סרט תיעודי של ה-BBC הציג פעם חיה קסומה שכזו ש"מקבלת מים מהמדבר". יש חיפושית שחיה במדבר של נמיביה. הגב שלהם מורכב מבליטות הידרופיליות וממצעים סופר הידרופוביים, המאפשרים לחיפושית ללכוד לחות מהאוויר.
מדי בוקר, האוויר במדבר נמיבי מתמלא בערפל. בשלב זה, הלחות סביב החיפושית תיתפס על ידי הבליטות ההידרופיליות על גופה.
לאחר מכן, הלחות תתעבה בהדרגה לטיפות מים על הקליפה הקשה של החיפושית. לאחר מכן, תחת פעולת כוח המשיכה, טיפות המים זורמות אל פיה לאורך הגב הסופר הידרופובי של החיפושית. בדרך זו, במדבר הדל ביותר במים, השיגה החיפושית מי שתייה בצורה כל כך נפלאה.
במשך זמן רב, הצוות של פרופסור לי ג'יאן מאוניברסיטת נורת'-מערב נורמלי דבק בתפיסת המחקר של "למידה מהטבע". הפרדת נפט-מים היא אחד מכיווני המחקר שלו. פעם הוא דמיין: אם המבנה הייחודי של החיפושית המדברית משולב עם הקרום הסופר-אולאופובי התת-מימי, האם ניתן ללכוד טיפות שמן ולהשתמש בהן בתחום של הפרדת שמן-מים?
הרעיון שלו הפך לבסוף למציאות. לפני זמן לא רב, בהשראת "איסוף המים בערפל" של החיפושית המדברית, הוא וצוותו פיתחו קרום הפרדת שמן-מים דמוי חיפושית, בעלת "פונקציית איסוף השמן במים".
הממברנה מורכבת מחלקיקים אולאופיליים ZIF-8 הידרופוביים מוגבהים וחומר סופר-אולאופובי תת-מימי של פולי-אקרילוניטריל בשכבה תחתונה (PAN).
בעת הפרדת תחליבים של מים בשמן, החלקיקים ההידרופוביים/אולאופיליים המוגבלים (ZIF-8) יכולים להשיג "איסוף שמן במים" ושחרור, בעוד שהשכבה התחתונה התת-מימית הממברנה הסופר-אולאופוביה (PAN) ממלאת תפקיד סינון על אֵמוּלְסִיָה. תחת ההשפעה הסינרגטית של השניים, נשבר אפקט ה"טרייד-אוף" בין יעילות ההפרדה והשטף של הממברנה הסופר-אולאופובי המסורתי התת-מימי, ויעילות ההפרדה של תחליב שמן-מים משתפרת בעוד ששטף ההפרדה משופר, ו ההפרדה היעילה והתפוקה הגבוהה של תחליב מים-בשמן שונים ואפילו תחליב מים-בשמן גולמי מושגת בהצלחה.
על בסיס זה, צוות המחקר חשף את מנגנון ההפרדה המשופר של "לכידה-צבירה-הפרדה" של קרום הפרדת שמן-מים.
צפוי כי להישג זה יהיו סיכויי יישום מסוימים בטיפול עמוק וניצול משאבים של שפכים שמנים.
לדוגמה, הוא יכול לשמש לטיפול בשפכים שמנים שנוצרו על ידי התעשייה הפטרוכימית, התעשייה המתכתית, תעשיית הטקסטיל, תעשיית המזון, הביוב העירוני, דליפת נפט גולמי, הובלת ספינות והפקת נפט וגז, והוא צפוי להשיג הפרדה יעילה ו טָהֳרָה.
מובן כי המחסור במשאבי מים נקיים הנגרם על ידי דליפת נפט גולמי מהחוף והזרמת שפכים שמנים תעשייתיים היא בעיה עולמית המסכנת את בטיחות הסביבה האקולוגית ומגבילה את הפיתוח בר-קיימא של החברה האנושית.
הטיפול העמוק וניצול המשאבים של שפכים שמנים הם בעלי משמעות רבה לפתרון מחסור במקורות מים, הגנה על הסביבה האקולוגית, משרתים שימור אנרגיה והפחתת פליטות והשגת יעדי "הפחמן הכפול".
לטכנולוגיית הממברנה, כאסטרטגיה להפרדה וטיהור שפכים שמנים, יש יתרונות משמעותיים של יעילות גבוהה וצריכת אנרגיה נמוכה, והיא נחשבת לאחת הטכנולוגיות היעילות ביותר לטיפול בשפכים שמנים. באמצעות הקרנת גודל הנקבוביות וויסות הרטיבות פני השטח, טכנולוגיה זו יכולה להשיג הפרדה סלקטיבית של תערובות שמן-מים.
עם זאת, בעיית זיהום הממברנה הנגרמת מספיחת חומרי שטח או סתימת טיפות שמן של נקבוביות היא עדיין אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני הטיפול בשפכים שמנים.
זיהום שמן פני השטח יוביל לירידה בשטף של קרום הפרדת שמן-מים, לירידה ביעילות ההפרדה ולעלייה בצריכת האנרגיה התפעולית. לכן, דחוף לפתח ממברנת הפרדת שמן-מים בעלת יעילות הפרדה גבוהה ויציבות תפעולית חזקה, כך שניתן יהיה להגיע לטיפול עמוק וניצול משאבים בשפכים שמנים.
