液體門控技術(shù)：面向碳中和背景下的節(jié)能環(huán)保應用

余詩潔 雷津美 侯雅琦 侯旭

隨著全球工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，化石燃料（如石油、煤等）被大規(guī)模使用，這不僅加速了不可再生能源的消耗，還導致CO2的大規(guī)模排放，使大氣層內(nèi)CO2含量急劇增加，阻礙地球的熱量散失，造成全球變暖。全球變暖不僅會造成冰川融化、海平面上升，還會打破生態(tài)系統(tǒng)的平衡，增加極端天氣出現(xiàn)頻率，導致心血管和呼吸系統(tǒng)等疾病的發(fā)病率顯著上升，同時增加疾病傳播和擴散的風險，對人類和動植物的正常生存產(chǎn)生威脅。

2020年聯(lián)合國大會期間，我國宣布“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！碧贾泻椭敢欢螘r間內(nèi)，特定組織或整個社會活動產(chǎn)生的CO2，通過植樹造林、海洋吸收、工程封存等自然、人為手段被吸收和抵消掉，實現(xiàn)人類活動CO2相對“零排放”。

當前面向碳中和下的節(jié)能環(huán)保技術(shù)有很多：①提高能源效率：如建筑節(jié)能、工業(yè)能效提高和車輛節(jié)能科技等。②發(fā)展可再生能源：如太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能和海洋能等。③建筑環(huán)保：包括綠色建筑、低碳建筑和生態(tài)建筑等。④垃圾處理和資源回收：包括垃圾分類、垃圾焚燒、垃圾填埋和回收再利用等。⑤水資源管理：包括節(jié)水技術(shù)、污水處理技術(shù)、再生水利用技術(shù)等。⑥碳捕捉和封存：這是一項用于減少CO2排放的技術(shù)，包括碳捕捉、轉(zhuǎn)化和儲存。這些技術(shù)的應用不僅可以減少CO2排放，還能提高能源效率，促進資源循環(huán)利用，改善環(huán)境質(zhì)量。

液體門控技術(shù)作為一種新興技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，并與工業(yè)能效提高、碳捕捉和封存、綠色建筑等碳中和下的節(jié)能環(huán)保技術(shù)交叉融合[1]，有利于進一步實現(xiàn)碳中和目標。液體門控技術(shù)是液體借助毛細力與微尺度孔道固體材料穩(wěn)定復合，形成一種被液體封閉的孔道結(jié)構(gòu)。在外部壓力驅(qū)動下封閉的液體通過可逆開啟，在固體孔道內(nèi)壁形成有液體層包裹的通路，從而起到“液體門”的作用[2]。通過對微尺度孔道固體材料和門控液體兩大組成部分的設(shè)計，可開發(fā)出全新的液體門控系統(tǒng)。隨著研究的不斷深入，其節(jié)能減阻、自適應調(diào)節(jié)、智能響應等性能優(yōu)勢逐漸凸顯。在碳中和下的節(jié)能環(huán)保應用領(lǐng)域的液體門控技術(shù)，目前包括節(jié)能減阻的液體門控乳化系統(tǒng)、液體門控CO2智能閥門系統(tǒng)，以及具有溫度自適應性的液體門控溫室大棚等。

節(jié)能減阻的液體門控乳化系統(tǒng)

乳狀液廣泛應用于食品工業(yè)、日用化學、生物醫(yī)學、石油化工、3D打印等領(lǐng)域，是一種液體以液珠形式分散在與之不相溶的另一種液體中而形成的分散體系。例如油與水混合時，自然情況下密度小的油在上層，密度大的水在下層， 通過一定的手段使油被分散在水中，形成乳狀液，該過程就叫乳化。

乳化技術(shù)通?？煞譃榉墙佑|式和接觸式。在非接觸式中，超聲法最為常用，通過超聲波對液體的空化作用（液體中的微氣核空化泡在聲波作用下振動，聲壓達到一定值時氣泡會發(fā)生生長或崩潰）使液體形成乳狀液，但是該過程需要消耗大量的能量，此外大部分能量易轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃亢纳⒌江h(huán)境中，同時耗散熱量引起的溫度升高又會導致乳狀液內(nèi)一些溫度敏感的生物活性成分（如酶、細菌和蛋白質(zhì)）結(jié)構(gòu)發(fā)生變化甚至失活。在接觸式乳化方法中，通常包含渦旋混合、均質(zhì)、膜乳化、微流控等。在這些制備方法中，膜乳化方法因其能耗較低而被廣泛研究。

膜乳化是在壓力作用下將分散相（乳狀液中以液滴形式存在的物質(zhì)）透過膜孔在另一側(cè)膜表面形成液滴，在流動的連續(xù)相（乳狀液中連成一片的物質(zhì)）的沖刷下從膜表面剝離，形成粒徑均一的乳狀液。液體在壓力的驅(qū)使下通過固體孔道形成小液滴，但固—液界面粗糙度高、相互作用較強等因素使得過膜阻力較大，因此依舊需要較高能耗來提供足夠的過膜壓強。此外，膜乳化過程容易造成固體膜材料表面及內(nèi)部的污染或結(jié)垢，大大降低生產(chǎn)效率，甚至導致乳化膜材料失效。降低膜乳化過程中的能耗并提升乳化膜材料的抗污染性能是一個巨大的挑戰(zhàn)。

針對膜乳化過程中的問題，采用基于液體門控技術(shù)的節(jié)能減阻液體門控乳化機制就能很好解決[3]。由于固體材料表面具有一定的粗糙度，增大了分散相液體通過固體界面進入流動相的阻力，因此跨膜壓強較高。在液體門控乳化系統(tǒng)中，門控液體包裹在固體材料表面，提供了分子級平整光滑的液—液界面，大大降低了液體通過液體門控膜體系的阻力，跨膜壓強顯著降低。

以油水兩相的混合為例。初始時，油水兩相由于分相具有最低的能量狀態(tài)，為使它們混合形成乳狀液，需要外部的能量輸入以克服能壘使油水兩相達到高能量狀態(tài)。對于膜乳化系統(tǒng)，需要較高的能量輸入來克服來自固—液界面的高阻力；對于液體門控乳化系統(tǒng)，只需要較低的能量輸入便能克服來自液—液界面的低阻力。與膜乳化相比，液體門控乳化系統(tǒng)能節(jié)約1～4個數(shù)量級的能耗，并且液體門控乳化系統(tǒng)制備速度更快，體現(xiàn)出其節(jié)能性和高效性。

液體門控乳化機制還可以通過改變流速、孔徑、表面活性劑濃度等，對乳狀液滴的粒徑進行精準調(diào)控。在兩相酶催化領(lǐng)域，能夠為乳狀液中對溫度敏感的生物活性成分（如脂肪酶）提供舒適的反應環(huán)境，有效避免它們因暴露在高溫而失活，從而保證較高的酶催化活性。此外，在材料制備和藥物釋放等領(lǐng)域，能夠顯著降低乳化過程中的能耗，并能高效制備粒徑均勻的液滴。從而有效地解決了現(xiàn)有乳化技術(shù)中能耗高、效率低等問題，助力全球乳狀液市場面向碳中和的轉(zhuǎn)型與發(fā)展，并為化妝品、農(nóng)藥、涂料、醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域帶來更大的經(jīng)濟價值。