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把大科学家图灵的巧思变为应用 浙大研制高性能薄膜

发布时间: 2018-05-04 10:28:00 来源: 浙江在线 记者曾福泉通讯员柯溢能吴雅兰

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  浙江在线5月4日讯(记者曾福泉通讯员 柯溢能 吴雅兰)浙江大学科学家发明了一种制备薄膜的新方法,使纳滤膜原本光滑的表面“长”出图灵结构,从而将这一广泛用于水处理的分离膜性能提高了3到4倍。

  图灵结构由英国著名科学家图灵在20世纪50年代提出,最早用来描述生物界一些规则重复的特殊斑图。浙大化学工程与生物工程学院张林教授团队在纳滤膜表面的这一成功尝试,是图灵结构首次从理论巧思转变为应用领域的实际构建。成果相关论文于5月4日发表于著名期刊《科学》。

  斑马的黑白条纹、海螺的旋转螺纹、植物茎叶的回旋卷曲……这些大自然中的奇妙图案有着共同的形成过程。图灵结构理论揭示,某些规则重复的自然斑图由两种特定物质(如分子、细胞等)相互反应或作用产生,通过一个被图灵称为“反应—扩散”的过程,这两种组分将会自发地自组织成斑纹、条纹、环纹、螺旋或是斑驳的斑点等结构。

  张林说,纳滤膜是通过两种反应物界面聚合制备得到,这一过程就是典型的“反应—扩散”体系。“如果能把纳滤膜做成图灵结构,就可以在膜表面提供更多让水透过的位点,大大增强膜的透水性能。”纳滤膜广泛应用于工业水回用、饮用水安全保障、雨水资源化利用和苦咸水处理等领域。提升膜的性能和效率,就能显著减少膜的消耗,降低过程成本。

  要产生图灵结构,需要两个反应物的扩散系数之差达到一个数量级以上。张林说,研究开始时,两个反应物的扩散已经一快一慢,但尚未达到产生图灵结构的要求,这就要找到方法拉大两者的差距。

  研究团队的方案是,在扩散系数小的反应物水溶液中加入阻碍反应物扩散的亲水大分子,让其扩散系数变得更小。这项工作就好比是拉住反应物的“大腿”,让它跑得更慢一点。在长时间的不断试验后,科研人员发现聚乙烯醇作为抑制反应物扩散的亲水大分子效果最好。

  有了聚乙烯醇对反应物扩散的“阻碍”作用,原本平整光滑的膜表面终于成功“长”出了图灵结构。这些致密的、具有周期性规律的图灵结构厚度只有20到30纳米,有的呈管状,有的呈泡状。在电子显微镜下,这些图灵结构仿佛是一个个半圆形的帐篷或空心管密密麻麻地覆在膜的表面。这些鼓鼓囊囊的“帐篷”增加了水穿透膜的表面积。“实验室数据表明,这种膜的分离性能比传统方法制备的膜提高了3至4倍。也就是同等条件下,透过膜的水比原先要多出3至4倍。这就大大降低了产水成本。”张林说。

  这一技术产业化前景看好。张林说:“只需在现有工艺中多一道添加聚乙烯醇的环节,几乎不用改变生产线,就能实现更高效的纳滤膜的生产。”

  本研究得到国家自然科学基金和国家重点基础研究发展计划的支持。


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