Biomimétique sur

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8178 (2022) Citer cet article

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La membrane sur puce suscite un intérêt croissant dans une grande variété de recherches à haut débit sur l'environnement et l'eau. Les progrès de la technologie des membranes fournissent en permanence de nouveaux matériaux et des structures multifonctionnelles. Pourtant, l'incorporation de la membrane dans les dispositifs microfluidiques reste difficile, limitant ainsi son utilisation polyvalente. Ici, via l'impression 3D par micro-stéréolithographie, nous proposons et fabriquons un dispositif à membrane sur puce intégré à la structure "fish gill", qui a l'attribut auto-obturant à l'interface structure-membrane sans assemblage supplémentaire. À titre de démonstration, une micromaille métallique et une membrane polymère peuvent également être facilement intégrées dans un dispositif sur puce imprimé en 3D pour obtenir une fonctionnalité anti-encrassement et anti-colmatage pour la filtration des eaux usées. Comme en témoigne la visualisation in situ des interactions structure-fluide-encrassement pendant le processus de filtration, l'approche proposée adopte avec succès le mécanisme d'alimentation des poissons, étant capable de "ricocher" des particules ou des gouttelettes d'encrassement par manipulation hydrodynamique. Lorsqu'ils sont comparés à deux scénarios courants de traitement des eaux usées, tels que les microparticules de plastique et les gouttelettes d'huile émulsifiées, nos dispositifs de filtration biomimétique présentent une durabilité 2 à 3 fois plus longue pour la filtration à haut débit que les dispositifs à membrane commerciale. Cette approche proposée d'impression 3D sur membrane, reliant élégamment les domaines de la microfluidique et de la science des membranes, est essentielle à de nombreuses autres applications dans les domaines de l'énergie, de la détection, de la chimie analytique et du génie biomédical.

La filtration et la séparation par membrane ont été largement utilisées dans les applications biomédicales, de l'eau et de l'environnement1,2,3,4,5,6. Dans le vaste processus de purification de l'eau et de filtration des eaux usées, l'eau purifiée traverse la membrane, tandis que les contaminants tels que les microparticules de plastique, les gouttelettes d'huile et les solutés sont rejetés par la membrane. Malgré les avantages bien connus de la filtration membranaire (c'est-à-dire des perméats de haute qualité, une faible utilisation de l'espace, une automatisation et un contrôle faciles), l'encrassement et le colmatage des membranes restent un goulot d'étranglement majeur pour une filtration efficace de l'eau7,8,9,10. L'intégration du contrôle du transport de masse au moyen d'une membrane de filtration dans des dispositifs microfluidiques a montré une croissance substantielle pour le développement à haut débit de solutions anti-encrassement/colmatage11,12,13,14,15.

Actuellement, les stratégies anti-encrassement/colmatage sont principalement axées sur le développement de nouveaux matériaux membranaires16,17 et la modification de la surface membranaire9,18,19,20. La chimie et la mouillabilité de la surface de la membrane affectent fortement l'interaction surface-encrassement et la tendance à l'encrassement : la surface de la membrane avec une super-hydrophobie et une oléophobie sous-marine est souhaitée pour atténuer l'adhérence de l'encrassement17,21,22. Des efforts de recherche intensifs ont démontré que le revêtement de surface d'oxyde métallique9 et même de matériaux photocatalytiques23,24 peut faire en sorte que la membrane présente une capacité anti-encrassement supérieure vis-à-vis de la répulsion et de la dégradation de l'encrassement organique. De telles approches chimiques ont été répandues pour leur mise en œuvre facile et leur taux de récupération de flux élevé (FRR) (voir Fig. 1a), cependant, outre les problèmes d'adhérence/dégradation du revêtement, des problèmes environnementaux surviennent souvent avec l'élimination des déchets chimiques. En tant qu'alternative, la stratégie anti-encrassement/colmatage sans produits chimiques devient très attrayante. La structuration de surface, créant des structures topologiques sur les surfaces membranaires, peut manipuler l'hydrodynamique locale et l'interaction salissure-surface correspondante25,26,27,28,29,30. Avec des structures de surface correctement conçues, le champ d'écoulement près de la surface de la membrane peut être contrôlé pour inhiber le dépôt et l'accumulation d'encrassements, en particulier de microparticules ou de gouttelettes d'encrassement. Ces structures membranaires ont une taille comparable aux gouttelettes d'huile dans l'eau produite31 et aux fragments ou fibres microplastiques nocifs trouvés lors de l'analyse du contenu des intestins de poisson32 (voir Fig. 1a). De plus, en régulant le champ de vitesse local, la contrainte de cisaillement induite à l'interface encrassement-membrane peut en outre permettre le détachement et l'élimination des encrassements28,33.

Dispositif de filtration à membrane anti-encrassement bio-inspiré activé par l'impression 3D sur membrane. (a) Filtration membranaire pour le traitement des eaux usées. Le taux de récupération du flux (FRR) pour les stratégies anti-encrassement/colmatage existantes est résumé à partir de la littérature rapportée (voir également le tableau S1 des informations complémentaires), y compris la modification de la chimie de surface, la nano-structuration et la micro-structuration. La taille des gouttelettes d'huile dans l'eau produite, les microplastiques trouvés dans l'environnement marin et les particules alimentaires issues de l'analyse du contenu des intestins de poisson. (b) Illustration de poissons filtrant les particules de nourriture hors de l'eau par manipulation hydrodynamique et image optique de la bouche de poisson avec des structures de branchiospines. (c) Dispositif de filtration à membrane antisalissure imitant le poisson activé par impression 3D sur membrane. Les structures en forme de branchies sont directement imprimées sur la surface de la membrane pour une filtration anti-encrassement en utilisant un système d'impression 3D par micro-stéréolithographie.

