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“鱼鳃”立奇功：中澳科学家发明高效、防污的原油泄漏处理装置
石油是当今人类生存所需最重要的资源之一，然而在开采与运输过程中，石油泄漏事故时有发生，不仅会造成能源的浪费，也对环境造成了严重的污染。2010年英国石油公司在美国墨西哥湾租用的一个钻井平台发生爆炸，导致巨量石油泄漏，酿成一场经济和环境惨剧。据美国媒体称，此次漏油事故是美国历史上“最严重的一次”漏油事故。
墨西哥湾漏油事故后一名志愿者救助海鸟。图片来源：NBC News
用来处理石油泄漏事故的传统方法有机械收集法、吸附法、化学试剂分散法、燃烧法及生物修复法等。但这些方法的效率低，并且存在着二次污染的可能。近些年来，超浸润膜得到了快速发展，有望实现更快更廉价地分离油水两种液体。但这种依赖于重力驱动的方法，往往会出现膜的孔隙被油堵塞的情况，这使得膜在使用一段时间后效率大打折扣，甚至完全失效，无法连续使用。
最近，北京航空航天大学的田东亮（点击查看介绍）教授和澳大利亚伍伦贡大学的孙子其（Ziqi Sun）（点击查看介绍）教授等人受自然界“鱼腮”错流过滤（crossflow filtration，又称交叉流过滤）行为的启发，设计了一种亲水、倾斜的梯度膜错流分离装置，用于高效分离收集漏油。得益于这种膜选择性的阀门功能，在底部的大孔利于大量水的渗透，而顶部疏油性的小孔则利于油的运输。此外，由于水层的保护作用，这种梯度分离膜拥有极好的防污性质，可高效、连续收集漏油，非常有望应用于大面积的漏油清理。相关成果发表于ACS Nano 杂志上。
田东亮教授（左）与孙子其教授。图片来源：北航；University of Wollongong
“鱼腮”的错流过滤结构对一些鱼类的进食非常重要。这种鱼鳃里存在一种骨骼结构，越靠近喉咙深处会变得越窄越密集。当含有悬浮食物颗粒的水流入喉咙时，水会从缝隙中渗透出去，并通过腮排出体外，而食物颗粒则会进入到食道中（下图）。
鱼鳃中错流过滤结构的示意图。图片来源：ACS Nano
鱼鳃的这种结构启发了科学家，他们希望在漏油的处理中也能模拟该过程。科学家们制造了一个3厘米长的不锈钢膜。膜的一端到另一端分成五个部分，每个部分的孔径逐渐减小（从150 nm到30 nm）。并且膜上还包括Co3O4纳米片涂层，形成了很多可以锁住水的微型“口袋”，以增加膜的亲水性。然后他们将膜倾斜，大孔位于底部先与水接触，并在顶部连接控制器来推动膜，来模拟船的移动（下图）。
采用错流装置收集漏油的示意图。图片来源：ACS Nano
当驱动系统使膜通过油水混合物时，液体会沿着膜向上流动。其中的水会从膜渗透出去并沿其表面形成一层亲水层，这可以防止油堵塞膜的孔隙。位于底部的大孔可以允许水流快速通过，而位于顶部的小孔则会排斥油，这使得油可以很容易地流动到膜的最顶端，并进入到收集的容器中。虽然油有可能也会从大孔隙中渗透出来，但是重复使用该装置在污染区域进行多次清理，就可以尽可能多地收集漏油。
在实验室中模拟海上采用错流装置收集漏油。图片来源：ACS Nano
研究人员接下来在水和多种油（原油、柴油、玉米油等）的混合物中测试了这种错流装置。该装置能以每分钟50升的速率连续收集油，并且在100分钟内来回移动超过2,000次后，收集效率仅下降了1.3%-2.9%。而相比之下，将油水混合物倒入90 μm孔径的膜来测试时，膜在使用50次后就会被堵塞，无法继续使用。研究人员还表示，简单的清洗之后，这种错流装置的分离效率就能恢复如常。
错流过滤（左）与死端过滤（右）的对比。图片来源：ACS Nano
波浪或许是这一技术所面临的最大挑战，因为波浪会使得水没过装置的顶部直接进入到漏油的收集容器中，这会降低膜的效率。研究人员对此表示，或许可以通过调节膜的孔径、船的速度、膜长度和倾斜角度，来帮助抵抗汹涌的波涛。
这种能够快速、连续、高通量地收集漏油的新颖技术，给大规模漏油的处理带来了实在的希望。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Fish Gill Inspired Crossflow for Efficient and Continuous Collection of Spilled Oil
ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07918
导师介绍
田东亮
http://www.x-mol.com/university/faculty/19070
孙子其
http://www.x-mol.com/university/faculty/26538
部分内容编译自：
（本文由冰供稿）