處理膜污染，有了自清洗對策

南京大學環境學院教授高冠道課題組開發了一種自清潔壓電陶瓷濾膜(PiezoMem)，創建了一種利用膜過程中固有水壓驅動壓電陶瓷濾膜產生壓電電壓并用于免溶劑清洗膜污染的方法，實現了膜分離過程與抗膜污染過程的統一，為典型膜分離技術面臨的共性挑戰提供了新策略。近日，相關研究成果以《脈沖水壓響應自清洗濾膜》，發表在《自然》上。南京大學博士生趙陽為論文第一作者，高冠道為論文通訊作者。

壓力驅動的膜分離技術具有分離效率高、占地面積小和可模塊化設計等優點，已廣泛應用于農藥、醫藥、石油化工、精細化工、印染、食品生產和水處理等領域。然而膜分離應用過程中不可避免地會產生膜污染，在用于水質復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及技術發展和應用的“阿喀琉斯”之痛。

目前報道的膜污染控制策略大多數涉及膜材料表面的靜態改性，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部的能力。然而這些靜態表面改性只能減緩膜污染的進程，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清洗劑進行密集清洗來恢復膜通量。

針對上述挑戰，近年來高冠道課題組率先研發了導電濾膜，并提出了集過濾和電化學功能為一體的“電過濾”式廢水處理新概念，揭示了“電過濾”技術去除附著在膜表面及孔內的有機污染物以及微生物的特性和機理，這為有效減緩膜污染提供了新方法。“電過濾”雖能有效抗污，但仍需要引入導電膜并需外加電源及相關裝備等，這使膜處理過程復雜化了。

壓電材料能將機械能轉化為電能，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壓電材料產生伏級別的電壓提供了條件。基于此，研究團隊通過交叉融合水處理、膜科學、壓電、電化學及物理等相關專業，精準設計和制備了具有水壓響應的壓電膜分離材料。自清潔壓電陶瓷濾膜與傳統水處理陶瓷膜有著相似的孔結構及分離性能，更重要的是能在外力刺激下輸出伏級別的壓電電壓，這為電抗膜污染提供了可能。

自清潔壓電陶瓷濾膜的膜分離過程即是抗污染的過程，相較于傳統的膜污染清洗工藝，無需停工停產的膜清洗工段、不需要使用化學清洗劑及相關的設備等，因此具有明顯的優勢和廣闊的應用潛力。本研究發現的壓電陶瓷濾膜及ROS+DEP聯合抗膜污染機制可為普適性的自清潔材料設計和應用提供有力的支撐，因為液壓脈動場景是廣泛存在的，從家用設備(陶瓷馬桶、洗衣機)到醫療衛生材料(醫用導管)和工業裝備(輪船、流體管道)等均涉及到脈動壓力，這為利用環境中固有的液壓作為驅動力原位產電并用于抗污、防腐和/或消毒提供了豐富的應用場景。