Dans la structuration de la surface de la membrane, la géométrie de la structure est la clé. Différentes structures de surface comme les rainures et les pyramides ont démontré certaines propriétés antisalissures27,33. En outre, les créatures aquatiques après l'évolution ont exploité le principe de surfaces de croissance avec des structures quasi optimales, telles que des écailles de poisson et des branchiospines, des réseaux d'éponges de mer et des crêtes avec des dimensions allant de quelques millimètres à plusieurs nanomètres. En particulier, le processus d'alimentation des poissons, filtrant le plancton et d'autres particules alimentaires hors de l'eau (voir Fig. 1b), a inspiré de nombreuses tentatives de laboratoire pour atténuer l'encrassement des membranes34,35,36,37. Souvent, ces structures biologiques présentent une complexité remarquable et leur reproduction devient possible à l'aide de la technique d'impression 3D émergente38. Les progrès récents de l'impression 3D par micro-stéréolithographie (µ-SL) ont permis de fabriquer des structures complexes avec une taille d'élément aussi petite que 2 µm39, cependant, il est toujours difficile d'intégrer des architectures de surface micro-/millimétriques avec des membranes de pores nanométriques en une seule étape40,41,42. En raison de la différence de taille significative et des limites de résolution d'impression, la membrane nanoporeuse doit être fabriquée séparément. Un assemblage supplémentaire est toujours nécessaire, mais il est tout simplement impossible d'assembler une grande quantité d'éléments structurels discrets imprimés en 3D (c'est-à-dire des pointes, des branchicténies) avec une feuille de membrane. L'impression directe sur membrane promet un grand potentiel d'intégration efficace de la membrane et des structures de surface complexes en tant qu'appareil tout-en-un. À notre connaissance, une telle approche de fabrication de dispositif additif sans assemblage n'a pas encore été rapportée à des fins de filtration.

Dans ce travail, nous proposons une nouvelle approche d'impression micro-3D sur membrane. Son avantage unique est démontré en imprimant directement des structures en forme de branchies de poisson sur une membrane poreuse pour imiter le mécanisme d'alimentation des poissons pour la filtration anti-encrassement/colmatage (voir Fig. 1c). Les performances anti-encrassement/colmatage des dispositifs tels que fabriqués sont évaluées par la filtration des eaux usées contenant des microparticules de plastique et une émulsion stabilisée par un tensioactif, l'un des problèmes les plus difficiles dans le traitement des eaux huileuses. Avec l'approche d'impression sur membrane proposée, nous incorporons également une micro-maille métallique avec une membrane polymère pour fabriquer des dispositifs de filtration à matériau hybride. La visualisation du flux in situ est effectuée pour rechercher une compréhension approfondie du mécanisme antisalissure/colmatage des dispositifs de filtration microfluidique tels que fabriqués.

Pour les expériences de laboratoire, l'émulsion huile-dans-eau est préparée en ajoutant 10 ml d'huile de maïs (Afia, marché local) et 1 g de dodécylsulfate de sodium (SDS, Sigma Aldrich) dans 100 ml d'eau. La solution est agitée pendant 1 h à une vitesse de 1000 tr/min. Pour la suspension microplastique, 2 g de microsphères de polyéthylène disponibles dans le commerce (Cospheric, 1,10 g/cc 10–90 µm) sont mélangés avec 100 ml d'eau. Le SDS est également ajouté pour améliorer l'uniformité de la suspension. Après mélange, la suspension est agitée pendant 8 h, brisant davantage les microsphères de plastique en particules plus petites de forme irrégulière. Tous les matériaux sont utilisés sans autre purification.

Notre proposition de technique d'impression sur membrane pour créer une membrane de filtration structurée en 3D est illustrée à la Fig. S1. Un système d'impression µ-SL (BMF, S130) est utilisé pour fabriquer les structures 3D par photopolymérisation couche par couche43,44. À l'étape 1, la membrane (Whatman, Nytran N, ~ 200 nm) est immergée avec l'encre d'impression (BMF, S130 HDDA-based Ink) pendant 1 h, permettant à tous les pores d'être remplis d'encre. Ensuite, la membrane saturée d'encre est placée sur la scène d'impression ou sur la couche préalablement imprimée, comme indiqué à l'étape 2. Dans nos expériences, l'épaisseur de la membrane est d'environ 140 µm. Ainsi, nous gardons également l'espace liquide avec la même distance lors de l'impression de la couche à membrane. Avec le processus d'impression couche par couche intrinsèque du système d'impression 3D µ-SL, la couche nouvellement imprimée est ensuite formée avec une membrane intégrée. Notez que le temps d'impression de cette couche à membrane est raisonnablement prolongé en fonction de l'épaisseur et de la porosité du matériau de la membrane, pour permettre à l'encre de sécher suffisamment à la fois à l'intérieur des pores et sous la membrane.

La membrane imitant le poisson est fabriquée en imprimant directement en 3D des structures en forme de branchiospines sur la surface de la membrane. Dans l'impression, la membrane (Whatman, Nytran N, ~ 200 nm) a été utilisée comme substrat. En projetant séquentiellement la pile d'images découpées à partir d'un modèle 3D de gill raker, les structures de surface superposées ont ensuite été imprimées sur la membrane. Ici, nous avons également conçu la membrane imitant le poisson dans un dispositif de filtration microfluidique. Le dispositif intègre tous les composants fonctionnels, y compris les structures en forme de branchies de poisson, les ouvertures d'entrée et de sortie et les cadres de support intégrés à la membrane poreuse. Avec la même procédure d'impression, nous sommes en mesure de créer un dispositif de filtration microfluidique tout-en-un. L'image de microscopie électronique à balayage (SEM) de la figure 2a montre une imitation réussie des structures en forme de branchiospines sur la surface de la membrane dans un dispositif de filtration microfluidique. Les vues en coupe sont données à la Fig. S2a.