בתגובה לבעיית הלכלוך של הממברנות, שבדרך כלל מתמודדים עם ממברנות הפרדת שמן-מים, בהשראת אפקט הניקוי העצמי של קשקשי דגים, הצוות של לי ג'יאן מכין מאז 2015 סדרה של חומרי הפרדה כגון חומרי הפרדת סינון וחומרי הפרדת ספיחה, התמקדות בתפיסה העיצובית של סופר-הידרופיליות/סופר-אולאופוביות מתחת למים.
ביניהם, חומרי הפרדת הסינון שפיתחו יכולים להשיג הפרדה מוצלחת של תחליב שמן-מים. עם זאת, החיסרון היחיד הוא שכאשר סוג זה של חומר משמש לטיפול באמולסיות שמן-מים, כאשר יעילות ההפרדה משתפרת, השטף יקטן.
באופן ספציפי, על ידי בניית משטח הידרופילי, מים יכולים לעבור דרך מבנה הנקבוביות של הממברנה וליצור שכבת הידרציה על פני השטח, ובכך למנוע את המגע בין טיפות השמן לממברנת ההפרדה.
לממברנת המבנה השכבתי המורכבת על ידי חומרים דו-ממדיים יש עובי קרום דק במיוחד וננו-נקבוביות, ולננו-תעלות שלה יש גם חדירות גבוהה וגם סלקטיביות גבוהה.
עם זאת, עם הגדלת שטף החדירה, תופיע מהירות זרימה נורמלית גבוהה יותר על פני הממברנה, אשר תוביל להפחתת מרווח בין השכבות של קרום המבנה הדו-מימדי, ובכך תפחית את שטף החדירה.
יחד עם זאת, הקטנת המרווח הבין-שכבתי של הממברנה הדו-ממדית תגרום לדחיסת שכבת ההידרציה בין השכבות, כך שביצועי האנטי-פouling יצטמצמו. לכן, כיצד לאזן את שטף החדירה ויכולת נוגדת הזיהום היא בעיה קשה במחקר של ממברנות הפרדת שמן-מים בעלות ביצועים גבוהים.
על מנת לפתור בעיה זו, צוות המחקר השתמש בחלקיקי ננו-חלקיקים מתכת אורגנית (MOF, UiO-66-NH2) ובגליונות ננו דו-מימדיים של MXene באמצעות אסטרטגיית ההרכבה העצמית של ממשק לבניית קרום פונקציונלי בעל חדירות גבוהה.
ניתן לבנות את הממברנה הפונקציונלית עם חדירות גבוהה באמצעות אסטרטגיית ההרכבה העצמית של הממשק. בפירוט, שכבת האינטרקלציה שנוצרה על ידי ננו-חלקיקי מסגרת אורגניים ממתכת יכולה להרחיב את מרווח השכבות בין גליונות ננו דו מימדיים של MXene, ובכך לשפר את שטף החדירה.
יחד עם זאת, ננו-חלקיקי מסגרת אורגניים ממתכת יכולים לתמוך בגליונות ננו של MXene ולהימנע מהשחול של שכבת הממברנה הנגרמת על ידי מהירות הזרימה הרגילה הגבוהה על פני הממברנה.
יתרה מכך, לננו-חלקיקי מתכת אורגניים של מסגרת מתכת יש גם תכונות ספיגת מים ושימור מים מצוינות, מה שיכול להפוך את משטח קרום ההפרדה ושכבת ההידרציה של שכבת האינטרקלציה ליציבה יותר, כך שלממברנת הפרדת שמן-מים יש סופר-אולאופוביות תת-מימית מצוינות ותכונות נוגדות ריבוי.
בנוסף, קשרי המימן הנוצרים בין פוליאתילן גליקול (PEG) ו-MXene ומסגרות אורגניות של מתכת עוזרים לשפר עוד יותר את היציבות של מבנה האינטרקלציה ולשפר עוד יותר את ההידרופיליות של הממברנה הפונקציונלית.
באופן כללי, הודות למבנה האינטרקלציה הייחודי של חומר ממברנת ה-MXene הדו-ממדי וההידרופיליות ושימור המים של חלקיקי המסגרת האורגניים של מתכת, ממברנת הפרדת שמן-מים זו מציגה את היתרונות הבאים:
ראשית, שכבת ההידרציה היציבה של פני השטח ושכבת האינטרקלציה נותנת לו יכולת מצוינת נגד עיבוי; שנית, המרווח בין השכבות היציב מעניק לו יכולת הפרדה רציפה ויציבה בשטף גבוה. שלישית, יש לו גם עמידות כימית מעולה.
עם היכולות הללו, זה לא רק יכול לפתור את בעיית האילוצים ההדדיים בין שטף החדירה ויכולת אנטי התעשויות של ממברנות מבנה דו-ממדיות, אלא גם לספק רעיונות חדשים לפיתוח חומרי קרום הפרדת שמן-מים בעלי ביצועים גבוהים, ובמידה מסוימת לפתור את בעיית זיהום הממברנה איתה מתמודדים חומרי הממברנה הסופר-הידרופיליים/תת-מימיים הסופר-אולאופוביים הנוכחיים.
לבסוף, המאמר הקשור פורסם ב-Journal of Materials Chemistry A עם הכותרת "ממברנה ננו-סיבית מורכבת דמוית חיפושית במדבר הפוכה-8/PAN להפרדה יעילה ביותר של אמולסיות שמן במים", עם Li Haoyu כמחבר הראשון ולי ג'יאן כמחבר המקביל.
המאמר פורסם ב-Journal of Membrane Science עם הכותרת "High permeability PEG/MXene@MOF ממברנה עם מרווח בין-שכבות יציב ועמידות עכבה יעילה לטיהור שפכים שמנים מתמשך", עם שיאנג בין כמחבר הראשון ולי ג'יאן כמתאים מְחַבֵּר.
