液体门控技术：面向碳中和背景下的节能环保应用

余诗洁 雷津美 侯雅琦 侯旭

随着全球工业生产的高速发展，化石燃料（如石油、煤等）被大规模使用，这不仅加速了不可再生能源的消耗，还导致CO2的大规模排放，使大气层内CO2含量急剧增加，阻碍地球的热量散失，造成全球变暖。全球变暖不仅会造成冰川融化、海平面上升，还会打破生态系统的平衡，增加极端天气出现频率，导致心血管和呼吸系统等疾病的发病率显著上升，同时增加疾病传播和扩散的风险，对人类和动植物的正常生存产生威胁。

2020年联合国大会期间，我国宣布“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”碳中和指一段时间内，特定组织或整个社会活动产生的CO2，通过植树造林、海洋吸收、工程封存等自然、人为手段被吸收和抵消掉，实现人类活动CO2相对“零排放”。

当前面向碳中和下的节能环保技术有很多：①提高能源效率：如建筑节能、工业能效提高和车辆节能科技等。②发展可再生能源：如太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等。③建筑环保：包括绿色建筑、低碳建筑和生态建筑等。④垃圾处理和资源回收：包括垃圾分类、垃圾焚烧、垃圾填埋和回收再利用等。⑤水资源管理：包括节水技术、污水处理技术、再生水利用技术等。⑥碳捕捉和封存：这是一项用于减少CO2排放的技术，包括碳捕捉、转化和储存。这些技术的应用不仅可以减少CO2排放，还能提高能源效率，促进资源循环利用，改善环境质量。

液体门控技术作为一种新兴技术正在蓬勃发展，并与工业能效提高、碳捕捉和封存、绿色建筑等碳中和下的节能环保技术交叉融合[1]，有利于进一步实现碳中和目标。液体门控技术是液体借助毛细力与微尺度孔道固体材料稳定复合，形成一种被液体封闭的孔道结构。在外部压力驱动下封闭的液体通过可逆开启，在固体孔道内壁形成有液体层包裹的通路，从而起到“液体门”的作用[2]。通过对微尺度孔道固体材料和门控液体两大组成部分的设计，可开发出全新的液体门控系统。随着研究的不断深入，其节能减阻、自适应调节、智能响应等性能优势逐渐凸显。在碳中和下的节能环保应用领域的液体门控技术，目前包括节能减阻的液体门控乳化系统、液体门控CO2智能阀门系统，以及具有温度自适应性的液体门控温室大棚等。

节能减阻的液体门控乳化系统

乳状液广泛应用于食品工业、日用化学、生物医学、石油化工、3D打印等领域，是一种液体以液珠形式分散在与之不相溶的另一种液体中而形成的分散体系。例如油与水混合时，自然情况下密度小的油在上层，密度大的水在下层， 通过一定的手段使油被分散在水中，形成乳状液，该过程就叫乳化。

乳化技术通常可分为非接触式和接触式。在非接触式中，超声法最为常用，通过超声波对液体的空化作用（液体中的微气核空化泡在声波作用下振动，声压达到一定值时气泡会发生生长或崩溃）使液体形成乳状液，但是该过程需要消耗大量的能量，此外大部分能量易转变为热量耗散到环境中，同时耗散热量引起的温度升高又会导致乳状液内一些温度敏感的生物活性成分（如酶、细菌和蛋白质）结构发生变化甚至失活。在接触式乳化方法中，通常包含涡旋混合、均质、膜乳化、微流控等。在这些制备方法中，膜乳化方法因其能耗较低而被广泛研究。

膜乳化是在压力作用下将分散相（乳状液中以液滴形式存在的物质）透过膜孔在另一侧膜表面形成液滴，在流动的连续相（乳状液中连成一片的物质）的冲刷下从膜表面剥离，形成粒径均一的乳状液。液体在压力的驱使下通过固体孔道形成小液滴，但固—液界面粗糙度高、相互作用较强等因素使得过膜阻力较大，因此依旧需要较高能耗来提供足够的过膜压强。此外，膜乳化过程容易造成固体膜材料表面及内部的污染或结垢，大大降低生产效率，甚至导致乳化膜材料失效。降低膜乳化过程中的能耗并提升乳化膜材料的抗污染性能是一个巨大的挑战。

針对膜乳化过程中的问题，采用基于液体门控技术的节能减阻液体门控乳化机制就能很好解决[3]。由于固体材料表面具有一定的粗糙度，增大了分散相液体通过固体界面进入流动相的阻力，因此跨膜压强较高。在液体门控乳化系统中，门控液体包裹在固体材料表面，提供了分子级平整光滑的液—液界面，大大降低了液体通过液体门控膜体系的阻力，跨膜压强显著降低。

以油水两相的混合为例。初始时，油水两相由于分相具有最低的能量状态，为使它们混合形成乳状液，需要外部的能量输入以克服能垒使油水两相达到高能量状态。对于膜乳化系统，需要较高的能量输入来克服来自固—液界面的高阻力；对于液体门控乳化系统，只需要较低的能量输入便能克服来自液—液界面的低阻力。与膜乳化相比，液体门控乳化系统能节约1～4个数量级的能耗，并且液体门控乳化系统制备速度更快，体现出其节能性和高效性。

液体门控乳化机制还可以通过改变流速、孔径、表面活性剂浓度等，对乳状液滴的粒径进行精准调控。在两相酶催化领域，能够为乳状液中对温度敏感的生物活性成分（如脂肪酶）提供舒适的反应环境，有效避免它们因暴露在高温而失活，从而保证较高的酶催化活性。此外，在材料制备和药物释放等领域，能够显著降低乳化过程中的能耗，并能高效制备粒径均匀的液滴。从而有效地解决了现有乳化技术中能耗高、效率低等问题，助力全球乳状液市场面向碳中和的转型与发展，并为化妆品、农药、涂料、医药、材料等领域带来更大的经济价值。