作者：餘詩潔 雷津美 侯雅琦 侯旭
受自然界動物體内肺泡中的庫氏孔結構啟發，中國科學家将液體作為動态結構材料引入固體多孔基質中發展出液體門控技術。近年來，該技術已廣泛應用于生物醫藥、物質檢測、多相分離、石油化工等領域，尤其在碳中和背景下的節能環保領域展現出廣闊的發展前景。
随着全球工業生産的高速發展，化石燃料(如石油、煤等)被大規模使用，這不僅加速了不可再生能源的消耗，還導緻CO2的大規模排放，使大氣層内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，還會打破生态系統的平衡，增加極端天氣出現頻率，導緻心血管和呼吸系統等疾病的發病率顯著上升，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産生威脅。
2020年聯合國大會期間，大陸宣布“中國将提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前達到峰值，努力争取2060年前實作碳中和。”碳中和指一段時間内，特定組織或整個社會活動産生的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，實作人類活動CO2相對“零排放”。
目前面向碳中和下的節能環保技術有很多：①提高能源效率：如建築節能、工業能效提高和車輛節能科技等。②發展可再生能源：如太陽能、風能、生物質能、地熱能和海洋能等。③建築環保：包括綠色建築、低碳建築和生态建築等。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：包括節水技術、污水處理技術、再生水利用技術等。⑥碳捕捉和封存：這是一項用于減少CO2排放的技術，包括碳捕捉、轉化和儲存。這些技術的應用不僅可以減少CO2排放，還能提高能源效率，促進資源循環利用，改善環境品質。
液體門控技術作為一種新興技術正在蓬勃發展，并與工業能效提高、碳捕捉和封存、綠色建築等碳中和下的節能環保技術交叉融合[1]，有利于進一步實作碳中和目标。液體門控技術是液體借助毛細力與微尺度孔道固體材料穩定複合，形成一種被液體封閉的孔道結構。在外部壓力驅動下封閉的液體通過可逆開啟，在固體孔道内壁形成有液體層包裹的通路，進而起到“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計，可開發出全新的液體門控系統。随着研究的不斷深入，其節能減阻、自适應調節、智能響應等性能優勢逐漸凸顯。在碳中和下的節能環保應用領域的液體門控技術，目前包括節能減阻的液體門控乳化系統、液體門控CO2智能閥門系統，以及具有溫度自适應性的液體門控溫室大棚等。
節能減阻的
液體門控乳化系統
乳狀液廣泛應用于食品工業、日用化學、生物醫學、石油化工、3D列印等領域，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。
乳化技術通常可分為非接觸式和接觸式。在非接觸式中，超聲法最為常用，通過超音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變為熱量耗散到環境中，同時耗散熱量引起的溫度升高又會導緻乳狀液内一些溫度敏感的生物活性成分(如酶、細菌和蛋白質)結構發生變化甚至失活。在接觸式乳化方法中，通常包含渦旋混合、均質、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将分散相(乳狀液中以液滴形式存在的物質)透過膜孔在另一側膜表面形成液滴,在流動的連續相(乳狀液中連成一片的物質)的沖刷下從膜表面剝離,形成粒徑均一的乳狀液。液體在壓力的驅使下通過固體孔道形成小液滴，但固—液界面粗糙度高、互相作用較強等因素使得過膜阻力較大，是以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内部的污染或結垢，大大降低生産效率，甚至導緻乳化膜材料失效。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。
針對膜乳化過程中的問題，采用基于液體門控技術的節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，是以跨膜壓強較高。在液體門控乳化系統中，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态，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态。對于膜乳化系統，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，隻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，液體門控乳化系統能節約1~4個數量級的能耗，并且液體門控乳化系統制備速度更快，展現出其節能性和高效性。
