スケーラブルで切り替え可能な CO2 | 株式会社コンベアシステム

Nature Communications volume 14、記事番号: 1108 (2023) この記事を引用

4294 アクセス

5 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

応答性の高い湿潤性を備えたスマートな膜は、非混和性の油水混合物や界面活性剤で安定化された油/水エマルジョンなどの油/水混合物を制御可能に分離するのに有望です。しかし、膜は外部からの刺激が不十分であったり、濡れ性の応答性が不十分であったり、拡張性が難しかったり、自己洗浄性能が劣ったりするという課題があります。ここでは、さまざまな油/水システムをスマートに分離するための、拡張可能で安定した CO2 応答性膜を構築するための、毛細管力駆動の閉じ込め自己組織化戦略を開発します。このプロセスでは、CO2応答性共重合体が毛細管力を操作することで膜表面に均一に付着し、最大3600cm2の大面積とCO2下での高疎水性/水中超親油性と超親水性/水中超疎油性の優れた切り替え濡れ性を備えた膜を生成します。 /N2刺激。この膜は、不混和混合物、界面活性剤で安定化されたエマルション、多相エマルション、汚染物質を含むエマルションなどのさまざまな油/水システムに適用でき、高い分離効率 (>99.9%)、リサイクル可能性、およびセルフクリーニング性能を実証します。この膜は、堅牢な分離特性と優れた拡張性により、スマートな液体分離に大きな影響を与えます。

濡れ性や撥液性などの表面特性を操作できることは、基礎研究と応用の両方において非常に重要です1、2、3、4、5。この古典的な例は、膜ベースの油水分離です。この分離では、特殊な湿潤性を備えた膜により、一方の相 (たとえば、油) が浸透し、もう一方の相 (たとえば、水) がブロックされます 6、7、8。それにもかかわらず、ほとんどの従来の超湿潤膜の湿潤性は単一で変更不可能であるため、その用途は 1 つの特定のケース (水の除去または油の除去) に厳しく制限されていました。異なる種類の非混和性および乳化混合物の共存による実際の油/水混合物の複雑さを考慮すると、マルチタイプの油/水分離に適用するための調整可能な湿潤性を備えたスマート膜の開発が強く望まれています。

環境条件の変化に応じて物質移動と界面特性を自己調節するための刺激応答性チャネルを備えた細胞膜にヒントを得て、湿潤性を切り替えられる人工膜は、インテリジェントな油水分離の分野における新たなフロンティアとなっています。従来の水除去膜または油除去膜と比較して、これらの人工膜は、外部刺激（温度、pH、電気、光、磁気など）に応じて、構造的、形態学的、または分子構造のスイッチを受けて、表面の湿潤性と液体輸送チャネルを調整することができます。フィールドまたはイオン); その結果、制御可能な油/水分離が達成されます。現在までに、油/水混合物の制御可能な分離を目的とした、湿潤性を切り替え可能な人工膜に関する多くの研究が報告されています11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21。ただし、いくつかの根深い課題は未解決のままです。一方で、既存の湿潤性を切り替え可能な膜のほとんどは、複雑で高価な製造プロセス (化学グラフト化や層ごとの自己組織化など) に悩まされています 22。これらの欠点は、大規模用途への適合性を妨げるだけでなく、膜内に応答部分がまばらまたは不均一に存在することにもつながり、これにより、表面濡れ性の応答性が不十分になり、さまざまなエマルションの分離制御性が不十分になります。一方で、前述のトリガーを適用するには、経済的、環境的コスト、製品の汚染などの大きな制限があります。たとえば、高エネルギーの電気や熱の刺激は、システムにある程度の損傷を与える可能性があります23。光、磁場、または機械的場の刺激には、侵入深さの制限があります。 pH、イオン、酵素、または酸化還元をトリガーとして使用する場合、化学薬品の繰り返し添加に伴う副産物の必然的な生成により、感度の低下を伴う複雑で弱いサイクルプロセスが生成されます10。

