دانشمندان غشاهای جداسازی نفت از آب را آماده می کنند که می تواند فاضلاب صنعت پتروشیمی و استخراج نفت و گاز را تصفیه کند.

یک مستند بی بی سی یک بار چنین حیوان جادویی را معرفی کرد که "از بیابان آب می گیرد". یک سوسک در صحرای نامیبیا زندگی می کند. پشت آنها از برجستگی های آب دوست و بسترهای فوق آبگریز تشکیل شده است که به سوسک اجازه می دهد تا رطوبت هوا را جذب کند.

هر روز صبح هوای صحرای نامیبیا پر از مه می شود. در این زمان، رطوبت اطراف سوسک توسط برجستگی های آب دوست روی بدن آن جذب می شود.

سپس رطوبت به تدریج به صورت قطرات آب روی پوسته سخت سوسک متراکم می شود. سپس، تحت اثر جاذبه، قطرات آب در امتداد پشت فوق العاده آبگریز سوسک به دهان آن می ریزند. به این ترتیب، سوسک در بیابان بسیار کم آب، آب آشامیدنی را به طرز شگفت انگیزی به دست آورد.

برای مدت طولانی، تیم پروفسور لی جیان از دانشگاه نرمال شمال غربی به مفهوم تحقیقاتی "یادگیری از طبیعت" پایبند بوده است. جداسازی نفت از آب یکی از جهت گیری های تحقیقاتی اوست. او زمانی تصور کرد: اگر ساختار منحصر به فرد سوسک صحرا با غشای فوق الئوفوبیک زیر آب ترکیب شود، آیا می توان قطرات نفت را گرفت و در زمینه جداسازی نفت از آب استفاده کرد؟

ایده او در نهایت به واقعیت تبدیل شد. چندی پیش، با الهام از "مجموعه آب در مه" سوسک صحرا، او و تیمش یک غشای جداسازی آب از روغن شبیه سوسک صحرا ساختند که "عملکرد جمع آوری روغن در آب" را دارد.

غشاء از ذرات اولئوفیل ZIF{0} آبگریز برآمده و مواد فوق‌الغازگریز زیر آب پلی اکریلونیتریل (PAN) تشکیل شده است.

هنگام جداسازی امولسیون‌های آب در روغن، ذرات آبگریز/ولئوفیل برجسته (ZIF{2}}) می‌توانند به «جمع‌آوری روغن در آب» و امولسیفیکاسیون دست یابند، در حالی که لایه زیرین غشای ابرولئوفوبیک زیر آب (PAN) نقش غربالگری را ایفا می‌کند. امولسیون تحت اثر هم افزایی این دو، اثر "تعادل" بین راندمان جداسازی و شار غشای ابرولئوفوبیک سنتی زیر آب شکسته می شود و بازده جداسازی امولسیون روغن-آب بهبود می یابد در حالی که شار جداسازی بهبود می یابد، و جداسازی کارآمد و با توان بالا امولسیون های مختلف آب در روغن و حتی امولسیون های آب در نفت خام با موفقیت به دست آمده است.

بر این اساس، تیم تحقیقاتی مکانیسم جداسازی پیشرفته "گرفتن-انباشتگی-جداسازی" غشای جداسازی نفت-آب را نشان داد.

انتظار می رود که این دستاورد چشم انداز کاربردی خاصی در تصفیه عمیق و استفاده از منابع فاضلاب روغنی داشته باشد.

به عنوان مثال، می توان از آن برای تصفیه پساب های نفتی تولید شده توسط صنایع پتروشیمی، صنایع متالورژی، صنایع نساجی، صنایع غذایی، فاضلاب شهری، نشت نفت خام، حمل و نقل کشتی ها و استخراج نفت و گاز استفاده کرد و انتظار می رود به جداسازی کارآمد و موثر دست یابد. تطهیر

این قابل درک است که کمبود منابع آب پاک ناشی از نشت نفت خام فراساحلی و تخلیه فاضلاب نفتی صنعتی یک مشکل جهانی است که ایمنی محیط زیست محیطی را به خطر می اندازد و توسعه پایدار جامعه انسانی را محدود می کند.

تصفیه عمیق و استفاده از منابع فاضلاب روغنی برای حل کمبود منابع آب، حفاظت از محیط زیست محیطی، خدمت به حفظ انرژی و کاهش انتشار و دستیابی به اهداف "کربن دوگانه" اهمیت زیادی دارد.

فناوری غشاء و فرآیندهای غشایی به عنوان یک استراتژی برای جداسازی و تصفیه فاضلاب های روغنی، دارای مزایای قابل توجهی از جمله راندمان بالا و مصرف کم انرژی است و یکی از موثرترین فناوری ها برای تصفیه پساب های روغنی به شمار می رود. از طریق غربالگری اندازه منافذ و تنظیم ترشوندگی سطح، این فناوری می تواند به جداسازی انتخابی مخلوط روغن و آب دست یابد.

با این حال، مشکل آلودگی غشایی ناشی از جذب سورفکتانت یا مسدود شدن قطرات روغن منافذ هنوز یکی از بزرگترین چالش‌های موجود در تصفیه فاضلاب روغنی است.

آلودگی روغن سطحی منجر به کاهش شار غشای جداسازی روغن از آب، کاهش راندمان جداسازی و افزایش مصرف انرژی عملیاتی خواهد شد. بنابراین، توسعه یک غشای جداسازی روغن از آب با راندمان جداسازی بالا و پایداری عملیاتی قوی ضروری است تا بتوان به تصفیه عمیق و استفاده از منابع فاضلاب روغنی دست یافت.

