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來自樹葉的啟發(fā),梯度槽耦合表面實(shí)現(xiàn)高效油水分離

更新時(shí)間:2025-06-04點(diǎn)擊次數(shù):51

隨著工業(yè)發(fā)展,有機(jī)廢水非法排放導(dǎo)致含油污水激增,因此,研發(fā)高效油水分離技術(shù)成為環(huán)保領(lǐng)域的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)方法依賴如磁力、電力驅(qū)動等外部能源驅(qū)動,存在成本高、設(shè)備復(fù)雜等局限。然而,自然界中銀杏葉溝槽和松針錐形等生物結(jié)構(gòu)卻能巧妙利用物理特性實(shí)現(xiàn)液滴自驅(qū)動輸運(yùn),這一現(xiàn)象為新型分離技術(shù)的研發(fā)提供了創(chuàng)新靈感。

近日,魯東大學(xué)陳雪葉教授團(tuán)隊(duì)受自然界啟發(fā),將松針的錐形結(jié)構(gòu)與銀杏葉的溝槽結(jié)構(gòu)相結(jié)合,利用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)技術(shù)制備了仿生耦合錐梯度溝槽(BCGG),實(shí)現(xiàn)油滴在無外部能源下的逆重力自驅(qū)動輸運(yùn)。該結(jié)構(gòu)通過拉普拉斯壓力與毛細(xì)力協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)了油滴的自驅(qū)動、跨界面高效運(yùn)輸,最大運(yùn)輸速度達(dá)55.2 mm/s,是傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)的11倍,為油水分離領(lǐng)域提供了新的思路和方法。

相關(guān)成果以“Microdroplet self-driven transport on the surface with bionic coupled cone-gradient groove"發(fā)表于國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》上?;艟w堯副教授和2023級研究生陳鑫坤為共同第一作者,陳雪葉教授為通訊作者。

(1)本研究將松針的錐形結(jié)構(gòu)與銀杏葉表面的溝槽結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,設(shè)計(jì)了一種新型的仿生錐形-梯度槽耦合表面,具體的設(shè)計(jì)理念來源和外觀形貌如圖1a所示,并通過摩方精密nanoArch® P150(精度:25 μm)3D 打印系統(tǒng)打印出BCGG結(jié)構(gòu)。隨后將樣品放入處理好的化學(xué)溶液中浸泡涂覆二氧化硅顆粒,最后放入真空干燥箱中干燥12小時(shí)得到最終的樣品(圖1b)。

圖1. BCGG的設(shè)計(jì)與制造。(a)仿生錐形梯度槽耦合面的設(shè)計(jì)。(b)BCGG的制造過程。

(2)通過測試7°、9°、11°、13°、15° 五種錐角的BCGG逆重力輸油性能,發(fā)現(xiàn)在錐角為11° 時(shí),平均運(yùn)輸速度最快(21.37 mm/s),因該角度下錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓力與溝槽結(jié)構(gòu)的毛細(xì)力協(xié)同作用最佳,錐角過小或過大均會導(dǎo)致驅(qū)動力不足。同時(shí),傾斜角度對輸運(yùn)速度有顯著影響,隨傾斜角度從0° 增至30°,油滴運(yùn)輸速度從44.6 mm/s 降至25.1mm/s,因重力垂直分量增大導(dǎo)致阻力增加。機(jī)理分析表明,油滴接觸結(jié)構(gòu)后在毛細(xì)力作用下形成油膜減小阻力,同時(shí)拉普拉斯力驅(qū)動油滴逆重力向上,沿梯度溝槽運(yùn)輸至吸油海綿(圖2)。

圖2. BCGG結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。(a)不同頂角的BCGG示意圖。(b)不同頂角的BCGG在初始時(shí)刻將油滴輸送到水下的圖像。(c)實(shí)際捕獲的圖像,時(shí)間為0.82秒。(d)不同頂角α的BCGG抗重力(2µL)輸送油滴的速度。(e)BCGG輸送油滴的機(jī)制圖。(f)不同傾斜角β(α=11)下BCGG輸送油滴的速度。

