液控膜可高效过滤水，延长污垢发生时间

液控膜（白色，左侧）提供了一种从液体中过滤物质的更经济，能源消耗更少的方法，因为其特殊涂层的多孔表面（右侧，SEM图像）可以防止积聚，并且可以进行调整以允许特定颗粒的形成。要通过的大小。

过滤和处理水，既用于人类消费，也用于清洁工业和市政废水，约占美国总用电量的13％，每年向大气中释放约2.9亿公吨的二氧化碳-大约等于总重量地球上每个人的生命

处理水的最常见方法之一是使水通过带有孔的膜，该孔的大小可过滤掉比水分子大的颗粒。但是，这些膜容易被“污垢”污染（被设计用来过滤的材料堵塞），需要更多的电力来迫使水通过部分被堵塞的膜并频繁更换膜，这两者都增加了水处理成本。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所以及东北大学和滑铁卢大学的合作者的最新研究表明，Wyss的液控膜（LGMs）可以将水中的纳米粘土颗粒过滤效率提高两倍，时间长近三倍。污垢，并降低常规膜上过滤所需的压力。该解决方案可以降低高影响力的工业流程（例如，石油和天然气钻探）的成本和电力消耗。该研究报道在APL材料中。

“这是第一项证明LGM可以在类似于重工业的环境中实现持续过滤的研究，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中的应用Wyss Institute的研究科学家杰克·阿尔瓦伦加（Jack Alvarenga）说。

LGM模仿自然界中充满液体的孔隙的使用，以使用尽可能少的能量来控制液体，气体和颗粒通过生物过滤器的运动，就像植物叶片上的小气孔可以让气体通过一样。每个LGM均涂有液体，该液体充当可逆的浇口，在“封闭”状态下填充并密封其孔。当对膜片施加压力时，孔内部的液体被拉到侧面，形成开放的，衬有液体的孔，可以对其进行调整以允许特定的液体或气体通过，并且由于液层的光滑性而防止结垢表面。使用流体衬里的孔还可以从不同物质的混合物中分离出目标化合物，这在工业液体加工中很常见。

研究小组决定在膨润土在水中的悬浮液上测试LGM，因为这种“纳米粘土”解决方案模拟了石油和天然气行业钻井活动产生的废水。他们在标准滤膜的25毫米圆盘上注入了全氟聚醚（一种已在航空航天工业中使用了30多年的液体润滑剂），以将其转化为LGM。然后，他们将膜置于压力下，以使水穿过孔，但留下纳米粘土颗粒，并将未处理的膜与LGM的性能进行了比较。

未经处理的膜显示出纳米粘土结垢的迹象要比LGM快得多，并且LGM能够过滤水的速度是标准膜的三倍，而无需执行“反冲洗”程序以去除积聚在膜上的颗粒。较少的反冲洗次数可以减少使用清洁化学品和泵送反冲洗水所需的能量，并提高工业水处理设备中的过滤率。

尽管LGM最终确实会结垢，但在过滤过程中纳米粘土在其结构中的积聚减少了60％，这种积聚被称为“不可逆结垢”，因为它不会被反洗去除。这一优点使LGM的使用寿命更长，并使更多的滤液可回收用于其他用途。此外，LGM所需的压力降低了16％以启动过滤，从而进一步节省了能源。

“ LGM具有在食品和饮料加工，生物制药，纺织，造纸，纸浆，化学和石油化工等行业中使用的潜力，并可以在广泛的工业应用中改善能源使用和效率。”通讯作者乔安娜·艾森伯格（Joanna Aizenberg）是威斯学院（Wyss Institute）的创始核心教员，也是哈佛·约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的艾米·史密斯·贝里尔森（Amy Smith Berylson）材料科学教授。

该小组的下一步研究包括与行业合作伙伴进行大规模的试点研究，LGM的长期运行以及过滤甚至更复杂的物质混合物。这些研究将为LGM在不同应用中的商业可行性以及它们在多种用途中可持续使用的时间提供见识。

“使用液体帮助过滤其他液体的概念虽然对我们来说也许并不明显，但它在自然界很普遍。Wyss创始董事唐纳德·英格伯（Donald Ingber）说道，他是哈佛医学院医学院的犹大Folkman教授以及波士顿儿童医院的血管生物学计划的负责人以及SEAS的生物工程学教授。

该论文的其他作者包括东北大学的Yuki Ainge；以及滑铁卢大学的Chris Williams和Aubrey Maltz；哈佛大学威斯学院的汤姆·布拉夫（Tom Blough）和穆吉斯·汗（Mugheses Khan）。

出版物：Jack Alvarenga等人，“无机颗粒悬浮液的液控膜过滤性能”，APL Materials 6，100703（2018）； https://doi.org/10.1063/1.5047480