过滤和水处理，既为人类食用和清理工业和城市生活污水，占每年释放的消费的所有电力约290万公吨二氧化碳的约13%，2到大气中每年-大约相当于地球上每个人的总重量。
处理水的最常用方法之一是使其通过具有孔的膜，所述孔的尺寸被设计成过滤掉比水分子大的颗粒。然而，这些膜容易被“污垢”或由于它们被设计成过滤的材料堵塞，需要更多的电力来迫使水通过部分堵塞的膜并经常更换膜，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的新研究以及东北大学和滑铁卢大学的合作者证明，Wyss的液体门控膜(LGMs)可以将纳米粘土颗粒从水中过滤出来，效率提高了两倍，时间延长了近三倍与传统膜相比，过滤所需的压力降低，提供了一种解决方案，可以降低石油和天然气钻井等高影响工业流程的成本和电力消耗。该研究报告在APL材料中报道。
“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LGM如何抵抗不同类型污垢的见解，这可能导致它们用于各种水处理设置“第一作者杰斯阿尔瓦伦加说，他是Wyss研究所的研究科学家。
LGM模仿大自然使用充满液体的孔来控制液体，气体和颗粒通过生物过滤器的运动，使用尽可能少的能量，就像植物叶子中的小气孔开口允许气体通过一样。每个LGM涂有液体，充当可逆门，在“闭合”状态下填充和密封其孔。当对膜施加压力时，孔内的液体被拉向两侧，形成开放的液体衬里的孔，可以调节以允许特定液体或气体通过，并且由于液体层的光滑表面而抵抗污垢。使用流体衬里的孔还能够将目标化合物与不同物质的混合物分离，这在工业液体处理中是常见的。
研究小组决定用膨润土粘土悬浮在水中测试他们的LGMs，因为这种“纳米粘土”解决方案模仿了石油和天然气行业钻井活动产生的废水。他们使用全氟聚醚(一种已在航空航天工业中使用了30多年的液体润滑剂)将25毫米标准过滤膜盘注入其中，将其转化为LGM。然后，他们将膜置于压力下以通过孔吸水，但留下纳米粘土颗粒，并将未处理的膜的性能与LGM进行比较。
未经处理的膜比LGM显示纳米粘土污垢的迹象要快得多，并且LGM能够比标准膜过滤水的时间长三倍，然后需要“反洗”程序去除积聚在膜上的颗粒。较不频繁的反洗可以转化为减少使用清洗化学品和泵送反冲洗水所需的能量，并提高工业水处理环境中的过滤速率。
虽然LGM最终确实经历了结垢，但它们在过滤期间在其结构内累积的纳米粘土的量减少了60%，这被称为“不可逆污垢”，因为它不会通过反洗去除。这一优势使LGM具有更长的使用寿命，并且可以将更多的滤液用于其他用途。此外，LGMs需要16%的压力来启动过滤过程，从而进一步节省能源。
“LGMs有潜力用于各种行业，如食品和饮料加工，生物制药制造，纺织，造纸，纸浆，化工和石化，并可以在广泛的工业应用中提高能源使用和效率，”通讯作者Joanna Aizenberg，博士，是Wyss研究所的创始核心教员和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的材料科学Amy Smith Berylson教授。
该团队接下来的研究步骤包括与行业合作伙伴进行更大规模的试点研究，LGM的长期运行，以及过滤更复杂的物质混合物。这些研究将深入了解LGM在不同应用中的商业可行性，以及它们在许多用例中的持续时间。
“使用液体来帮助过滤其他液体的概念虽然对我们来说可能并不明显，但在本质上却很普遍。很高兴看到以这种方式利用大自然的创新可能会带来巨大的节能效果，”Wyss创始总监唐纳德说。 Ingber，MD，Ph.D。，同时也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及SEAS的生物工程教授。