Dispositif de filtration à membrane sur puce imprimé en 3D avec interfaces auto-scellées. ( a ) Images schématiques et SEM d'un filtre à membrane imitant le poisson imprimé en 3D. La membrane est intégrée en tant que substrat d'impression, où les structures branchiales du poisson et les cadres de support sont directement imprimés dessus. (b) Région interfaciale auto-scellée entre la structure imprimée en 3D et la membrane. Lors de l'impression directe sur membrane, le processus de photo-polymérisation et de réticulation est illustré dans le diagramme schématique, et les images SEM montrent les régions interfaciales des structures imprimées et de la membrane (mis en surbrillance la boîte de tiret). La résine d'impression solidifiée dans les pores de la membrane lie fortement les structures imprimées au-dessus de la membrane, obtenant spontanément des propriétés d'auto-étanchéité. ( c ) Schéma de la plate-forme microfluidique pour l'évaluation des performances de filtration à haut débit. L'image optique du dispositif tel que fabriqué est également fournie. La taille de la puce microfluidique est de 7 mm de largeur et 19 mm de longueur.

La fabrication réussie de la membrane imitant le poisson a démontré la grande capacité de l'impression micro-3D à intégrer des matériaux existants, non limités à la membrane, avec des structures nouvellement imprimées (c'est-à-dire des cadres de soutien ou des structures branchiales). Plus important encore, les structures imprimées directement ont une excellente liaison avec la membrane, car les chaînes polymères sont réticulées dans les pores de la membrane pendant le processus de photodurcissement. Ceci est mis en évidence par la vue en coupe sous le SEM de la Fig. 2b, montrant la morphologie interne de la membrane poreuse après l'impression 3D. Les pores de la membrane sous la structure imprimée sont complètement remplis de résine solidifiée, tandis qu'aucun espace vide n'est observé au niveau des régions d'interface structure-membrane (voir les encadrés en surbrillance sur la figure 2b). En d'autres termes, l'impression 3D directe sur membrane est capable d'obtenir une forte liaison des structures imprimées sur la membrane et des propriétés auto-obturantes sans assemblage supplémentaire.

Le dispositif de filtration tel que fabriqué peut être directement utilisé dans une plate-forme de filtration de bureau (voir Fig. S3). Les images optiques des dispositifs de filtration microfluidique tels qu'imprimés après le tubage sont illustrées à la Fig. 2c. Les conditions de fonctionnement d'un procédé de filtration tangentielle peuvent être contrôlées par la pression d'injection à l'entrée et la contre-pression à la sortie, tandis que le flux de perméat est surveillé avec un capteur de débit. A partir de la baisse de flux, nous sommes en mesure d'évaluer les performances anti-encrassement/colmatage de la membrane structurée en 3D. Un tel dispositif de filtration microfluidique "print-and-play" permet un développement rapide et à haut débit d'une nouvelle membrane fonctionnelle.

Comme référence de filtration pour les membranes telles que fabriquées, nous avons choisi deux des problèmes de traitement des eaux usées les plus difficiles : l'émulsion stabilisée par tensioactif et les microparticules de plastique. Pour les expériences de laboratoire, nous avons préparé une émulsion huile-dans-eau et des microparticules de plastique sous forme de suspension aquatique (voir Matériaux). Leurs morphologies et distributions de tailles de particules/gouttelettes sont données sur la figure 3a. Les performances anti-encrassement/colmatage des dispositifs tels que fabriqués ont été évaluées par la durabilité du flux de perméat. A titre de comparaison, nous avons également testé la membrane nue sans aucune structure de surface comme référence. Pendant la filtration, les valeurs de pression d'entrée et de sortie sont maintenues respectivement à 80 et 40 mbar. Comme prévu, le flux de perméat normalisé diminue progressivement pour les deux membranes lors du filtrage des microparticules de plastique (Fig. 3b). Lors de l'utilisation de la membrane nue, le flux de perméat diminue fortement à 40 % de son flux initial en 10 minutes de fonctionnement. Étonnamment, la membrane structurée en branchies de poisson peut maintenir jusqu'à 80 % de ses performances d'origine. Le fait de pouvoir maintenir un flux de perméat élevé avec une longue période de filtration indique l'efficacité des structures de surface pour atténuer le dépôt de particules sur la membrane pour la filtration anti-encrassement/colmatage. Notez que les tailles des microparticules de plastique vont de 10 à 90 µm, beaucoup plus petites que l'écart entre deux éléments branchiaux adjacents. En utilisant les eaux usées huileuses, qui contiennent des gouttelettes d'huile émulsifiées encore plus petites (majorité ~ 20 µm), le filtre imitant le poisson montre également une meilleure durabilité que l'utilisation de la membrane nue (voir Fig. 3b, les cercles pleins). Les résultats indiquent que la fonction des structures branchiales est plus complexe que le simple tamisage. En fait, c'est exactement notre objectif initial d'imprimer les structures branchiales des poissons sur une membrane, imitant le mécanisme hydrodynamique des animaux aquatiques filtrant le plancton et d'autres particules alimentaires hors de l'eau36. Le rôle de l'hydrodynamique sur l'anti-encrassement est également mis en évidence par l'influence de la vitesse d'écoulement principal sur la durabilité de la filtration. Dans les expériences, nous avons augmenté la vitesse du flux principal en modifiant la pression d'injection de 80 à 100 et 120 mbar, respectivement. Les valeurs du flux de perméat normalisé sont tracées sur la figure 3c avec des cercles vides. Pour avoir une comparaison plus juste, nous avons utilisé le perméat accumulé plutôt que le temps de filtration comme axe x lors du traçage du flux de perméat. Lorsque le perméat accumulé atteint 200 µL/mm2, la membrane nue a été complètement bloquée avec un flux de perméat proche de zéro, tandis que la membrane imitant le poisson est capable de maintenir 38 % de son flux initial. En augmentant davantage la vitesse d'écoulement principal, la baisse du flux de perméat est encore atténuée, se maintenant à un niveau aussi élevé que 80 %. La durabilité du flux de perméat est considérablement prolongée avec l'augmentation de la vitesse d'écoulement principal.

