspondente.
O artigo foi publicado no Journal of Membrane Science com o título "Membrana PEG/MXene@MOF de alta permeabilidade com espaçamento estável entre camadas e resistência eficiente à incrustação para purificação contínua de águas residuais oleosas", com Xiang Bin como primeiro autor e Li Jian como autor correspondente.
