Масштабируемый и переключаемый CO2 | Конвейерная Система, ООО

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1108 (2023) Цитировать эту статью

4294 Доступа

5 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Умные мембраны с чувствительной смачиваемостью обещают возможность контролируемого разделения смесей нефти и воды, включая несмешивающиеся смеси нефти и воды и эмульсии нефти и воды, стабилизированные поверхностно-активными веществами. Однако мембраны испытывают проблемы из-за неудовлетворительных внешних раздражителей, недостаточной реакции на смачиваемость, трудностей с масштабируемостью и плохих характеристик самоочистки. Здесь мы разрабатываем стратегию самосборки капиллярной силы для создания масштабируемой и стабильной мембраны, реагирующей на CO2, для разумного разделения различных систем нефти и воды. В этом процессе сополимер, чувствительный к CO2, может гомогенно прилипать к поверхности мембраны за счет манипулирования капиллярной силой, создавая мембрану с большой площадью до 3600 см2 и превосходной смачиваемостью при переключении между высокой гидрофобностью/подводной суперолеофильностью и супергидрофильностью/подводной суперолеофобностью в условиях CO2. /N2 стимуляция. Мембрана может применяться в различных системах масло/вода, включая несмешивающиеся смеси, эмульсии, стабилизированные поверхностно-активными веществами, многофазные эмульсии и эмульсии, содержащие загрязняющие вещества, демонстрируя высокую эффективность разделения (>99,9%), возможность повторного использования и самоочищающиеся характеристики. Благодаря надежным свойствам разделения в сочетании с превосходной масштабируемостью мембрана имеет большое значение для интеллектуального разделения жидкостей.

Возможность манипулировать свойствами поверхности, например, смачиваемостью и водоотталкиванием, имеет большое значение как в фундаментальных исследованиях, так и в приложениях1,2,3,4,5. Классическим примером этого является мембранное разделение нефти и воды, при котором мембрана со специальной смачиваемостью позволяет одной фазе (например, нефти) проникать, блокируя при этом другую фазу (например, воду)6,7,8. Тем не менее, единственная и неизменная смачиваемость большинства традиционных сверхсмачивающих мембран сильно ограничивает их применение одним конкретным случаем (удаление воды или удаление масла). Учитывая сложность реальных смесей нефти и воды с сосуществованием различных типов несмешивающихся и эмульгированных смесей, разработка интеллектуальных мембран с настраиваемой смачиваемостью для применения в многотипном разделении нефти и воды весьма желательна.

Вдохновленные клеточными мембранами с чувствительными к стимулам каналами для саморегуляции массопереноса и межфазных свойств в ответ на изменения условий окружающей среды9,10, искусственные мембраны с переключаемой смачиваемостью стали новым рубежом в области интеллектуального разделения нефти и воды. По сравнению с традиционными водо- или маслоотделяющими мембранами, эти искусственные мембраны могут подвергаться структурным, морфологическим или молекулярным конформационным переключениям для настройки смачиваемости поверхности и каналов транспортировки жидкости в ответ на внешние раздражители (например, температуру, pH, электричество, свет, магнитное поле). поле или ионы); в результате достигается контролируемое разделение масла и воды. На сегодняшний день сообщалось о большой работе над искусственными мембранами с переключаемой смачиваемостью для контролируемого разделения смесей нефти и воды11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Однако некоторые сохраняющиеся проблемы остаются нерешенными. С одной стороны, большинство существующих мембран с переключаемой смачиваемостью страдают от сложных и дорогостоящих процессов изготовления (например, химической прививки и послойной самосборки)22. Эти недостатки не только препятствуют их совместимости с крупномасштабными применениями, но также приводят к редкому или неоднородному присутствию чувствительных фрагментов в мембране, что сопровождается неадекватной чувствительностью смачиваемости поверхности и недостаточной разделительной управляемостью различных эмульсий. С другой стороны, существуют серьезные ограничения в применении вышеупомянутых триггеров, включая экономические и экологические издержки, а также загрязнение продукции. Например, воздействие высокоэнергетического электричества и тепла может в определенной степени повредить систему23. Воздействия света, магнитных или механических полей страдают от ограничения глубины проникновения. При использовании pH, ионов, ферментов или окислительно-восстановительных механизмов в качестве триггеров неизбежное образование побочных продуктов, сопровождающееся повторным добавлением химических агентов, приводит к сложному и слабому циклическому процессу с низким снижением чувствительности10.

