液体门控技术：面向碳中和背景下的节能环保应用_余诗洁.pdf

随着全球工业生产的高速发展，化石燃料（如石油、煤等）被大规模使用，这不仅加速了不可再生能源的消耗，还导致 CO2的大规模排放，使大气层内CO2含量急剧增加，阻碍地球的热量散失，造成全球变暖。全球变暖不仅会造成冰川融化、海平面上升，还会打破生态系统的平衡，增加极端天气出现频率，导致心血管和呼吸系统等疾病的发病率显著上升，同时增加疾病传播和扩散的风险，对人类和动植物的正常生存产生威胁。2020 年联合国大会期间，我国宣布“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和。”碳中和指一段时间内，特定组织或整个社会活动产生的 CO2，通过植树造林、海洋吸收、工程封存等自然、人为手段被吸收和抵消掉，实现人类活动 CO2相对“零排放”。当前面向碳中和下的节能环保技术有很多：提高能源效率：如建筑节能、工业能效提高和车辆节能科技等。发展可再生能源：如太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等。建筑环保：包括绿色建筑、低碳建筑和生态建筑等。垃圾处理和资源回收：包括垃圾分类、垃圾焚烧、垃圾填埋和回收再利用等。水资源管理：包括节水技术、污水处理技术、再生水利用技术等。碳捕捉和封存：这是一项用于减少 CO2排放的技术，包括碳捕捉、转化和储存。这些技术的应用不仅可以减少 CO2排放，还能提高能源效率，促进资源循环利用，改善环境质量。液体门控技术作为一种新兴技术正在蓬勃发展，并与工业能效提高、碳捕捉和封存、绿色建筑等碳中和下的节能环保技术交叉融合1，有利于进一步实现碳中和目标。液体门控技术是液体借助毛细力与微尺度孔道固体材料稳定复合，形成一种被液体封闭的孔道结构。在外部压力驱动下封闭的液体通过可逆开启，在固体孔道内壁形成有液体层包裹的通路，从而起到“液体门”的作用2。通过对微尺度孔道固体材料和门控液体两大组成部分的设计，可开发出全新的液体门控系统。随着研究的不断深入，其节能减阻、自适应调节、智能响应等性能优势逐渐凸显。在碳中和下的节能环保应用领域的液体门控技术，目前包括节能减阻的液体门控乳化系统、液体门控 CO2智能阀门系统，以及具有温度自适应性的液体门控温室大棚等。余诗洁，博士：厦门大学化学化工学院；雷津美，博士后：厦门大学化学化工学院；侯雅琦，助理教授：厦门大学柔性电子（未来技术）研 究院；侯旭，教授：厦门大学化学化工学院、固体表面物理化学国家重点实验室、物理科学与技术学院，厦门 361005。Yu Shijie,Doctoral Candidate:College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University;Lei Jinmei,Postdoctor:College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University;Hou Yaqi,Assistant Professor:The Institute of Flexible Electronics(IFE,Future Technologies),Xiamen University;Hou Xu,Professor:College of Chemistry and Chemical Engineering,State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces,College of Physical Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005.液体门控技术：面向碳中和背景下的节能环保应用 余诗洁 雷津美 侯雅琦 侯 旭受自然界动物体内肺泡中的库氏孔结构启发，中国科学家将液体作为动态结构材料引入固体多孔基质中发展出液体门控技术。