Evaluation des performances anti-fouling avec deux cas de référence en filtration : émulsion stabilisée tensioactif et mélange microparticule plastique/eau. ( a ) La distribution de la taille des particules / gouttelettes et l'image optique en médaillon des eaux usées contenant des particules microplastiques (à gauche) et des gouttelettes d'huile émulsionnées (à droite). (b,c) Durabilité de la filtration lors du filtrage des particules microplastiques et de l'émulsion. En comparaison avec l'utilisation de la membrane nue (courbe noire), la décroissance du flux de perméat est atténuée de manière significative avec le filtre imité par les poissons (courbe rouge). En augmentant la vitesse d'écoulement principale, la durabilité est encore prolongée comme indiqué en (c).

L'extraordinaire performance anti-encrassement/colmatage de la membrane structurée en branchies de poisson provient du comportement d'écoulement unique des gouttelettes/particules d'encrassement pendant le processus de filtration. En fait, permettre une imagerie de flux in situ est un autre mérite de nos dispositifs à membrane microfluidique proposés. La figure 4a montre les trajectoires d'écoulement des gouttelettes d'huile et des microparticules de plastique sous le microscope optique lors du passage au-dessus des structures en forme de branchies. Prenez la gouttelette d'huile dans la première rangée de la figure 4a comme exemple. Ce chiffre est une combinaison de 16 images consécutives capturées toutes les 0,02 s. A partir de sa trajectoire, nous constatons que lorsque la goutte s'approche d'un élément branchial, elle est entraînée par le flux de perméat vers l'espace (voir t = 0,02 à 0,08 s les "cercles bleus"). Cependant, la gouttelette est brusquement détournée de l'espace en raison des tourbillons (surlignés en cercle rouge, t = 0,10 s) et rencontre le bord d'attaque de l'élément branchial suivant, où la gouttelette ricoche loin de l'espace et retourne au flux principal (t = 0,10 à 0,12 s). Ce processus se répète à l'élément branchial suivant (t = 0,14 à 0,24 s) et provoque l'exclusion de la goutte du perméat. De cette manière, même si la taille des gouttelettes est beaucoup plus petite que les interstices entre deux éléments branchiaux voisins, elle n'entre pas dans l'interstice mais reste dans le flux principal. Une trajectoire similaire de microparticules de plastique peut également être observée dans la deuxième rangée de la figure 4a.

Effet de ricochet induit par les structures imitant les branchies du poisson à la surface de la membrane. (a) Instantanés optiques montrant la trajectoire des gouttelettes d'huile (en haut) et des microparticules de plastique (en bas) lorsqu'elles s'écoulent au-dessus des structures en forme de branchies de poisson à la surface de la membrane. (b) Schéma de la gouttelette dans le flux principal (à gauche) et résultats de simulation numérique (à droite) montrant les lignes de courant (courbes noires) et la distribution de pression (couleur arc-en-ciel indiquant des valeurs élevées à faibles) dans le champ d'écoulement. Les courbes montrent l'influence de la taille des gouttelettes et du nombre de Reynolds sur la force de portance Fy+ s'exerçant sur la gouttelette. (c) L'influence des formes branchiales sur les schémas d'écoulement, les forces et la probabilité de dépôt de gouttelettes d'huile.

Grâce à la modélisation de la dynamique des fluides computationnelle (CFD), nous avons analysé plus en détail les forces exercées sur les gouttelettes/particules lors du passage des structures branchiales. Le modèle d'écoulement près de la structure branchiale est d'abord obtenu en utilisant COMSOL Multiphysics (voir Méthodes et Fig. S4). Une zone de haute pression est repérée près de l'extrémité frontale de la structure branchiale, comme le montre la figure 4b. La ligne de courant indique également une vitesse verticale du flux principal. Lorsqu'une particule se positionne dans un tel écoulement, les forces proviennent principalement de la traînée, de la portance de Saffman et du gradient de pression. Nous supposons que la particule ou la goutte est une sphère rigide en négligeant la déformation sous l'écoulement. A partir de la modélisation COMSOL, nous sommes également capables de calculer la force s'exerçant sur une particule située à la position D + . Comme indiqué sur la figure 4b, Fy est la valeur de la force dans la direction verticale et D + est la distance en avant de la pointe branchiale. On constate que la taille des gouttelettes affecte significativement la valeur de Fy. Comme indiqué sur la figure 4b, plus la gouttelette est grosse, plus la force est grande. Fy augmente également avec le nombre Re. Plus important encore, la distance avec un Fy positif augmente également, ce qui signifie que les particules dans le flux auront plus de chances d'être propulsées vers le haut sous un Re élevé. Nous avons ensuite étudié l'influence de la forme des branchies sur la force verticale. Différentes formes sont obtenues en faisant tourner le bout branchial sur une queue fixe (voir illustration sur la Fig. 4c). L'angle entre la pointe branchiale et la queue est défini comme α. Vu des lignes de courant, la forme change complètement le schéma d'écoulement entre deux branchies adjacentes même sous le même Re = 1,52. Lorsque α = 220 °, une forte séparation du flux se produit derrière la structure branchiale, entraînant un grand vortex captif. Sur la figure 4c, nous avons tracé les forces verticales avant et derrière la pointe avec différents angles de forme. Avec un α grand, la force de portance Fy+ en avant de la pointe branchiale augmente, de même que Fy- en arrière de la pointe. L'effet global de Fy + et Fy- sur le comportement d'écoulement des particules/gouttelettes est évalué par la probabilité de dépôt dans un domaine de calcul contenant 15 éléments structuraux répétés. En augmentant la valeur de α, la probabilité de dépôt diminue d'abord, atteint son minimum à α = 220°, puis augmente à nouveau. À partir des lignes de courant pour différents α, des schémas d'écoulement complètement différents sont observés entre deux branchies adjacentes même sous le même Re = 1,52. Lorsque α = 220 °, une forte séparation du flux se produit derrière la structure branchiale, entraînant un grand vortex captif. Les résultats de la simulation montrent également que la tendance globale de la probabilité de dépôt avec l'augmentation du débit principal, ce qui est bien aligné avec notre observation expérimentale sur la Fig. 2 et l'analyse de force sur la Fig. 4b. Lorsque le nombre de Reynolds du flux principal dépasse 10, la probabilité de dépôt devient proche de 0.