96 wt% for both chloroform/water and water/hexane systems. Despite these great advances, current CO2-responsive membranes remain effective only in separating immiscible oil-water mixtures, and the relevant research on CO2-responsive membranes for various stable emulsion systems remains unexplored. In addition, since the fabrication strategies of CO2-responsive membranes are similar to those of other stimuli-responsive membranes, some critical issues, including complex fabrication, low productivity, and difficult scale-up, remain inescapable, which means that the current fabrication strategies are only limited to the laboratory and are difficult to industrialize. Therefore, a facile and low-cost route to fabricate CO2-responsive membranes remains an elusive challenge for exploiting their application potential in complicated emulsion systems, and research efforts in this direction are critically needed./p>140° can be obtained in all PPFMs for 60 min (Fig. 2B), and with the increasing MMA/DEAEMA ratio, these WCAs show slight declination. This result could be explained by decreased DEAEMA content in the copolymer (Supplementary Fig. 16), which deteriorates the hydrophobicity of the membrane surface. After CO2 treatment, all PPFMs were endowed with a significant transition from high hydrophobicity to superhydrophilicity, with the WCA significantly decreasing from >140° to 0° (Fig. 2A, B). After removing CO2 by passing N2, the wettability of all membranes can return to the initial hydrophobic state. In comparison to previously reported stimuli-responsive membranes (Fig. 2C), PPFM exhibits the largest range of WCAs, revealing good switching surface wettability. Similar phenomena are observed in the underwater oil contact angle (UOCA) and underoil water contact angle (UWCA) of PPFM (Supplementary Fig. 17), in which switching CO2/N2 bubbling can achieve a reversible wettability transition from underwater superoleophilicity to underwater superoleophobicity. As illustrated in Supplementary Fig. 18, the smart and controllable transition between the two extreme wettability values could be repeated more than 10 times without an obvious fluctuation in the responsiveness, indicating the favorable gas-switching ability of the PPFM. This robust wettability transition can be explained by the protonation and deprotonation effects of amine groups in the PDEAEMA segments of the copolymer (Fig. 2D)29,33,37. That is, in neutral aqueous media, the initial PDEAEMA segments are in a dehydrated and chain-collapsed state, endowing the membrane surface with high hydrophobicity. Upon CO2 treatment, the collapsed PDEAEMA segments are converted into a chain-extended state due to protonation of the tertiary amine groups, making the material favorable for water capture. Subsequent N2 purging causes the stretched PDEAEMA segments to gradually deprotonate, resulting in a coiled conformation and subsequent transition of surface wettability from superhydrophilicity to high hydrophobicity. To confirm this reversible process, the variation of 1H NMR spectra of PMMA-co-PDEAEMA copolymer and in situ FTIR spectra of PPFMs under CO2/N2 stimulation were carried out as shown in Fig. 2E, F. Upon CO2 treatment in D2O and tetrahydrofuran-D8 (1:1), the chemical shifts of PDEAEMA, especially adjacent groups of N atoms (e.g., protons of ethyl groups linked to the tertiary amine group at 2.6 ppm and 2.8 ppm), gradually display a downfield shift (Fig. 2E and Supplementary Fig. 19) as a function of the reaction time; this occurred due to the decreased electron cloud density of the N atom in the amine groups caused by the protonation of amine groups38. Upon N2 bubbling, those chemical shifts were recovered to the initial state. The in situ FTIR spectra analysis (Fig. 2F and Supplementary Fig. 20) reveals that the characteristic peaks at 2400–2300 cm−1 belong to CO2, and the peaks at 3700–3600 cm−1 belong to the -OH groups of H2O, and their intensities gradually increase with increasing CO2 and H2O penetration time. After N2 is injected, these peaks gradually disappear, confirming that the peaks arise from the reversible absorption of CO2 and H2O./p>99.5% (Fig. 5B and Supplementary Fig. 34). Therefore, by altering the CO2/N2 stimulation, PPFM-0.5 can achieve efficient continuous separation of multiphase emulsion mixtures. The industrial application potential of PPFM-0.5 was also explored by studying its scalability and mechanical stability. As shown in Fig. 5C–E, a large-scale PPFM-0.5 with an area of 3600 cm2 can be successfully produced and presents stable separation performance. Supplementary Fig. 35 shows the mechanical stability of PPFM-0.5, as evaluated by tape-peeling, abrasion, ultrasonic peeling and scratch tests. As seen, the separation performance of PPFM-0.5 shows a slight fluctuation after the multicycling mechanical tests. The SEM images of the membrane after the mechanical tests are displayed in Supplementary Figs. 36–39, showing that the membrane surface morphology can remain the same after the mechanical test. The results demonstrate that PPFM-0.5 exhibits excellent mechanical stability and reusability, resisting wear and tear in practical applications./p>