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8月19日，從南京大學(xué)傳出消息，該校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(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)了膜分離過程與抗膜污染過程的統(tǒng)一，為應(yīng)對(duì)典型膜分離技術(shù)面臨的共性挑戰(zhàn)提供了新策略。
高冠道表示，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。該研究發(fā)現(xiàn)的壓電陶瓷濾膜及活性氧物種(ROS)+介電泳力(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。
據(jù)介紹，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)雜的廢水處理過程中時(shí)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)用的阿喀琉斯之踵。
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0.5~100巴的操作壓力。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?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制備了具有水壓響應(yīng)的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，為電抗膜污染提供了可能。
抗膜污染實(shí)驗(yàn)表明，在死端過濾操作模式下，針對(duì)含油廢水PiezoMem較non-PiezoMem抗污能力提高70倍以上，而且對(duì)有機(jī)物、油類、蛋白質(zhì)、微生物以及真實(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。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示出PiezoMem可將周期性的脈沖水壓原位轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流和快速的電壓震蕩，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ROS。隨后ROS可通過氧化作用，減少了微生物在膜表面的粘附。而不均勻高強(qiáng)脈沖電場(chǎng)能與膜表面的顆粒物形成DEP，并排斥顆粒物遠(yuǎn)離膜表面完成膜自清潔的過程。
高冠道介紹，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、消毒提供了豐富的應(yīng)用場(chǎng)景。