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控。在兩相酶催化領域，能夠為乳狀液中對溫度敏感的生物活性成分(如脂肪酶)提供舒适的反應環境，有效避免它們因暴露在高溫而失活，進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。進而有效地解決了現有乳化技術中能耗高、效率低等問題，助力全球乳狀液市場面向碳中和的轉型與發展，并為化妝品、農藥、塗料、醫藥、材料等領域帶來更大的經濟價值。
膜乳化與液體門控乳化的節能機制對比
液體門控乳化與膜乳化過程中的耗能和乳化速度對比
液體門控
CO2智能閥門系統
為實作碳中和，既要減少CO2排放，又要增加對其的吸收。減少CO2排放的一個有效途徑是捕獲和儲存CO2，涉及收集和分離CO2的技術。開發對CO2進行智能調節的氣體控制系統将有助于CO2的收集和分離。目前市場上的CO2氣閥(控制CO2氣體進出的部件)主要是膜片式和活塞式。傳統氣閥的零件精度和大小受到制約，穩定性差且不能随真實環境的動态變化進行适應性調整。
開發具有可調多相選擇性、高防污性能、穩定性高和氣密性好等優勢的CO2氣閥，将有助于CO2的捕獲和儲存。基于液體門控技術開發了質子化誘導的液體門控CO2智能閥門系統[4]，将一種具有表面活性的聚合物[由聚(丙二醇)雙2-(氨基丙基醚)和油酸合成]溶于去離子水，作為門控液體浸潤于尼龍膜内，制備成質子化誘導的液體門控智能系統。當空氣、氮氣、氧氣和氩氣等通過液體門控膜時，聚合物分子鍊分布在氣體—門控液體界面，起到類似表面活性劑的作用，降低了界面張力，液體門控處于打開狀态;而當CO2氣體通過液體門控時，部分CO2在水中形成碳酸根離子，提高水溶液中質子濃度，導緻聚合物分子發生質子化而失去表面活性，此時界面張力增加，液體門控處于關閉狀态。
該項研究打破了基于實體機理的氣閥不能對不同氣體特異性識别的缺陷，利用化學機理的氣閥控制CO2氣流，可用于工業廢氣處理。工業廢氣中CO2濃度增加時，門控系統界面上具有表面活性的聚合物發生質子化，導緻界面張力增加，液體門控關閉，阻止CO2進一步排放。
基于這種機制，對CO2氣體具有響應性的化合物均可用于建構新的智能響應CO2氣閥。例如，甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸2-(二甲氨基)乙酯合成的化合物也是一種CO2響應性化合物，可以作為液體門控的功能液體。該化合物顆粒較大，在重力作用下發生聚集，使液體門控堵塞而處于關閉狀态。通入的CO2在水中形成碳酸根離子，進而提高水溶液中的質子濃度，該化合物質子化後帶有電荷，在靜電作用下化合物處于分散狀态，進而降低與多孔膜之間的毛細力，實作通入CO2時液體門控處于打開狀态。這種CO2智能液體門控體系的靈活性和可設計性能進一步加強智能碳捕獲和儲存技術的實際應用，降低了CO2的排放量。
液體門控CO2智能閥門示意
溫度自适應性液體門控溫室大棚
除了對CO2捕獲和儲存，控制CO2排放量也至關重要。建築業中CO2排放量在全球能源的CO2排放量中占比較大。建築業通常涉及傳統的熱力學系統，在升溫和降溫過程中，系統要麼恒定關閉，要麼恒定開放，無法智能響應外界環境變化。一個空間與環境之間的熱量交換過程可以通過傳導、對流、輻射進行，其中對流起着主導作用。如果一個空間能夠調節對流的開放和關閉，并根據環境需求在開放和關閉狀态之間自發切換，将能實作更加高效的能源利用與熱量交換。
在建構具有自适應開放和封閉功能的孔道結構中，大自然給了我們很多啟發。蒸騰作用是水分從活的植物體表面(主要是葉子)以水蒸氣狀态散失到大氣中的過程，可看作通過葉子表面氣孔的打開和關閉來調節傳熱過程，進而實作植物随外界環境溫度變化的自适應調節。人們在模仿氣孔方面已經做了很多工作，但如何通過調節傳熱通道滿足人們對于溫度的自适應調控需求仍是一項艱巨的挑戰。結合液體門控系統靈活的可設計性，已成功開發出一種類似氣孔的節能熱自适應性液體門控系統[5]，它可以通過智能“呼吸”在高環境溫度下打開液體門控“氣孔”、低環境溫度下關閉 “氣孔”，實作對室内溫度的智能調控。