Remarquant que l'effet de ricochet est principalement introduit par la pointe de la branchie du poisson, nous avons encore simplifié la branchie en une forme circulaire. En fait, la structure de forme circulaire représente la section transversale d'un maillage évolutif (voir Fig. 5a). La comparaison des forces verticales induites par une forme circulaire et une forme branchiale est fournie sur la figure 5a. Comme prévu, la force Fy + devant la structure circulaire ne change pas trop. Bien que le Fy- montre une augmentation considérable, il peut en outre être contrôlé en modifiant l'espacement entre les fils, à savoir la taille des pores de la maille. Le ricochet de gouttelette peut encore être observé au-dessus de la forme circulaire simplifiée à partir des résultats d'imagerie de flux. Pour évaluer expérimentalement les performances anti-encrassement/colmatage d'un tel filtre hybride multicouche recouvert de mailles, nous avons également fabriqué un dispositif de filtration microfluidique avec l'approche d'impression sur membrane proposée. Le processus de fabrication est similaire avec un dispositif imitant le poisson : juste après avoir intégré la membrane dans la couche imprimée, un treillis de cuivre disponible dans le commerce est ensuite inséré pour l'impression 3D de la couche suivante. La distance verticale entre le treillis et la membrane peut être contrôlée avec précision par l'épaisseur de la couche imprimée et le nombre de couches intermédiaires. Dans cet appareil, nous avons utilisé une maille de cuivre d'une épaisseur de 62 µm, une taille moyenne de pores de 34 µm et une porosité d'environ 62,6 % (voir l'image SEM sur la Fig. 5a). Les images SEM montrant la vue en coupe transversale du dispositif microfluidique multicouche recouvert de mailles sont données à la Fig. S2b, c. La fabrication réussie de dispositifs hybrides multicouches a démontré la grande capacité de l'impression micro-3D à fabriquer de manière additive de nouvelles structures sur membrane tout en intégrant un treillis métallique dans un dispositif tout-en-un. L'accès facile à des maillages évolutifs avec de grandes variétés de matériaux et de géométries promet de promouvoir de nombreuses implémentations industrielles à grande échelle.

Dispositif de filtration hybride multicouche évolutif et performances de récupération de flux avec nettoyage à contre-courant. (a) Filtre hybride multicouche recouvert de maille. Les sous-figures sont la morphologie de la surface du maillage à partir d'images SEM, les perspectives de l'appareil à partir d'images optiques (voir également la vue en coupe de l'appareil sur la Fig. S2b, c), l'analyse de la force à partir des résultats de simulation et le comportement de ricochet des gouttelettes à partir de l'imagerie en flux, respectivement. (b) Changement de flux de perméat après chaque cycle de rinçage du filtre hybride multicouche. ( c ) Comparaison du flux normalisé entre trois filtres à membrane différents.