تیم لی جیان در پاسخ به مشکل رسوب غشایی که معمولاً توسط غشاهای جداسازی روغن از آب با آن مواجه می‌شود، با الهام از اثر خود تمیز شوندگی فلس‌های ماهی، از سال 2015 مجموعه‌ای از مواد جداسازی مانند مواد جداسازی فیلتراسیون و مواد جداسازی جذب را آماده می‌کنند. تمرکز بر مفهوم طراحی ابرآب دوستی/ابرولئوفوبیت زیر آب.

در میان آنها، مواد جداسازی فیلتراسیونی که آنها توسعه دادند می توانند به جداسازی موفقیت آمیز امولسیون های روغن-آب دست یابند. با این حال، تنها ایراد آن این است که وقتی از این نوع مواد برای تصفیه امولسیون های روغن-آب استفاده می شود، هنگامی که راندمان جداسازی بهبود می یابد، شار کاهش می یابد.

به طور خاص، با ساخت یک سطح آبدوست، آب می تواند از ساختار منافذ غشاء عبور کند و یک لایه هیدراتاسیون بر روی سطح ایجاد کند و در نتیجه از تماس بین قطرات روغن و غشای جداکننده جلوگیری کند.

غشای ساختار لایه ای که توسط مواد دوبعدی مونتاژ می شود دارای ضخامت غشای فوق نازک و نانوحفره است و نانو کانال های آن هم نفوذپذیری و هم گزینش پذیری بالایی دارند.

با این حال، با افزایش شار نفوذ، سرعت جریان نرمال بالاتری بر روی سطح غشاء ظاهر می‌شود که منجر به کاهش فاصله بین لایه‌ای غشای ساختار لایه‌ای دو بعدی می‌شود و در نتیجه شار نفوذ کاهش می‌یابد.

در عین حال، کاهش فاصله بین لایه های غشاء دو بعدی باعث می شود که لایه هیدراتاسیون بین لایه ها فشرده شود، به طوری که عملکرد ضد رسوب کاهش می یابد. بنابراین، چگونگی متعادل کردن شار نفوذ و توانایی ضد رسوب یک مشکل دشوار در تحقیق غشاهای جداسازی آب و روغن با کارایی بالا است.

به منظور حل این مشکل، تیم تحقیقاتی از نانوذرات چارچوب آلی فلزی (MOF، UiO-66-NH2) و نانوصفحات دو بعدی MXene از طریق استراتژی خودآرایی رابط برای ساخت یک غشای عملکردی با نفوذپذیری بالا استفاده کردند.

این غشای عملکردی با نفوذپذیری بالا را می توان از طریق استراتژی خود مونتاژ رابط ایجاد کرد. به طور جزئی، لایه میان‌افزایی ایجاد شده توسط نانوذرات چارچوب آلی فلزی می‌تواند فاصله لایه‌ای بین نانوصفحات دو بعدی MXene را گسترش دهد و در نتیجه شار نفوذ را بهبود بخشد.

در عین حال، نانوذرات چارچوب آلی فلزی می‌توانند از نانوصفحات MXene پشتیبانی کنند و از اکستروژن لایه غشا ناشی از سرعت جریان نرمال بالا در سطح غشاء جلوگیری کنند.

علاوه بر این، نانوذرات چارچوب آلی فلزی همچنین دارای خاصیت جذب آب و حفظ آب عالی هستند که می‌تواند سطح غشای جداسازی و لایه هیدراتاسیون لایه میان‌افکنی را پایدارتر کند، به طوری که غشای جداسازی روغن از آب دارای خواص فوق‌العاده‌گریزی و ضد رسوب در زیر آب است.

علاوه بر این، پیوندهای هیدروژنی ایجاد شده بین پلی اتیلن گلیکول (PEG) و MXene و چارچوب‌های آلی فلزی به افزایش بیشتر پایداری ساختار میان‌افکنی و بهبود بیشتر آب دوستی غشای عملکردی کمک می‌کند.

به طور کلی، به لطف ساختار بینابینی منحصر به فرد مواد غشایی دو بعدی MXene و آب دوستی و حفظ آب ذرات چارچوب آلی فلزی، این غشای جداسازی آب از روغن مزایای زیر را نشان می دهد:
اولاً، لایه هیدراتاسیون پایدار سطحی و درونی به آن توانایی ضد رسوب عالی می دهد. دوم، فاصله بین لایه ای پایدار به آن قابلیت جداسازی با شار بالا پیوسته و پایدار می دهد. سوم، دوام شیمیایی عالی نیز دارد.

با این قابلیت‌ها، نه تنها می‌تواند مشکل محدودیت‌های متقابل بین شار نفوذ و توانایی ضد رسوب غشاهای ساختاری لایه‌ای دوبعدی را حل کند، بلکه ایده‌های جدیدی را برای توسعه مواد غشایی جداسازی آب و روغن با کارایی بالا ارائه می‌کند. و تا حدی مشکل آلودگی غشایی را که توسط مواد غشایی فوق آبگریز/زیرآبی فعلی با آن مواجه است حل کند.

در نهایت، مقاله مرتبط در Journal of Materials Chemistry A با عنوان "غشای نانوفیبری کامپوزیت ZIF-8/PAN برای جداسازی بسیار کارآمد امولسیون‌های روغن در آب" با عنوان "معکوس سوسک بیابانی مانند سوسک صحرایی" با لی هائویو منتشر شد. به عنوان نویسنده اول و لی جیان به عنوان نویسنده متناظر.

این مقاله در Journal of Membrane Science با عنوان "غشاء PEG/MXene@MOF با نفوذپذیری بالا با فاصله بین لایه ای پایدار و مقاومت رسوب دهی کارآمد برای تصفیه مداوم فاضلاب روغنی" منتشر شد، با Xiang Bin به عنوان اولین نویسنده و Li Jian به عنوان متن مرتبط. نویسنده