近年来，该技术已广泛应用于生物医药、物质检测、多相分离、石油化工等领域，尤其在碳中和背景下的节能环保领域展现出广阔的发展前景。“液体门控技术”专题专 题SPECIAL TOPIC 9WeChat:kexuemag节能 减 阻 的 液体门控乳化系统乳状液广泛应用于食品工业、日用化学、生物医学、石油化工、3D 打印等领域，是一种液体以液珠形式分散在与之不相溶的另一种液体中而形成的分散体系。例如油与水混合时，自然情况下密度小的油在上层，密度大的水在下层，通过一定的手段使油被分散在水中，形成乳状液，该过程就叫乳化。乳化技术通常可分为非接触式和接触式。在非接触式中，超声法最为常用，通过超声波对液体的空化作用（液体中的微气核空化泡在声波作用下振动，声压达到一定值时气泡会发生生长或崩溃）使液体形成乳状液，但是该过程需要消耗大量的能量，此外大部分能量易转变为热量耗散到环境中，同时耗散热量引起的温度升高又会导致乳状液内一些温度敏感的生物活性成分（如酶、细菌和蛋白质）结构发生变化甚至失活。在接触式乳化方法中，通常包含涡旋混合、均质、膜乳化、微流控等。在这些制备方法中，膜乳化方法因其能耗较低而被广泛研究。膜乳化是在压力作用下将分散相（乳状液中以液滴形式存在的物质）透过膜孔在另一侧膜表面形成液滴,在流动的连续相（乳状液中连成一片的物质）的冲刷下从膜表面剥离,形成粒径均一的乳状液。液体在压力的驱使下通过固体孔道形成小液滴，但固液界面粗糙度高、相互作用较强等因素使得过膜阻力较大，因此依旧需要较高能耗来提供足够的过膜压强。此外，膜乳化过程容易造成固体膜材料表面及内部的污染或结垢，大大降低生产效率，甚至导致乳化膜材料失效。降低膜乳化过程中的能耗并提升乳化膜材料的抗污染性能是一个巨大的挑战。针对膜乳化过程中的问题，采用基于液体门控技术的节能减阻液体门控乳化机制就能很好解决3。由于固体材料表面具有一定的粗糙度，增大了分散相液体通过固体界面进入流动相的阻力，因此跨膜压强较高。在液体门控乳化系统中，门控液体包裹在固体材料表面，提供了分子级平整光滑的液液界面，大大降低了液体通过液体门控膜体系的阻力，跨膜压强显著降低。以油水两相的混合为例。初始时，油水两相由于分相具有最低的能量状态，为使它们混合形成乳状液，需要外部的能量输入以克服能垒使油水两相达到高能量状态。对于膜乳化系统，需要较高的能量输入来克服来自固液界面的高阻力；对于液体门控乳化系统，只需要较低的能量输入便能克服来自液液界面的低阻力。与膜乳化相比，液体门控乳化系统能节约 14 个数量级的能耗，并且液体门控乳化系统制备速度更快，体现出其节能性和高效性。液体门控乳化机制还可以通过改变流速、孔径、表面活性剂浓度等，对乳状液滴的粒径进行精准调控。在两相酶催化领域，能够为乳状液中对温度敏感的生物活性成分（如脂肪酶）提供舒适的反应环境，有效避免它们因暴露在高温而失活，从而保证较高的酶催化活性。此外，在材料制备和药物释放等领域，能够显著降低乳化过程中的能耗，并能高效制备粒径均匀的液滴。从而有效地解决了现有乳化技术中能耗高、效率低等问题，助力全球乳状液市场面向碳中和的转型与发展，并为化妆品、农药、涂料、医药、材料等领域带来更大的经济价值。SCIENCE102023 年 3 月|75 卷 2 期膜乳化与液体门控乳化的节能机制对比液体门控乳化与膜乳化过程中的耗能和乳化速度对比膜乳化液体门控乳化油液体流向100 微米100 微米水减阻门控液体两种方式形成的油滴实物照油水两相水包油膜乳化乳化时间能 量节约能量液体门控乳化液体门控 CO2智能阀门系统为实现碳中和，既要减少 CO2排放，又要增加对其的吸收。减少CO2排放的一个有效途径是捕获和储存 CO2，涉及收集和分离 CO2的技术。开发对 CO2进行智能调节的气体控制系统将有助于 CO2的收集和分离。目前市场上的 CO2气阀（控制 CO2气体进出的部件）主要是膜片式和活塞式。传统气阀的零件精度和大小受到制约，稳定性差且不能随真实环境的动态变化进行适应性调整。开发具有可调多相选择性、高防污性能、稳定性高和气密性好等优势的 CO2气阀，将有助于 CO2的捕获和储存。