具體調控機制如下：當系統溫度高于設定溫度時，膜材料表面的溫度響應性分子刷會收縮，使多孔膜與門控液體間的作用力較弱，系統壓強門檻值低于恒定壓力，被液體包覆的多孔膜将打開，使系統通風，進而降溫。反之，當系統溫度低于設定溫度時，分子刷會舒展，多孔膜與門控液體間的作用力較強，系統壓強門檻值高于恒定壓力，孔道被液體密封即處于關閉狀态，進而保溫。
将該系統用于溫室大棚膜的實際應用模拟，根據全球溫室蔬菜種植資料，對其節能效果進行評估。結果表明，該系統不僅滿足使用者對溫度變化智能調控的需求，還能顯著節約能量。與傳統溫室大棚相比，每年能降低11.6%的能源消耗，這為智慧農業的發展提供了創新思路，有望在全球大棚農業種植應用中推廣。
液體門控技術的節能熱自适應系統示意 其中T系統、T設定、P系統、ΔP分别為系統溫度、設定溫度、系統壓強門檻值、恒定壓強。金作為膜表面塗層，有利于導熱，并且與溫度響應性分子刷能很好地結合。
結 語
目前，液體門控技術已在乳化行業、尾氣處理、智能農業等方面取得重要進展。在目前能耗較高的制造工業、能源行業、建築業、交通等領域，液體門控技術還需要與其他碳中和前沿技術結合，開發出更多智能性、高效性、可擴充性的新型碳中和液體門控系統，進一步推進實際應用的發展。争取早日助力實作面向碳中和下高效節能、保護環境的目标，積極推動技術的原始創新，充分調動科技、産業、金融等要素的融合，促進實作社會綠色可持續發展。
餘詩潔，博士：廈門大學化學化工學院;雷津美，博士後：廈門大學化學化工學院;侯雅琦，助理教授：廈門大學柔性電子(未來技術)研究院;侯旭，教授：廈門大學化學化工學院、固體表面實體化學國家重點實驗室、實體科學與技術學院，廈門 361005。[email protected]
Yu Shijie, Doctoral Candidate: College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University; Lei Jinmei, Postdoctor: College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University; Hou Yaqi, Assistant Professor: The Institute of Flexible Electronics (IFE, Future Technologies), Xiamen University; Hou Xu, Professor: College of Chemistry and Chemical Engineering, State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, College of Physical Science and Technology, Xiamen University, Xiamen 361005.
[1]Yu S, Pan L, Zhang Y, et al. Liquid gating technology. Pure and Applied Chemistry, 2021, 93: 1353.
[2]Hou X, Hu Y, Grinthal A, et al. Liquid-based gating mechanism with tunable multiphase selectivity and antifouling behaviour. Nature, 2015, 519: 70-73.
[3]Yu S, Jing Y, Fan Y, et al. Ultrahigh efficient emulsification with drag-reducing liquid gating interfacial behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119: e2206462119.
[4]Lei J, Hou Y, Wang H, et al. Carbon dioxide chemically responsive switchable gas valves with protonation-induced liquid gating self-adaptive systems. Angewandte Chemie International Edition, 2022, 61: e202201109.
[5]Chen B, Zhang M, Hou Y, et al. Energy saving thermal adaptive liquid gating system. The Innovation, 2022, 3: 100231.
關鍵詞：碳中和 節能 環保 液體門控 乳化■