Les filtres à membrane tels que fabriqués sont examinés avec un nettoyage à contre-courant vers des applications pratiques. Nous avons caractérisé l'encrassement de la membrane en séparant les émulsions stabilisées par les tensioactifs suivi du rétrobalayage. À titre de démonstration, les déclins en fonction du temps du flux de perméat du filtre hybride multicouche sont tracés sur la figure 5b. Le flux de perméat initial d'une membrane vierge J0 est d'environ 80 µL/min. Lorsqu'elle descend en dessous de 20 µL/min, un rétrobalayage est appliqué pour nettoyer la membrane. De l'eau propre est utilisée dans nos expériences de laboratoire pour le rétrobalayage (voir Fig. S5 de SI pour le processus complet). Dans le tracé, le flux de perméat initial de chaque cycle est marqué comme Ji, et nous avons ensuite comparé le flux de perméat initial normalisé Ji/J0 parmi les différentes configurations de membrane susmentionnées. Comme on peut le voir sur la figure 5c, le flux normalisé a diminué avec l'augmentation des cycles de filtration pour toutes les configurations, indiquant que l'encrassement hydraulique irréversible s'est accumulé progressivement sur la surface de la membrane45,46. Lorsqu'une gouttelette d'huile se dépose sur la surface de la membrane, elle se déforme sous la haute pression ou le flux de perméation, bloque les pores de la membrane ou même pénètre dans les pores pour provoquer un encrassement irréductible. On s'attend à ce que les gouttelettes d'huile avec un rayon plus grand aient une plus forte tendance à la déformation (voir Fig. S6 pour la déformation des gouttelettes d'huile à la surface de la membrane). D'après nos résultats expérimentaux sur les figures 5a, c, une récupération remarquable du flux de perméat a été remarquée avec une membrane à motif de surface par rapport à la membrane nue. En particulier, le FRR du filtre hybride multijoueur est de près de 98 % après le 1er cycle de lavage à contre-courant, et se maintient toujours à 83 % même après 8 cycles. Parce que les structures imprimées en 3D et le micro-maillage sont capables de faire ricocher les grosses gouttelettes/particules, évitant avec succès la contamination de la membrane. Les images SEM de la Fig. S7 de SI montrent les morphologies de surface des membranes après filtration. Le blocage des pores est observé lors de l'utilisation de la membrane nue, tandis que dans le filtre multicouche hybride, la membrane est capable de maintenir une surface propre avec des morphologies clairement visibles. Ces résultats ont confirmé les propriétés anti-encrassement exceptionnelles des filtres à membrane à structure 3D. Il convient de mentionner que le FRR est hautement comparable ou même supérieur aux valeurs rapportées dans la littérature (Fig. 1a), où la modification de la chimie de surface est appliquée de manière intensive à des fins anti-encrassement.

Dans ce travail, nous avons présenté et démontré un nouveau type de filtres à membrane structurés en 3D pour un traitement durable de l'eau sans produits chimiques. Inspirés par les créatures aquatiques, nous sommes en mesure d'intégrer des structures imitant les poissons, des micromesh métalliques et des membranes polymères dans un seul dispositif de filtration fonctionnel imprimé en 3D. Leurs excellentes performances anti-encrassement/colmatage ont été démontrées par la filtration à haut débit de gouttelettes d'huile émulsionnées et de microparticules de plastique. Le mécanisme antisalissure perspicace « ricochet » a également été découvert grâce à l'observation de flux in situ avec des filtres microfluidiques. De cette façon, nous avons réussi à atténuer l'encrassement par des structures imprimées en micro-3D et une manipulation hydrodynamique, au lieu d'une modification de la chimie de surface avec des revêtements chimiques dangereux. Nous sommes convaincus que cette approche fournit une nouvelle solution alternative au traitement de l'eau respectueux de l'environnement dans le cadre des préoccupations environnementales pressantes.

De plus, nous souhaitons souligner la polyvalence et les avantages uniques de l'impression sur membrane, ainsi que ses opportunités potentielles au-delà des applications de traitement de l'eau. L'impression 3D sur membrane possède une grande flexibilité de conception et de fabrication : elle peut être homo- ou hétéro-structurée, continue et/ou discontinue, ouverte et/ou fermée, mono- ou multi-matériaux, autonome ou intégrée de manière hétérogène, mono- ou multicouche. Les vastes choix de membranes incluent divers matériaux et différentes morphologies, du treillis métallique aux membranes polymères nanoporeuses. En imprimant une structure 3D sur une membrane, nous pouvons également tirer parti des choix croissants d'encres d'impression et de leurs composites pour construire des structures fonctionnelles 3D avec les propriétés souhaitées (c'est-à-dire élasticité, rigidité et mouillabilité). De cette manière, avec la membrane elle-même, nous sommes en mesure de permettre des multifonctionnalités et des propriétés physicochimiques hétérogènes au sein d'un seul dispositif sans assemblage.

Les domaines d'application potentiels de l'impression sur membrane sont tout aussi vastes. En tant que l'un des domaines les plus importants, l'utilisation des membranes en microfluidique est devenue un sujet d'intérêt croissant. Pour la fabrication de puces microfluidiques conventionnelles, les fuites sont un problème majeur lors de l'assemblage de la membrane. Notre impression 3D sur membrane offre un moyen élégant de surmonter ce problème critique avec une capacité d'auto-étanchéité. Le cadre de la puce est imprimé avec de la résine photodurcissable et spontanément collé avec une membrane. Les avantages de ce dispositif à membrane "print-and-play" incluent également la facilité d'intégration de la membrane, la flexibilité de la conception de la puce et le contrôle/l'analyse du transport de masse, comme démontré dans ce travail. Intégrés à l'énorme variété de matériaux, de morphologies et d'options de conception, les dispositifs à membrane microfluidique peuvent être facilement adaptés à d'autres applications émergentes dans les domaines de l'énergie, de la chimie, de la bio-ingénierie et de la médecine.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

MacLeod, M., Arp, HPH, Tekman, MB et Jahnke, A. La menace mondiale de la pollution plastique. Sciences 373 (6550), 61–65 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Gallowaya, TS & Lewisa, CN Les microplastiques marins posent de gros problèmes aux générations futures. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 113, 2331–2333 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Obotey Ezugbe, E. & Rathilal, S. Technologies membranaires dans le traitement des eaux usées : une revue. Membranes (Bâle). 10, 89 (2020).

Article PubMed Central CAS Google Scholar

Tanudjaja, HJ, Hejase, CA, Tarabara, VV, Fane, AG & Chew, JW Séparation à base de membrane pour les eaux usées huileuses : une perspective pratique. Eau Rés. 156, 347–365 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Gebreslase, GA Revue sur les membranes pour la filtration de solutions aqueuses : émulsion huile dans eau. J. Membre. Sci. Technol. 08, (2018).

Lenz, KD et al. Une plateforme de filtration microfluidique centrifuge à flux croisés pour séparer le sérum du sang total pour la détection de biomarqueurs amphiphiles. Sci. Rép. 11, 1–8 (2021).