基于液体门控技术开发了质子化诱导的液体门控 CO2智能阀门系统4，将一种具有表面活性的聚合物 由聚（丙二醇）双 2-（氨基丙基醚）和油酸合成 溶于去离子水，作为门控液体浸润于尼龙膜内，制备成质子化诱导的液体门控智能系统。当空气、氮气、氧气和氩气等通过液体门控膜时，聚合物分子链分布在气体门控液体界面，起到类似表面活性剂的作用，降低了界面张力，液体门控处于打开状态；而当 CO2气体通过液体门控时，部分 CO2在水中形成碳酸根离子，提高水溶液中质子浓度，导致聚合物分子发生质子化而失去表面活性，此时界面张力增加，液体门控处于关闭状态。该项研究打破了基于物理机理的气阀不能对不同气体特异性识别的缺陷，利用化学机理的气阀控制CO2气流，可用于工业废气处理。工业废气中 CO2浓度增加时，门控系统界面上具有表面活性的聚合物发生质子化，导致界面张力增加，液体门控关闭，阻止CO2进一步排放。基于这种机制，对 CO2气体具有响应性的化合物均可用于构建新的智能响应 CO2气阀。例如，甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸 2-（二甲氨基）乙酯合成的化合物也是一种 CO2响应性化合物，可以作为液体门控的功能液体。该化合物颗粒较大，在重力作用下发生聚集，使液体门控堵塞而处于关闭状态。通入的 CO2在水中形成碳酸根离子，从而提高水溶液中的质子浓度，该化合物质子化后带有电荷，在静电作用下化合物处于分散状态，从而降低与多孔膜之间的毛细力，实现通入 CO2时液体门控处于打开状态。这种 CO2智能液体门控体系的灵活性和可设计性能进一步加强智能碳捕获和储存技术的实际应用，降低了CO2的排放量。温度自适应性液体门控温室大棚除了对 CO2捕获和储存，控制 CO2排放量也至关重要。建筑业中 CO2排放量在全球能源的 CO2排放量中占比较大。建筑业通常涉及传统的热力学系统，在升温和降温过程中，系统要么恒定关闭，要么恒定开放，无法智能响应外界环境变化。一个空间与环境之间的热量交换过程可以通过传导、对流、辐射进行，其中对流起着主导作用。如果一个空间能够调节对流的开放和关闭，并根据环境需求在开放和关闭状态之间自发专 题SPECIAL TOPIC11WeChat:kexuemag液体门控 CO2智能阀门示意打开关闭压强值聚合物分子链质子化的聚合物分子界面张力CO2浓度+CO2-CO2关闭状态打开状态切换，将能实现更加高效的能源利用与热量交换。在构建具有自适应开放和封闭功能的孔道结构中，大自然给了我们很多启发。蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸气状态散失到大气中的过程，可看作通过叶子表面气孔的打开和关闭来调节传热过程，从而实现植物随外界环境温度变化的自适应调节。人们在模仿气孔方面已经做了很多工作，但如何通过调节传热通道满足人们对于温度的自适应调控需求仍是一项艰巨的挑战。结合液体门控系统灵活的可设计性，已成功开发出一种类似气孔的节能热自适应性液体门控系统5，它可以通过智能“呼吸”在高环境温度下打开液体门控“气孔”、低环境温度下关闭“气孔”，实现对室内温度的智能调控。具体调控机制如下：当系统温度高于设定温度时，膜材料表面的温度响应性分子刷会收缩，使多孔膜与门控液体间的作用力较弱，系统压强阈值低于恒定压力，被液体包覆的多孔膜将打开，使系统通风，从而降温。反之，当系统温度低于设定温度时，分子刷会舒展，多孔膜与门控液体间的作用力较强，系统压强阈值高于恒定压力，孔道被液体密封即处于关闭状态，从而保温。将该系统用于温室大棚膜的实际应用模拟，根据全球温室蔬菜种植数据，对其节能效果进行评估。结果表明，该系统不仅满足用户对温度变化智能调控的需求，还能显著节约能量。与传统温室大棚相比，每年能降低 11.6%的能源消耗，这为智慧农业的发展提供了创新思路，有望在全球大棚农业种植应用中推广。结 语当前，液体门控技术已在乳化行业、尾气处理、智能农业等方面取得重要进展。在当前能耗较高的制造工业、能源行业、建筑业、交