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南京大学环境学院教授高冠道课题组开发了一种自清洁压电陶瓷滤膜(PiezoMem)，创建了一种利用膜过程中固有水压驱动压电陶瓷滤膜产生压电电压并用于免溶剂清洗膜污染的方法，实现了膜分离过程与抗膜污染过程的统一，为典型膜分离技术面临的共性挑战提供了新策略。近日，相关研究成果以《脉冲水压响应自清洗滤膜》，发表在《自然》上。南京大学博士生赵阳为论文第一作者，高冠道为论文通讯作者。
压力驱动的膜分离技术具有分离效率高、占地面积小和可模块化设计等优点，已广泛应用于农药、医药、石油化工、精细化工、印染、食品生产和水处理等领域。然而膜分离应用过程中不可避免地会产生膜污染，在用于水质复杂的废水处理过程中时膜污染问题尤其突出，这已成为限制膜科学及技术发展和应用的“阿喀琉斯”之痛。
目前报道的膜污染控制策略大多数涉及膜材料表面的静态改性，如赋予膜表面超亲水涂层以减少膜垢附着在膜表面及膜孔内部的能力。然而这些静态表面改性只能减缓膜污染的进程，在较长时间使用后膜仍会被逐步污染，之后需要使用水或者化学清洗剂进行密集清洗来恢复膜通量。
针对上述挑战，近年来高冠道课题组率先研发了导电滤膜，并提出了集过滤和电化学功能为一体的“电过滤”式废水处理新概念，揭示了“电过滤”技术去除附着在膜表面及孔内的有机污染物以及微生物的特性和机理，这为有效减缓膜污染提供了新方法。“电过滤”虽能有效抗污，但仍需要引入导电膜并需外加电源及相关装备等，这使膜处理过程复杂化了。
压电材料能将机械能转化为电能，而且压力膜过程中固有约0.5-100bar的操作压力，这为利用其固有压力诱导压电材料产生伏级别的电压提供了条件。基于此，研究团队通过交叉融合水处理、膜科学、压电、电化学及物理等相关专业，精准设计和制备了具有水压响应的压电膜分离材料。自清洁压电陶瓷滤膜与传统水处理陶瓷膜有着相似的孔结构及分离性能，更重要的是能在外力刺激下输出伏级别的压电电压，这为电抗膜污染提供了可能。
自清洁压电陶瓷滤膜的膜分离过程即是抗污染的过程，相较于传统的膜污染清洗工艺，无需停工停产的膜清洗工段、不需要使用化学清洗剂及相关的设备等，因此具有明显的优势和广阔的应用潜力。本研究发现的压电陶瓷滤膜及ROS+DEP联合抗膜污染机制可为普适性的自清洁材料设计和应用提供有力的支撑，因为液压脉动场景是广泛存在的，从家用设备(陶瓷马桶、洗衣机)到医疗卫生材料(医用导管)和工业装备(轮船、流体管道)等均涉及到脉动压力，这为利用环境中固有的液压作为驱动力原位产电并用于抗污、防腐和/或消毒提供了丰富的应用场景。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04942-4
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