Article CAS Google Scholar

Goh, PS, Lau, WJ, Othman, MHD & Ismail, AF Encrassement des membranes dans le dessalement et ses stratégies d'atténuation. Dessalement 425, 130–155 (2018).

Article CAS Google Scholar

Tanis-Kanbur, MB, Velioğlu, S., Tanudjaja, HJ, Hu, X. & Chew, JW Comprendre l'encrassement des membranes par une émulsion huile-dans-eau via des expériences et des simulations de dynamique moléculaire. J.Memb. Sci. 566, 140-150 (2018).

Article CAS Google Scholar

Lu, D., Zhang, T., Gutierrez, L., Ma, J. & Croué, JP Influence des propriétés de surface de l'oxyde métallique de la couche de filtration sur l'encrassement de la membrane céramique lors de l'ultrafiltration d'une émulsion huile/eau. Environ. Sci. Technol. 50, 4668–4674 (2016).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Zhang, R. et al. Membranes antifouling pour une épuration durable de l'eau : stratégies et mécanismes. Chim. Soc. Rév. 45, 5888–5924 (2016).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ryjkov, VV et al. Séparation et préconcentration cycliques des bactéries sur puce. Sci. Rép. 10, 1–12 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Debnath, N., Kumar, A., Thundat, T. & Sadrzadeh, M. Enquête sur l'encrassement à l'échelle des pores à l'aide d'un système de filtration mimique à membrane microfluidique. Sci. Rep. 9, 1–10 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

De Jong, J., Lammertink, RGH & Wessling, M. Membranes et microfluidique : Une revue. Puce de laboratoire 6, 1125–1139 (2006).

Article CAS PubMed Google Scholar

Cheng, Y., Ye, X., Ma, Z., Xie, S. et Wang, W. Plate-forme de filtration microfluidique à haut débit et sans colmatage pour la séparation des cellules sur puce du sang total non dilué. Biomicrofluidique 10, (2016).

Van Zwieten, R., Van De Laar, T., Sprakel, J. & Schroën, K. Du colmatage coopératif au colmatage non corrélé dans les membranes microfluidiques à flux croisés. Sci. représentant 8, 1–10 (2018).

Google Scholar

Werber, JR, Osuji, CO & Elimelech, M. Matériaux pour les membranes de dessalement et de purification de l'eau de nouvelle génération. Nat. Rév. Mater. 1, 16018 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Kota, AK, Kwon, G., Choi, W., Mabry, JM et Tuteja, A. Membranes hygro-réactives pour une séparation efficace de l'huile et de l'eau. Nat. Commun. 3, 1025 (2012).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Miller, DJ, Dreyer, DR, Bielawski, CW, Paul, DR & Freeman, BD Modification de surface des membranes de purification d'eau. Angew. Chimie - Int. Éd. 56, 4662–4711 (2017).

Article CAS Google Scholar

Yalcinkaya, F., Boyraz, E., Maryska, J. & Kucerova, K. Un examen de la technologie membranaire et de la modification chimique de surface pour le traitement des eaux usées huileuses. Matériaux (Bâle). 13, 493 (2020).

Article ADS CAS PubMed Central Google Scholar

Jiang, X. et al. Membrane composite micro/nanostructure hybride bio-inspirée avec transfert de masse intensifié et antifouling pour la distillation membranaire en eau hautement saline. ACS Nano 14, 17376–17386 (2020).

Article CAS Google Scholar

Wang, Z., Hou, D. & Lin, S. Membrane composite avec surface sous-marine oléophobe pour la distillation de la membrane anti-encrassement par l'huile. Environ. Sci. Technol. 50, 3866–3874 (2016).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Li, L. et al. Membrane bio-inspirée à mouillabilité adaptable pour une séparation intelligente huile/eau. J.Memb. Sci. 598, 117661 (2020).

Article CAS Google Scholar

Liu, H. et al. Maille de Cu revêtue de TiO2 nanostructurée anti-encrassement sensible à la lumière du soleil pour un traitement ultra-rapide des eaux huileuses. Sci. Rep. 6, 25414 (2016).

Article ADS CAS PubMed Central PubMed Google Scholar

Li, Z., Zhang, TC, Mokoba, T. & Yuan, S. Superwetting Bi2MoO6 / Cu3(PO4)2 treillis de cuivre recouvert de nanofeuilles avec des propriétés catalytiques supérieures anti-encrassement par l'huile et de type photo-fenton pour une séparation efficace de l'émulsion huile-dans-eau. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 23662–23674 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Falcucci, G. et al. Des simulations d'écoulements extrêmes révèlent des adaptations squelettiques d'éponges d'eaux profondes. Nature 595, 537-541 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Fux, G. & Ramon, GZ Dynamique à micro-échelle des gouttelettes d'huile à la surface d'une membrane : déformation, réversibilité et implications pour l'encrassement. Environ. Sci. Technol. 51, 13842–13849 (2017).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Barambu, NU et al. La structuration de la surface de la membrane comme stratégie d'atténuation de l'encrassement dans la filtration des liquides : un examen. Polymères (Bâle). 11, 1–14 (2019).

Article CAS Google Scholar

Goon, GSS, Labban, O., Foo, ZH, Zhao, X. & Lienhard, JH Nettoyage induit par la déformation de membranes encrassées organiquement : principes fondamentaux et évaluation technico-économique des membranes enroulées en spirale J.Memb. Sci. 626, 119169 (2021).

Article CAS Google Scholar

Kasaï, Y. et al. Percée dans la purification du pollen fossile pour la datation des sédiments par un nouveau trieur sur puce à grosses particules. Sci. Adv. 7, eabe327 (2021).

