水界面过滤和吸收实现连续空气净化

       如何开发净化效率高、使用寿命长、无需复杂维护的净化系统，解决传统行业的痛点？

       厦门大学侯旭教授团队突破面向空气净化的未来技术，为空气净化器的设计提供了全新的液体门控思路。9月26日，这项最新研究成果在Nature线上发表。厦大化学化工学院博士生张运茂为该论文的第一作者，化学化工学院、物理科学与技术学院双聘教授侯旭为独立通讯作者。该研究首次运用“响应性液体门控技术”提出不同微尺度颗粒物在水界面上的高效过滤与吸收的核心机制，打通了现有空气净化中从过滤吸收、防污防腐、抗菌除臭到长期运行的技术难关，解开了液体作为结构与功能材料如何实现电化学可控微泡及其三相界面上高效传质的难题。突破：门控液体助力空气净化空气污染物中的颗粒物浓度是空气污染的一项重要指标。它由固体、液体、有机和无机物质颗粒的复杂悬浮混合物组成，具有较大危害性。如何去除这些颗粒物？目前直接有效的方式仍然是使用各种空气过滤净化系统。但缺点在于，这些系统多由多层纤维膜或多孔材料组成的过滤膜单元构成，随着颗粒物在其表面和内部孔隙的堆积，这些过滤单元将不可避免地遭受堵塞问题，容尘能力从根本上限制了这类过滤装置的效率和使用寿命。侯旭团队首创特定功能液体作为结构与功能材料，通过调控颗粒物与液体之间相互作用进而控制空气——水界面上的物质传递。该方法将传统固体材料对污染物过滤所使用的有效表面积，转换为液体材料对污染物过滤吸收的有效体积，既提高净化效率，也增大净化器的尘容量。

       为了利用水界面对污染空气中颗粒的吸收，作者创造了可控的微泡产生电化学液体系统。系统的净化过程分为过滤和吸收两个步骤。在过滤过程中，一旦污染空气进入系统，基质中充满液体的孔隙会充当粗过滤器，进行过滤过程并分离大颗粒，而孔隙中的液体衬里防止颗粒在基质表面积聚(图1b)。在这一阶段，孔径越小的多孔基质净化效率越高，空气流量越小。然后，在吸收过程中，通过多孔基质的小颗粒被困在微气泡中，并由于惯性继续移动，最终接触气液界面(图1c)。作用在颗粒上的力FC促进了小颗粒在水界面上的捕获，甚至将其拖入功能液体中（通常是水溶液）。通过有效地将空气中的污染物转移到水溶液中，实现了空气净化。通过改变影响气液固界面相互作用的基质润湿性，充液孔隙的防堵塞性能得到进一步增强。同时，润湿性可以在净化过程中使用正(氧化)或负(还原)电位脉冲进行调节。电化学液体系统还可以通过调整所产生的气泡的大小，提供一系列的净化效率，以适应不同的操作环境。有两种方法可以用来控制气泡大小:调整基质的孔径(图1b)或调整基质的润湿性(图1c)。较小的气泡具有较大的比表面积，从而导致气液界面上较高的传质速率。因此，减小气泡的大小可以提高空气净化的颗粒分离效率，但会影响通过系统的空气流量。因此，在实际应用中，可以在净化效率、空气流量和气泡直径之间进行权衡(图1d)。

       小结：利用门控液体作为主要过滤材料，可以实现管路连接、自动化、程序化控制，进一步实现免维护、高效、低成本的系统运行。这意味着，未来该技术将为工业、医疗、建筑等领域急需的防治大气污染、提升空气质量、改善人居环境等环保、健康、民生问题提供技术保障。还可以按照需要设计功能液体，赋予空气净化液门系统实现定制化净化需求，比如，抗菌能力、耐腐蚀能力等。换句话说，该电化学液门空气净化系统还可与人工智能、微流控技术等集成应用，有望实现智能空气净化，满足不同环境下的空气净化需求。

图：电化学响应性液体门控水界面上的过滤与吸收机制示意图