💡这项突破是什么?
近日，南京大学环境学院潘丙才教授团队在《Nature》上发表题为‘Piezocatalytic removal of water-borne pathogens and in situ generation of reactive oxygen species for water disinfection’的研究论文，报道了压电陶瓷滤膜（PiezoMem）在膜分离过程中利用液压脉动原位产电，实现自清洁抗膜污染的最新研究成果。
膜分离技术在水处理领域应用广泛，但膜污染问题严重制约了其应用。膜污染导致膜通量下降、能耗增加、膜寿命缩短，并需要频繁的化学清洗，造成二次污染。因此，开发具有自清洁功能的抗污染膜材料是膜分离领域的重要研究方向。
潘丙才教授团队基于压电陶瓷材料，开发了一种具有自清洁功能的压电陶瓷滤膜（PiezoMem）。该滤膜在膜分离过程中，利用液压脉动原位产生压电电势，驱动压电催化反应，在膜表面原位生成羟基自由基等活性氧物种（ROS），氧化降解有机污染物；同时，压电电势在膜孔内形成高强电场，通过介电泳力（DEP）排斥颗粒物远离膜表面，实现膜的自清洁抗污染。
研究结果表明，PiezoMem对腐殖酸、蛋白质、多糖、油类等多种有机污染物以及二氧化硅、碳酸钙等无机颗粒物均表现出优异的抗污染性能。在长达100小时的连续过滤实验中，PiezoMem的膜通量衰减率仅为5%，而传统滤膜的膜通量衰减率高达70%。
压电陶瓷滤膜的自清洁抗污染机制主要包括ROS氧化降解和DEP排斥颗粒物两个方面。在膜分离过程中，液压脉动驱动PiezoMem产生压电电势，压电电势驱动压电催化反应，在膜表面原位生成羟基自由基等ROS，氧化降解吸附在膜表面的有机污染物（图4a）。同时，压电电势在膜孔内形成高强电场，高强电场与位于膜表面的颗粒物形成介电泳力（DEP），并排斥颗粒物远离膜表面（图4d, 4e）完成膜自清洁的过程。羟基自由基等ROS具有普适的氧化性能，而且DEP与污染物颗粒表面电荷等无关，具有推动颗粒物远离膜表面的特性，两种机制的共同作用大大减缓了膜污染进程，实现了普适性抗膜污染。
总之，PiezoMem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。
本研究得到国家自然科学基金（21976085）及国家重点研发项目（2016YFA0203104， 2017YFE010720）资助。感谢丁杰助理研究员、蒲良桃博士生和苏畅本科生在论文修改阶段所做的测试，同时感谢南京万德斯环保科技股份有限公司和江苏海普功能材料有限公司等为膜材料稳定和放大实验提供条件和资助。
图1 锰掺杂钛酸钡基PiezoMem形貌（a-d）与相应压电输出（g-j）
图2 PiezoMem抗膜污染效能（a-b, e-f）和膜分离过程中的压电响应（c-d）
图3 PiezoMem普适性抗膜污染特性（a-c）和膜污染后的膜表面电镜图（d）
图4膜过程中产生的活性氧物种（a）和对无机颗粒物的抗污染效能（b-c），原位高强电场与基于介电泳抗膜污染过程的COMSOL模拟（d-e）
