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近日，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境功能材料及水污染控制團(tuán)隊(duì)高冠道教授課題組開發(fā)了一種自清潔壓電陶瓷濾膜(PiezoMem)，創(chuàng)建了一種利用膜過程中固有水壓驅(qū)動壓電陶瓷濾膜產(chǎn)生壓電電壓并用于免溶劑清洗膜污染的方法，實(shí)現(xiàn)了膜分離過程與抗膜污染過程的統(tǒng)一，為典型膜分離技術(shù)面臨的共性挑戰(zhàn)提供了新策略。研究成果以"Pulsed hydraulic pressure responsive self-cleaning membrane"為題于2022年8月3日發(fā)表在 《Nature》上 (https://www.nature.com/articles/s41586-022-04942-4)。論文通訊作者為環(huán)境學(xué)院高冠道教授，第一作者為博士生趙陽。合作者包括環(huán)境學(xué)院博士生谷玉娜、碩士生劉斌和單超副教授，現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院碩士生嚴(yán)宇杰、博士生郭健和張善濤教授，哈佛大學(xué)Chad D. Vecitis教授。南京大學(xué)為論文第一作者單位和通訊單位。

壓力驅(qū)動的膜分離技術(shù)具有分離效率高、占地面積小和可模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、石油化工、精細(xì)化工、印染、食品生產(chǎn)和水處理等領(lǐng)域。然而膜分離應(yīng)用過程中不可避免地會產(chǎn)生膜污染，在用于水質(zhì)復(fù)雜的廢水處理過程中時膜污染問題尤其突出，這已成為限制膜科學(xué)及技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的"阿喀琉斯"之痛。目前報(bào)道的膜污染控制策略大多數(shù)涉及膜材料表面的靜態(tài)改性，如賦予膜表面超親水涂層以減少膜垢附著在膜表面及膜孔內(nèi)部的能力。然而這些靜態(tài)表面改性只能減緩膜污染的進(jìn)程，在較長時間使用后膜仍會被逐步污染，之后需要使用水或者化學(xué)清洗劑進(jìn)行密集清洗來恢復(fù)膜通量。針對上述挑戰(zhàn)，近年來高冠道教授課題組率先研發(fā)了導(dǎo)電濾膜，并提出了集過濾和電化學(xué)功能為一體的"電過濾"式廢水處理新概念,揭示了"電過濾"技術(shù)去除附著在膜表面及孔內(nèi)的有機(jī)污染物以及微生物的特性和機(jī)理，這為有效減緩膜污染提供了新方法。"電過濾"雖能有效抗污，但仍需要引入導(dǎo)電膜并需外加電源及相關(guān)裝備等，這使膜處理過程復(fù)雜化了。

壓電材料能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而且壓力膜過程中固有約0.5-100bar的操作壓力，這為利用其固有壓力誘導(dǎo)壓電材料產(chǎn)生伏級別的電壓提供了條件?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)通過交叉融合水處理、膜科學(xué)、壓電、電化學(xué)及物理等相關(guān)專業(yè)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制備了具有水壓響應(yīng)的壓電膜分離材料(PiezoMem)。PiezoMem與傳統(tǒng)水處理陶瓷膜有著相似的孔結(jié)構(gòu)及分離性能，更重要的是能在外力刺激下輸出伏級別的壓電電壓(圖1)，這為電抗膜污染提供了可能。隨后的抗膜污染實(shí)驗(yàn)表明，在死端過濾操作模式下，針對含油廢水PiezoMem較non-PiezoMem抗污能力提高70倍以上(圖2)，而且對有機(jī)物、油類、蛋白質(zhì)、微生物、無機(jī)膠體顆粒(正、負(fù)電荷)以及真實(shí)垃圾滲濾液均展示出了普適性抗膜污染特性和抗沖擊污染的潛力(圖3)。進(jìn)一步的研究揭示出PiezoMem可將周期性的脈沖水壓(2bar)原位轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流和快速的電壓震蕩(峰值+5.0/-3.2 V)，進(jìn)而在膜表面及孔內(nèi)誘導(dǎo)形成了不均勻高強(qiáng)脈沖電場和羥基自由基等活性氧物種(ROS) (圖4)。隨后ROS可通過氧化作用打斷吸附/沉積在膜表面的膜垢與膜之間的連接，并可使附著在膜表面的微生物由于氧化或者電擊穿作用失活，從而減少在膜表面的粘附；而不均勻高強(qiáng)脈沖電場能對已被打斷與膜連接并位于膜表面的顆粒物形成介電泳力(DEP)，并排斥顆粒物遠(yuǎn)離膜表面(圖4d, 4e)完成膜自清潔的過程。羥基自由基等ROS具有普適的氧化性能，而且DEP與污染物顆粒表面電荷等無關(guān)，具有推動顆粒物遠(yuǎn)離膜表面的特性，兩種機(jī)制的共同作用大大減緩了膜污染進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了普適性抗膜污染。

總之， PiezoMem的膜分離過程即是抗污染的過程，相較于傳統(tǒng)的膜污染清洗工藝，無需停工停產(chǎn)的膜清洗工段、不需要使用化學(xué)清洗劑及相關(guān)的設(shè)備等，因此具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用潛力。本研究發(fā)現(xiàn)的壓電陶瓷濾膜及ROS+DEP聯(lián)合抗膜污染機(jī)制可為普適性的自清潔材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有力的支撐，因?yàn)橐簤好}動場景是廣泛存在的，從家用設(shè)備(陶瓷馬桶、洗衣機(jī))到醫(yī)療衛(wèi)生材料(醫(yī)用導(dǎo)管)和工業(yè)裝備(輪船、流體管道)等均涉及到脈動壓力，這為利用環(huán)境中固有的液壓作為驅(qū)動力原位產(chǎn)電并用于抗污、防腐和/或消毒提供了豐富的應(yīng)用場景。

本研究得到國家自然科學(xué)基金(21976085)及國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2016YFA0203104， 2017YFE010720)資助。感謝丁杰助理研究員、蒲良桃博士生和蘇暢本科生在論文修改階段所做的測試，同時感謝南京萬德斯環(huán)?？萍脊煞萦邢薰竞徒K海普功能材料有限公司等為膜材料穩(wěn)定和放大實(shí)驗(yàn)提供條件和資助。

圖1 錳摻雜鈦酸鋇基PiezoMem形貌(a-d)與相應(yīng)壓電輸出(g-j)

圖2 PiezoMem抗膜污染效能(a-b, e-f)和膜分離過程中的壓電響應(yīng)(c-d)

圖3 PiezoMem普適性抗膜污染特性(a-c)和膜污染后的膜表面電鏡圖(d)

圖4膜過程中產(chǎn)生的活性氧物種(a)和對無機(jī)顆粒物的抗污染效能(b-c)，原位高強(qiáng)電場與基于介電泳抗膜污染過程的COMSOL模擬(d-e)