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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(kāi)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(guò)程中固有水壓驅(qū)動(dòng)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(guò)程與抗膜污染過(guò)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(yáng)。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(dòng)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(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生膜污染，在用于水質(zhì)復(fù)雜的廢水處理過(guò)程中時(shí)膜污染問(wèn)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(zhǎng)時(shí)間使用后膜仍會(huì)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(lái)恢復(fù)膜通量。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，近年來(lái)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(guò)濾和電化學(xué)功能為一體的"電過(guò)濾"式廢水處理新概念,揭示了"電過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jí)別的電壓提供了條件。基于此，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jí)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(guò)濾操作模式下，針對(duì)含油廢水PiezoMem較non-PiezoMem抗污能力提高70倍以上(圖2)，而且對(duì)有機(jī)物、油類、蛋白質(zhì)、微生物、無(wú)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(chǎng)和羥基自由基等活性氧物種(ROS) (圖4)。隨后ROS可通過(guò)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(chǎng)能對(duì)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(guò)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(wú)關(guān)，具有推動(dòng)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(guò)程即是抗污染的過(guò)程，相較于傳統(tǒng)的膜污染清洗工藝，無(wú)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(shì)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(dòng)場(chǎng)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(dòng)壓力，這為利用環(huán)境中固有的液壓作為驅(qū)動(dòng)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(chǎng)景。

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(21976085)及國(guó)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(cè)試，同時(shí)感謝南京萬(wàn)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生的活性氧物種(a)和對(duì)無(wú)機(jī)顆粒物的抗污染效能(b-c)，原位高強(qiáng)電場(chǎng)與基于介電泳抗膜污染過(guò)程的COMSOL模擬(d-e)