眾所周知，水資源短缺，嚴重影響著全人類的飲水安全。由於大多數有害物質具有極強的抗性，使得傳統方法很難有效的處理水中的有害物質。其中，膜過濾技術具有體積小、能耗低、溫室氣體排放低等優點，是一種很有前景的水處理替代方法。然而，膜過濾的處理速度和效率相對較低，嚴重阻礙了其大規模應用。由於速度和效率間相互排斥，因而很難同時具有高速度和高效率的膜。
其實，木材是一種天然、資源豐富、環境友好的生物高分子材料，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。沿著樹木生長方向自然的擁有一個由垂直排列的通道組成的層次結構，這些通道是新陳代謝過程中水、營養物質和離子的主要運輸途徑。此外，木材還具有排列在這些主要運輸通道上的更小的微孔。
基於此，美國馬里蘭大學的胡良兵教授（通訊作者）團隊報道了一種新型的“錯流”過濾裝置，該裝置是Pd納米顆粒修飾的木質過濾器。利用該裝置，通過亞甲藍（MB）穿過小直徑微孔並沿著微通道結構產生的流動方向上的間歇性變化（即水傳輸的單向性破壞），實現了強有力的催化MB作用。因此，該裝置具有高達1.6×104L kg-1h-1的流速、高達99％的處理效率和2.2 molMBmolPd-1min-1的高週轉頻率以及優異的MB還原性能，是目前已報道的基於Pd催化裝置中最好的。這種高性能的木質“錯流”過濾裝置為有效減少MB提供了一個新的材料平臺，同時該平臺還可以擴展去除有機汙染物和重金屬等其他多種催化劑。
【圖文解讀】
解析：圖1顯示了10 mm厚的“錯流”木質過濾器，在原位還原木質過濾器中的Pd NPs後，由黃色變為黑色。利用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）確定過濾器中Pd的含量為0.12 wt％。在原位還原形成Pd NPs後，木材的3D多孔結構也保持完整。利用SEM表徵發現木材過濾器的容器通道和管胞平行排列，是有利於水的傳輸。能量色散X射線光譜（EDS）分析發現，Pd NPs均勻分佈在“錯流”過濾器中。而利用透射電子顯微鏡（TEM）發現Pd NPs以球形結構為主且分散良好。高分辨率TEM分析發現顆粒晶格的晶面間距為0.23 nm，而Pd NPs的平均粒徑約為4.3±0.8 nm。
圖1、“錯流”木質過濾器的形貌表徵
解析：接著，利用該過濾器對MB溶液（濃度為45 mg/L）進行還原實驗。該過濾器中Pd NPs浸漬在整個木材基質中，但沒有凹槽刻在設備的頂部和底部表面上。利用環氧樹脂粘合劑密封過濾器側面的微通道，使MB溶液僅流過連接木質容器通道的射線室、凹坑和納米孔。儘管對照組的處理效率高達99.9％，但是其處理15 mL MB溶液，需要91 s，處理速度僅為1.35×103L·kg-1·h-1 。然而，該“錯流”過濾裝置在保持處理效率約99.8％的情況下，處理300 mL MB溶液所需時間為37 s，處理速度達到了約1.2×104L·kg-1·h-1。
圖2、比較兩種不同木質過濾器在減少MB方面的性能
解析：為了更好的理解通過橫流式木材過濾器對MB溶液的傳輸和還原，基於SOLIDWORKS進行了計算流體動力學（CFD）模擬。利用SEM分析典型bass木體積（75×225×1000 m3）的模擬幾何體，其中模擬幾何結構由三個堆疊的容器（直徑dv約50 μm）組成，被氣管（dt約5-15 μm）包圍。此外，在連接vessels和管胞處加入了凹坑（dp約4 μm），凹坑密度為約3.5×10
4pits·mm-2。頂部和底部容器的左側分別向頂部和底部的大容量儲液罐敞開，並且僅通過其右側的間隙連接。還假定在MB溶液發生遷移和還原的整個過程中，該木結構模型始終浸沒在水性環境中。
圖3、“錯流”過濾裝置的模型研究
解析：最後，作者研究了該“錯流”木質過濾器在不同pH值、流速和MB濃度下的還原能力。在重力驅動下，深藍色MB溶液在通過過濾器後變成無色。通過紫外線-可見光譜法（UV-vis）分析處理前後的MB溶液，發現處理後MB在664 nm處的特徵性吸收帶的強度完全消失，表明MB的生色團已被還原。在寬pH=1-12範圍下，對MB的處理效率基本都約99.8％，非常有助於實際工業應用。在高初始MB濃度下，該裝置仍可以實現優異的MB處理效率。在60 mg·L
-1時，MB處理效率保持在99.8％以上。將MB的初始濃度提高至70 mg·L-1時，處理效率略有下降（98.6％）。超高濃度80 mg·L-1的MB溶液仍有94.5％的較高處理效率。隨著處理速度的增加，處理效率趨於降低。當流速提高到約1.1×104L·kg-1·h-1時，處理效率保持在約99.8％。以約99％的高效率時，最大處理速度達到約1.6×104L·kg-1·h-1，是所有報道中的最高值之一。隨著槽深的增加，處理速度顯著提高，而處理效率幾乎保持不變（99.8％）。在約4 mm的深度下達到了設備的最佳性能。
圖4、“錯流”過濾器處理MB的性能
參考文獻：
High-Performance, Scalable Wood-Based Filtration Device with a Reversed-Tree Design . Chem. Mater. 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b04516.
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