众所周知，水资源短缺，严重影响着全人类的饮水安全。由于大多数有害物质具有极强的抗性，使得传统方法很难有效的处理水中的有害物质。其中，膜过滤技术具有体积小、能耗低、温室气体排放低等优点，是一种很有前景的水处理替代方法。然而，膜过滤的处理速度和效率相对较低，严重阻碍了其大规模应用。由于速度和效率间相互排斥，因而很难同时具有高速度和高效率的膜。
其实，木材是一种天然、资源丰富、环境友好的生物高分子材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。沿着树木生长方向自然的拥有一个由垂直排列的通道组成的层次结构，这些通道是新陈代谢过程中水、营养物质和离子的主要运输途径。此外，木材还具有排列在这些主要运输通道上的更小的微孔。
基于此，美国马里兰大学的胡良兵教授（通讯作者）团队报道了一种新型的“错流”过滤装置，该装置是Pd纳米颗粒修饰的木质过滤器。利用该装置，通过亚甲蓝（MB）穿过小直径微孔并沿着微通道结构产生的流动方向上的间歇性变化（即水传输的单向性破坏），实现了强有力的催化MB作用。因此，该装置具有高达1.6×104L kg-1h-1的流速、高达99％的处理效率和2.2 molMBmolPd-1min-1的高周转频率以及优异的MB还原性能，是目前已报道的基于Pd催化装置中最好的。这种高性能的木质“错流”过滤装置为有效减少MB提供了一个新的材料平台，同时该平台还可以扩展去除有机污染物和重金属等其他多种催化剂。
【图文解读】
解析：图1显示了10 mm厚的“错流”木质过滤器，在原位还原木质过滤器中的Pd NPs后，由黄色变为黑色。利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）确定过滤器中Pd的含量为0.12 wt％。在原位还原形成Pd NPs后，木材的3D多孔结构也保持完整。利用SEM表征发现木材过滤器的容器通道和管胞平行排列，是有利于水的传输。能量色散X射线光谱（EDS）分析发现，Pd NPs均匀分布在“错流”过滤器中。而利用透射电子显微镜（TEM）发现Pd NPs以球形结构为主且分散良好。高分辨率TEM分析发现颗粒晶格的晶面间距为0.23 nm，而Pd NPs的平均粒径约为4.3±0.8 nm。
图1、“错流”木质过滤器的形貌表征
解析：接着，利用该过滤器对MB溶液（浓度为45 mg/L）进行还原实验。该过滤器中Pd NPs浸渍在整个木材基质中，但没有凹槽刻在设备的顶部和底部表面上。利用环氧树脂粘合剂密封过滤器侧面的微通道，使MB溶液仅流过连接木质容器通道的射线室、凹坑和纳米孔。尽管对照组的处理效率高达99.9％，但是其处理15 mL MB溶液，需要91 s，处理速度仅为1.35×103L·kg-1·h-1 。然而，该“错流”过滤装置在保持处理效率约99.8％的情况下，处理300 mL MB溶液所需时间为37 s，处理速度达到了约1.2×104L·kg-1·h-1。
图2、比较两种不同木质过滤器在减少MB方面的性能
解析：为了更好的理解通过横流式木材过滤器对MB溶液的传输和还原，基于SOLIDWORKS进行了计算流体动力学（CFD）模拟。利用SEM分析典型bass木体积（75×225×1000 m3）的模拟几何体，其中模拟几何结构由三个堆叠的容器（直径dv约50 μm）组成，被气管（dt约5-15 μm）包围。此外，在连接vessels和管胞处加入了凹坑（dp约4 μm），凹坑密度为约3.5×10
4pits·mm-2。顶部和底部容器的左侧分别向顶部和底部的大容量储液罐敞开，并且仅通过其右侧的间隙连接。还假定在MB溶液发生迁移和还原的整个过程中，该木结构模型始终浸没在水性环境中。
图3、“错流”过滤装置的模型研究
解析：最后，作者研究了该“错流”木质过滤器在不同pH值、流速和MB浓度下的还原能力。在重力驱动下，深蓝色MB溶液在通过过滤器后变成无色。通过紫外线-可见光谱法（UV-vis）分析处理前后的MB溶液，发现处理后MB在664 nm处的特征性吸收带的强度完全消失，表明MB的生色团已被还原。在宽pH=1-12范围下，对MB的处理效率基本都约99.8％，非常有助于实际工业应用。在高初始MB浓度下，该装置仍可以实现优异的MB处理效率。在60 mg·L
-1时，MB处理效率保持在99.8％以上。将MB的初始浓度提高至70 mg·L-1时，处理效率略有下降（98.6％）。超高浓度80 mg·L-1的MB溶液仍有94.5％的较高处理效率。随着处理速度的增加，处理效率趋于降低。当流速提高到约1.1×104L·kg-1·h-1时，处理效率保持在约99.8％。以约99％的高效率时，最大处理速度达到约1.6×104L·kg-1·h-1，是所有报道中的最高值之一。随着槽深的增加，处理速度显着提高，而处理效率几乎保持不变（99.8％）。在约4 mm的深度下达到了设备的最佳性能。
图4、“错流”过滤器处理MB的性能
参考文献：
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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