8月3日，南京大學環境學院環境功能材料及水污染控制團隊高冠道教授課題組在Nature 上發表題為「Pulsed hydraulic pressure responsive self-cleaning membrane」的研究論文。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並用於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。
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，已廣泛應用於農藥、醫藥、石油化工、精細化工、印染、食品生產和水處理等領域。近年來，高冠道教授課題組率先研發了導電濾膜，並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並需外加電源及相關裝備等，這使膜處理過程複雜化了。
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。基於此，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，精準設計和製備了具有水壓響應的壓電膜分離材料(PiezoMem)。PiezoMem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(圖1)，這為電抗膜污染提供了可能。
隨後的抗膜污染實驗表明，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)，而且對有機物、油類、蛋白質、微生物、無機膠體顆粒(正、負電荷)以及真實垃圾滲濾液均展示出了普適性抗膜污染特性和抗衝擊污染的潛力(圖3)。進一步的研究揭示出PiezoMem可將周期性的脈衝水壓(2bar)原位轉化為相應的電流和快速的電壓震盪(峰值+5.0/-3.2 V)，進而在膜表面及孔內誘導形成了不均勻高強脈衝電場和羥基自由基等活性氧物種(ROS) (圖4)。
圖4膜過程中產生的活性氧物種(a)和對無機顆粒物的抗污染效能(b-c)，原位高強電場與基於介電泳抗膜污染過程的COMSOL模擬(d-e)
隨後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，並可使附著在膜表面的微生物由於氧化或者電擊穿作用失活，從而減少在膜表面的粘附；而不均勻高強脈衝電場能對已被打斷與膜連接並位於膜表面的顆粒物形成介電泳力(DEP)，並排斥顆粒物遠離膜表面(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，具有推動顆粒物遠離膜表面的特性，兩種機制的共同作用大大減緩了膜污染進程，實現了普適性抗膜污染。
總之， PiezoMem的膜分離過程即是抗污染的過程，相較於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並用於抗污、防腐和/或消毒提供了豐富的應用場景。
本研究得到國家自然科學基金及國家重點研發項目資助。論文通訊作者為環境學院高冠道教授，第一作者為博士生趙陽。合作者包括環境學院博士生谷玉娜、碩士生劉斌和單超副教授，現代工程與應用科學學院碩士生嚴宇傑、博士生郭健和張善濤教授，哈佛大學Chad D. Vecitis教授。南京大學為論文第一作者單位和通訊單位。
高冠道，南京大學環境學院教授，博士生導師。博士畢業於南京大學，隨後在哈佛大學工程與應用科學學院從事博士後研究工作。2016年加盟南京大學。近年來致力於探索涉電物理效應（熱電、壓電、鐵電等）及環境功能納米材料界面電荷調控、原位表徵和構效關係的交叉研究，開發了電荷（場）調控吸/脫附、氧化還原反應、膜分離過程的耦合技術，揭示了電調控的作用機制，為發展電調控物化水處理技術提供了理論基礎與方法參考。
高冠道教授所任教的南京大學環境學院初創於1978 年，是國內較早開展環境類教學與科研的單位之一。環境科學與工程是國家「雙一流建設」學科、江蘇省重點建設優勢學科，環境科學、環境工程入選「雙萬」建設專業。學院在環境化學、環境毒理與健康、水污染控制、環境功能材料、環境規劃與管理等方向優勢突出。截至今年6月，南大環境學院榮獲國家科技獎13項、何梁何利基金2項、省部級一等獎14項、國際獎6項。學院依託平台群匯聚180位校內學科交叉、校外實踐以及國際導師以完善導師鏈，提供創新訓練、科研項目、平台實習、社會實踐、國際交流等項目鏈資源約80項/年，學生參與科創訓練100%。
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素材來源：南京大學新聞網、南京大學環境學院官網、南大招生小藍鯨、TOP大學來了