Article CAS Google Scholar

Li, H., Aili, A., Alhosani, MH, Ge, Q. & Zhang, T. Transport passif directionnel de microgouttelettes dans des canaux divergents infusés d'huile pour une élimination efficace du condensat. ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 20910–20919 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Judd, S. et al. La taille et les performances des technologies d'extraction d'huile d'eau produite en mer pour la réinjection. Sept. Purif. Technol. 134, 241-246 (2014).

Article CAS Google Scholar

Lusher, A., Hollman, P. & Mandoza-Hill, J. Microplastiques dans la pêche et l'aquaculture. Document technique de la FAO sur les pêches et l'aquaculture 615, (2017).

Choi, DC et al. Effet de la forme du motif sur le dépôt initial de particules dans la phase aqueuse sur les membranes à motifs pendant la filtration tangentielle. Environ. Sci. Technol. Lett. 4, 66–70 (2017).

Article CAS Google Scholar

Dou, Y. et al. Flux croisé inspiré des branchies de poisson pour une collecte efficace et continue des hydrocarbures déversés. ACS Nano 11, 2477–2485 (2017).

Article CAS PubMed Google Scholar

McCloskey, BD et al. Une modification de surface bio-inspirée résistante à l'encrassement pour les membranes de purification d'eau. J.Memb. Sci. 413–414, 82–90 (2012).

Article CAS Google Scholar

Divi, RV, Strother, JA & Paig-Tran, EWM Les raies manta se nourrissent en utilisant la séparation par ricochet, un nouveau mécanisme de filtration non colmatant. Sci. Adv. 4, eaat9533 (2018).

Article ADS PubMed Central PubMed Google Scholar

Sanderson, SL, Roberts, E., Lineburg, J. & Brooks, H. Bouches de poisson en tant que structures d'ingénierie pour la filtration vorticale à pas croisés. Nat. Commun. 7, 1–9 (2016).

Article CAS Google Scholar

Liu, X. et al. Impression 3D de structures super-répulsives liquides bio-inspirées. Adv. Mater. 30, 1800103 (2018).

Article CAS Google Scholar

Li, H., Raza, A., Ge, Q., Lu, JY & Zhang, TJ Renforcer la microfluidique par l'impression micro-3D et le revêtement minéral à base de solution. Matière molle 16, 6841–6849 (2020).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Chowdhury, MR, Steffes, J., Huey, BD & McCutcheon, JR Membranes en polyamide imprimées en 3D pour le dessalement. Sciences 361, 682–686 (2018).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Tijing, LD et al. Impression 3D pour la séparation membranaire, le dessalement et le traitement de l'eau. Appl. Mater. Aujourd'hui 18, 100486 (2020).

Article Google Scholar

Lee, JY et al. Le potentiel d'amélioration de la conception des modules membranaires grâce à la technologie d'impression 3D. J.Memb. Sci. 499, 480–490 (2016).

Article CAS Google Scholar

Sun, C., Fang, N., Wu, DM et Zhang, X. Micro-stéréolithographie par projection utilisant un masque dynamique de micro-miroir numérique. Capteurs Actionneurs, A Phys. 121, 113–120 (2005).

Article CAS Google Scholar

Li, H. & Zhang, T. Imagerie et caractérisation de l'invasion de fluides dans des dispositifs poreux imprimés en micro-3D avec une mouillabilité de surface variable. Matière molle 15, 6978–6987 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Huang, S., Ras, RHA & Tian, ​​X. Membranes antisalissures pour le traitement des eaux usées huileuses : interaction entre le mouillage et l'encrassement des membranes. Courant. Avis. Interface colloïdale Sci. 36, 90-109 (2018).

Article CAS Google Scholar

Hou, X., Hu, Y., Grinthal, A., Khan, M. & Aizenberg, J. Mécanisme de déclenchement à base de liquide avec sélectivité multiphase réglable et comportement antisalissure. Nature 519, 70–73 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

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Ce travail a été soutenu par le Abu Dhabi Award for Research Excellence 2019 (#AARE19-185) d'ASPIRE dans le cadre du Advanced Technology Research Council à Abu Dhabi UAE et en partie par Sandooq Al Watan Applied Research & Development Grant (Project# SWARD-S19-003).

Département de génie mécanique, Masdar Institute, Khalifa University of Science and Technology, PO Box 127788, Abu Dhabi, EAU

Hongxia Li, Aikifa Raza et TieJun Zhang

Collège de génie chimique, Université du Sichuan, Chengdu, 610065, Chine

Shaojun Yuan

Département de génie chimique, Masdar Institute, Khalifa University of Science and Technology, PO Box 127788, Abu Dhabi, EAU

Fayçal Al-Marzooqi

Département de génie mécanique, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA, 02139, États-Unis

Nicolas X. Fang

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HL a effectué les expériences et les simulations et a préparé le manuscrit. AR, SY, FA et NXF ont contribué à la discussion/analyse et édité le manuscrit. TJZ a sécurisé la ressource et supervisé l'ensemble du travail en plus d'améliorer le manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé ce manuscrit.

Correspondance avec Tie Jun Zhang.

La technologie d'impression sur membrane Micro-3D dans ce travail a été déposée auprès de l'Office des brevets et des marques des États-Unis. Les auteurs déclarent n'avoir aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Li, H., Raza, A., Yuan, S. et al. Filtration biomimétique sur puce activée par impression micro-3D directe sur membrane. Sci Rep 12, 8178 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11738-z

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Reçu : 24 février 2022

Accepté : 25 avril 2022

Publié: 17 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-11738-z

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