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  社會經濟發展的重大需求使得塑料的產量實現了指數級增長 — 從1950年的170噸/年到如今每年近4億噸， 增長了 200 多倍，其增速遠大于同時期內的全球 GDP（不變價）的增速。與此同時，微塑料污染現象引起了人們的日益關注。所謂微塑料，是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒，可被分為初生微塑料和次生微塑料。作為一種近年來才被高度重視的污染物，微塑料已經在陸地、江河、湖泊、大海、大洋以及大氣環境中被檢測到，且可能作為毒素的載體，進而影響動物和人類的生命健康。因此，從地表水和地下水中有效去除微塑料是一項亟待解決的問題。許多種化學、物理和生物方法被應用于去除微塑料，例如活性污泥、吸附、混凝/凝聚、光催化降解、生物降解和膜分離等技術。已報道的用于去除微塑料的膜分離技術包括超濾、微濾、和反滲透。然而，由于堵孔和膜污染現象會導致通量降低，傳統的膜分離技術來去除水體中微塑料的效率相對較低。發展能夠高效去除微塑料且具有高滲透通量和長使用壽命的新型膜材料仍然是一項重大挑戰。

  師法自然，是人類不斷取得進步的源泉！蝠鲼(圖1a)等海洋魚類通過其鰓耙捕獲浮游生物，同時通過其鰓裂排出海水，其中的鰓耙由長而平行的葉片狀陣列組成(圖1b, c)。這些海洋魚類可以通過一種耐堵塞的固液過濾機制濾食那些小于鰓耙之間縫隙的浮游生物。當水在鰓耙上方單向移動時，浮游顆粒被葉狀的鰓耙彈開，同時水從鰓耙的間隙中排出(圖1d)。這種機制被稱為“彈跳分離”，可以在高流速下有效分離浮力顆粒。可以說，具有這種過濾機制的多孔膜有望實現對水體中微塑料的高效分離，同時具有高滲透通量和以及良好的長期服役性能。

圖1 (a) 蝠鲼的照片；(b) 斜帶銼鱗鲀的鰓耙；(c) 鯨鯊的鰓耙；(d) 流體(藍色)和固體顆粒(黃色)流經魚鰓耙時的軌跡示意圖；(e) 流體(藍色)和固體顆粒(黃色)流經仿魚鰓膜時的軌跡示意圖。

  浙江大學徐志康教授帶領的聚合物分離膜表界面工程團隊(SIEPM)，與德國拜羅伊特大學安德烈亞斯·格雷納教授合作，在國家自然科學基金“聚合物垂直通孔膜的定向結晶模板法制備與應用基礎研究(資助號：51673166)”以及德國研究基金“微塑料”重大專項(German Research Foundation, CRC 1357 - “Mikroplastik” 391977956)的資助下，發展雙向冷凍過程與熱致相分離的集成，制備了一系列膜孔傾斜角度可調的仿魚鰓貫通斜孔膜(圖2)，通過模仿蝠鲼等海洋魚類的鰓耙對浮游顆粒的濾食作用，實現了在高流速與高水通量下對粒徑遠小于膜孔徑的聚苯乙烯微塑料的高效去除。

圖2 (a) z方向和y方向溫度梯度之比與仿魚鰓膜孔道傾斜角對水面升高速率的函數關系；(b)-(f)分別為一系列具有貫通孔及可調控的孔道傾斜角的仿魚鰓膜的SEM圖。

  研究者首先以聚偏氟乙烯為原料，以二甲亞砜為稀釋劑，用雙向冷凍法制備了具有貫通孔結構的仿魚鰓膜，并且通過調控冷卻過程中的水面升高速率實現了對膜孔傾斜角度從25到85°的精確調控(圖2)。研究者還構建了計算流體動力學 (CFD) 模型以探索這些仿魚鰓膜如何去除微塑料顆粒(圖3)，當聚苯乙烯微球的水溶液流經膜表面時，會形成渦旋，使微球從傾斜的膜孔壁上彈出，從而實現微塑料的高效去除(圖4)。

圖3 (a)和(b)為過濾時流動方向為正向和反向的示意圖。膜孔傾斜角度分別為(c-f) 25° 和 (g-j) 85°的仿魚鰓膜的計算模型。(c)-(j) 使用CFD模型預測的溶液流動方向為正向(左)和反向(右)時的仿魚鰓膜周圍的流場(白色表示流線；背景顏色表示速度大小)。(c), (d), (g), (h) 0.51 m/s, (e), (f), (i), (j) 0.08 m/s。

圖4通過模擬計算得到的當流速分別為 (a)、(b)、(e)、(f) 0.51 m/s 和 (c)、(d)、(g)、(h) 0.08 m/s 時由正方向(左)和反方向(右)過濾粒徑為700 nm的聚苯乙烯微球的水溶液時的微球的運動軌跡。

  進一步，研究者將仿魚鰓膜用于三種粒徑不同的聚苯乙烯微球水溶液的過濾中，并研究了過濾時溶液的流動方向、流速以及膜孔傾斜角度對微球去除效率的影響(圖5)。這些仿魚鰓膜對粒徑遠小于膜孔的聚苯乙烯微球表現出優異的去除效率及良好的長期穩定性。 

圖5 仿魚鰓膜對粒徑為(a) 500 nm，(b) 700 nm，(c) 1 μm的聚苯乙烯微球的截留效率。(d), (e), (f)為相應的仿魚鰓膜的滲透通量。

  這項工作以 “Biomimetic Gill-inspired Membranes with Direct-through Micropores for Water Remediation by Efficiently Removing Microplastic Particles”為題，發表在《Chemical Engineering Journal》(Chem Eng J 2020, 434, 134758)上。文章第一作者是浙江大學博士研究生張弦，通訊作者為浙江大學黃小軍副教授、拜羅伊特大學安德烈亞斯·格雷納教授和浙江大學徐志康教授。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134758