(3)在固定錐角為11°的情況下,研究溝槽數(shù)量(2-5 個)對輸油性能的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)隨著溝槽數(shù)量增加,使得橫截面積增大、有效長度減小、毛細(xì)力減弱,油滴運(yùn)輸速度不僅下降,且無溝槽圓錐無法完成運(yùn)輸。因此,2-BCGG具有最長的有效長度、優(yōu)異的毛細(xì)力性能,從而展現(xiàn)出最佳輸運(yùn)效率。對于不同體積油滴,2-BCGG對6 µL油滴仍保持9.1 mm/s速度,10 µL油滴可在8.45 s內(nèi)完成運(yùn)輸,展現(xiàn)了大體積油滴輸運(yùn)能力。不同傾斜角度下,2-BCGG速度始終優(yōu)于其他結(jié)構(gòu),在錐角為30°時(shí),油滴速度是傳統(tǒng)無溝槽錐形結(jié)構(gòu)的11 倍,且連續(xù)五個周期測試顯示其輸運(yùn)性能穩(wěn)定,重復(fù)性良好。

圖3. BCGG結(jié)構(gòu)參數(shù)及傳輸特性。(a)不同溝槽(2-BCGG、3-BCGG、4-BCGG、5-BCGG和無溝槽錐體)的BCGG實(shí)物圖和橫截面。(b)不同溝槽(4µL)的BCGG在重力作用下的向上油滴傳輸速度。(c)不同體積油滴在重力作用下2-BCGG的傳輸速度。(d) 2-BCGG在水下傳輸大體積油滴。(e)不同溝槽的BCGG在不同傾角下的油滴傳輸速度。(f)不同溝槽的BCGG在連續(xù)五個周期內(nèi)水下傳輸油滴的速度。

(4)通過對比2-BCGG、無溝槽圓錐、溝槽圓柱和無溝槽圓柱的輸油性能,揭示BCGG的驅(qū)動機(jī)理:2-BCGG的驅(qū)動力為錐形結(jié)構(gòu)的拉普拉斯壓力(FL)和梯度槽的毛細(xì)力(FC),阻力包括重力(FG)、滯后力(FH)和拖曳力(FD),合力(F=FL+FC?FH?FD?FG)使油滴逆重力運(yùn)輸。無溝槽圓錐僅依賴FL,合力不足導(dǎo)致油滴停滯中途;溝槽圓柱僅靠 FC 形成細(xì)流,速度緩慢;無溝槽圓柱無驅(qū)動力,油滴聚集底部。公式推導(dǎo)和受力分析表明,F(xiàn)L與油滴體積、錐角及表面張力差相關(guān),F(xiàn)C取決于溝槽幾何和接觸角,兩者協(xié)同作用使2-BCGG具備高效輸運(yùn)能力。

圖4. 不同結(jié)構(gòu)的傳輸機(jī)制對比。(a)2-BCGG過程及水下抗重力油滴傳輸示意圖。(b)無槽錐體水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。(c)有槽圓筒水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。(d)無槽圓筒水下抗重力油滴傳輸過程圖及示意圖。

(5)BCGG在多相環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異輸油性能:空氣中,2-BCGG可在57.17 s 內(nèi)運(yùn)輸1 µL油滴,傳統(tǒng)錐形結(jié)構(gòu)無法完成;在液 - 氣跨界面場景中,2-BCGG能將油滴從水下拉至水面并運(yùn)輸至根部,而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)油滴停滯界面。組裝體實(shí)驗(yàn)顯示,隨BCGG數(shù)量從2個增至5個,2 µL和15 µL油滴分離時(shí)間分別從0.58 s、0.86 s 降至 0.15 s、0.37 s,接觸面積和溝槽數(shù)的增加提升了油滴分離的效率?;贐CGG設(shè)計(jì)的水下自驅(qū)動集油裝置,無需外部能量,可捕獲油滴并輸至吸油海綿,1 小時(shí)內(nèi)分離約5 ml 油,適用于石油泄漏收集、有機(jī)廢水處理等場景,展現(xiàn)廣闊應(yīng)用前景。

圖5. 2-BCGG的多種應(yīng)用。(a)2-BCGG與未加工錐體在空氣中的油傳輸性能對比。(b)2-BCGG與未加工錐體在液氣界面處的抗重力油傳輸性能對比。(c)油滴在界面處傳輸機(jī)制示意圖。(d)不同體積油滴分離時(shí)間與2-BCGG組件數(shù)量的關(guān)系。(e)2-BCGG陣列收集微小油滴的示意圖。(f)油水混合物、收集的油、分離出的水、用紅色染色的油。

總結(jié):

本研究通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印技術(shù)結(jié)合,開發(fā)了兼具高效傳輸與環(huán)境適應(yīng)性的BCGG表面,為復(fù)雜環(huán)境下的油滴收集提供了新策略。其自驅(qū)動、無能耗的特性在海洋漏油回收、有機(jī)廢水處理等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來可進(jìn)一步拓展至微流控芯片、生物傳感等場景,推動仿生功能材料的實(shí)際應(yīng)用。