96 wt% for both chloroform/water and water/hexane systems. Despite these great advances, current CO2-responsive membranes remain effective only in separating immiscible oil-water mixtures, and the relevant research on CO2-responsive membranes for various stable emulsion systems remains unexplored. In addition, since the fabrication strategies of CO2-responsive membranes are similar to those of other stimuli-responsive membranes, some critical issues, including complex fabrication, low productivity, and difficult scale-up, remain inescapable, which means that the current fabrication strategies are only limited to the laboratory and are difficult to industrialize. Therefore, a facile and low-cost route to fabricate CO2-responsive membranes remains an elusive challenge for exploiting their application potential in complicated emulsion systems, and research efforts in this direction are critically needed./p>140° can be obtained in all PPFMs for 60 min (Fig. 2B), and with the increasing MMA/DEAEMA ratio, these WCAs show slight declination. This result could be explained by decreased DEAEMA content in the copolymer (Supplementary Fig. 16), which deteriorates the hydrophobicity of the membrane surface. After CO2 treatment, all PPFMs were endowed with a significant transition from high hydrophobicity to superhydrophilicity, with the WCA significantly decreasing from >140° to 0° (Fig. 2A, B). After removing CO2 by passing N2, the wettability of all membranes can return to the initial hydrophobic state. In comparison to previously reported stimuli-responsive membranes (Fig. 2C), PPFM exhibits the largest range of WCAs, revealing good switching surface wettability. Similar phenomena are observed in the underwater oil contact angle (UOCA) and underoil water contact angle (UWCA) of PPFM (Supplementary Fig. 17), in which switching CO2/N2 bubbling can achieve a reversible wettability transition from underwater superoleophilicity to underwater superoleophobicity. As illustrated in Supplementary Fig. 18, the smart and controllable transition between the two extreme wettability values could be repeated more than 10 times without an obvious fluctuation in the responsiveness, indicating the favorable gas-switching ability of the PPFM. This robust wettability transition can be explained by the protonation and deprotonation effects of amine groups in the PDEAEMA segments of the copolymer (Fig. 2D)29,33,37. That is, in neutral aqueous media, the initial PDEAEMA segments are in a dehydrated and chain-collapsed state, endowing the membrane surface with high hydrophobicity. Upon CO2 treatment, the collapsed PDEAEMA segments are converted into a chain-extended state due to protonation of the tertiary amine groups, making the material favorable for water capture. Subsequent N2 purging causes the stretched PDEAEMA segments to gradually deprotonate, resulting in a coiled conformation and subsequent transition of surface wettability from superhydrophilicity to high hydrophobicity. To confirm this reversible process, the variation of 1H NMR spectra of PMMA-co-PDEAEMA copolymer and in situ FTIR spectra of PPFMs under CO2/N2 stimulation were carried out as shown in Fig. 2E, F. Upon CO2 treatment in D2O and tetrahydrofuran-D8 (1:1), the chemical shifts of PDEAEMA, especially adjacent groups of N atoms (e.g., protons of ethyl groups linked to the tertiary amine group at 2.6 ppm and 2.8 ppm), gradually display a downfield shift (Fig. 2E and Supplementary Fig. 19) as a function of the reaction time; this occurred due to the decreased electron cloud density of the N atom in the amine groups caused by the protonation of amine groups38. Upon N2 bubbling, those chemical shifts were recovered to the initial state. The in situ FTIR spectra analysis (Fig. 2F and Supplementary Fig. 20) reveals that the characteristic peaks at 2400–2300 cm−1 belong to CO2, and the peaks at 3700–3600 cm−1 belong to the -OH groups of H2O, and their intensities gradually increase with increasing CO2 and H2O penetration time. After N2 is injected, these peaks gradually disappear, confirming that the peaks arise from the reversible absorption of CO2 and H2O./p>99.5% (Fig. 5B and Supplementary Fig. 34). Therefore, by altering the CO2/N2 stimulation, PPFM-0.5 can achieve efficient continuous separation of multiphase emulsion mixtures. The industrial application potential of PPFM-0.5 was also explored by studying its scalability and mechanical stability. As shown in Fig. 5C–E, a large-scale PPFM-0.5 with an area of 3600 cm2 can be successfully produced and presents stable separation performance. Supplementary Fig. 35 shows the mechanical stability of PPFM-0.5, as evaluated by tape-peeling, abrasion, ultrasonic peeling and scratch tests. As seen, the separation performance of PPFM-0.5 shows a slight fluctuation after the multicycling mechanical tests. The SEM images of the membrane after the mechanical tests are displayed in Supplementary Figs. 36–39, showing that the membrane surface morphology can remain the same after the mechanical test. The results demonstrate that PPFM-0.5 exhibits excellent mechanical stability and reusability, resisting wear and tear in practical applications./p>