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梯度微结构的净水膜制成新一代“过滤纸”

发布时间:2016-03-16来源:浙大新闻办作者:柯溢能浏览次数:18751


    净水装置,在今天已经不是什么稀罕的物件了。但对于一般非专业人士来说,引起关注和兴趣的,往往是一幅一目了然的商品宣传画。在这一点上,歪果仁比较强。其中的科学原理很少媒体进行科普式的解读。这一点上,也是歪果仁比较强。那么,我们中果仁没有么?其实不然。今天,我们把这个“神器”拆了,借电子显微镜的“眼”,看看中果仁是怎么做的。
    
    浙大高分子系黄小军副教授新近研发的一款净水器,给出水原理就像自行车打气一样简单,轻松将户外水源转化为安全直饮水。
    
    在家用净水器并不鲜见的当下,这款中国“智造”的户外净水器悄然改变了市场格局,其核心竞争优势并不是因为它的机械结构,而在于黄小军副教授研究团队实现的国产化的滤芯组件——超低压下过滤、大通量产水、净化效果优异的“过滤纸”。
    
    这种“过滤纸”,无论从颜色还是外观,就像是“拉面”,但放大在电子显微镜下,图像是这样的:


    
梯度微孔结构的净水中空纤维膜截面图


    这个学名为“梯度微孔结构的净水中空纤维膜”,它的工作原理是水源从外壁迅速进入,过滤后由内壁渗出收集成净化水。这种外压式的过滤模式,可将户外水源中的各种杂质都截留在致密的管壁之外。团队的伙伴们画了这样一幅解说图:


    
    
梯度微孔结构的净水中空纤维膜过滤示意图


    在中空纤维膜这种特殊“过滤纸”的制作工艺中,首先特殊在添加了亲水组分。这类助剂可以在过滤水的过程中开启捕获功能,“伸手抓取”水分子进入膜内。与此同时,研发团队还提高了“抓取”水分子的效率和数量。黄小军说:“通过反复试验对比,我们最终通过梯度温控和微张力反馈技术,制造出具有国际顶尖水平的梯度微孔结构的净水中空纤维膜,实现更快速、更轻易的过滤净化过程。”
    
    研发团队通过梯度温控技术在膜的制备过程中“吹出”不同大小的“微气泡”,并在微张力反馈技术牵引下将“微气泡”按大小排列成外密内疏的阶梯式分布,最终形成梯度微孔结构。这样一来,密度较大的致密外壁可以截留水中杂质并保持膜的机械强度,而疏松的内壁则可以最快将水迅速排出,提高过滤水流量,提高净化效率。
    
    梯度微孔结构的净水中空纤维膜制备好后,科学家们将它们化零为整,集成膜束,曲折成180度置于滤芯底部。这种倒U型结构,使进入滤芯的水源能够与中空纤维膜充分接触并凭借自重从底部流出。滤芯底部的膜束之间使用封胶层密封,隔开进水与出水的交互污染。为了确保整个滤芯组件更安全高效的运作,在膜滤芯组件前置过滤中,还加入了纳米碳纤维材料吸附净化方式,进一步改善水质与饮用水口感。


    
    
梯度微孔结构的净水中空纤维膜制成滤芯的结构图


    “膜”的研究和制备,一直是浙江大学高分子学科领域的强项,并以前端基础研究推动着我国膜产业的发展。这次应用于净水器的梯度微孔结构净水中空纤维膜,其过滤精度可达0.03微米,远远小于自然水源中的最大威胁——细菌的直径,完全保证净化水的安全性。目前,“梯度微孔结构干态超亲水中空纤维膜”这一研究成果,通过了“十二五”水重大专项“863”项目总体专家技术鉴定,并推选为年度“863”项目技术亮点成果,目前已经进入规模化生产。在供给侧结构性改革的当下,拥有浙大“芯”的中国品牌净化器,不仅可以为户外爱好者提供清洁可靠的取水方式,未来还将在重大自然灾害中提供安全的户外直饮器。
    
    (柯溢能)