南京大学,最新《Nature》:自清洁滤膜!

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研究背景

压力驱动膜是一种广泛应用于水净化、生物加工、食品加工和化工生产等行业的分离技术。尽管具有模块化设计和占地面积小等诸多优点,但在大多数实际应用中,不可避免地会产生膜污染。污垢通过降低渗透通量或增加压力要求来限制膜性能,从而导致更高的能量运行和更多的维护成本。

目前,为了提高防污性能,已 道的膜改性策略大多数涉及永久性材料改性,如在超亲水表面涂层,以减少污染物粘附或吸附到膜上的趋势。然而,这些静态改性只会降低污垢速率,最终会自身被污染,需要密集清洁。

替代静态改性的一种方法就是使用外部刺激响应材料作为表面涂层或膜本身。刺激响应性材料将允许原位实时修改膜性能,如表面电荷,以降低污染速率,并可能具有膜污染逆转的潜力。关于刺激响应性膜材料,大多数研究集中于电势和电磁辐射作为独立驱动力。然而,这些电磁刺激响应膜需要进一步地外部刺激源,与压力驱动的膜过程密切耦合,这增加了系统的另一个复杂程度。

另一种选择是,使用由压电材料制成的压力刺激响应膜来诱导电活性防污响应。由于液压(>0.1 MPa)是膜工艺的主要内在驱动力,因此该压力可同时用于在压电膜中产生电活性防污效果(d33=2~600 pC?N?1)。最终,这将允许在不需要进一步的外部驱动力或更多清洁剂的情况下,创建一种刺激响应膜,用于原位污染缓解。

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研究成果

于2022年8月3日,南京大学高冠道教授等人 道了一种液压响应膜(压电膜),用于将压力脉冲转换为电活性响应,以实现原位自清洁。跨膜的瞬态液压波动导致产生电流脉冲和快速电压振荡(峰值,+5.0/?3.2 V),能够在不需要补充化学清洁剂、二次废物处理或进一步外部刺激的情况下,降解和排斥污染物。通过活性氧(ROS)产生和介电电泳排斥作用,压电膜对一系列膜污染物(包括有机分子、油滴、蛋白质、细菌和无机胶体)表现出广谱防污作用。相关研究成果以“Pulsed hydraulic-pressure-responsive self-cleaning membrane” 为题发表在国际学术期刊《Nature》上。

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图文速递

研究者通过烧结方法,制备了MnO/BTO(Mn2O3/BaTiO3)压电膜(图1a)。通过扫描电镜(SEM)和压汞测试确定膜的平均孔径为130~151 nm,体积孔隙率为14.5%,直径为30 mm,厚度为1.5~2.5 mm,纯水渗透性约为60 LMH?bar?1。值得注意的是,可以通过减小分离层的厚度等来改善其水通量。在1-2μm的最佳压电范围内,烧结导致大量颗粒粗化,平均晶粒尺寸为1.15 μm(0.29-3.78 μm)。

在脉冲条件下,当用高2500 ppm O/W乳液(图2a)激发以加速污垢时,压电膜通量(LMH)在8h的运行中下降约12%。相反,对于没有压力脉冲的压电膜(图2b)和控制非压电膜,通量在不到1小时内迅速下降到接近零(图2a)。脉冲压电膜flux50为124ml,是恒压flux50(1.6ml)的78倍。根据进水和出水总有机碳测量结果确定,膜对排油也有效(93.6±3.1%),并使用油红O染料进行目视确认,以证明出水几乎无色(插图2a)。

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结论与展望

在膜处理过程中,污垢是不可避免且普遍存在的,虽然有许多途径可以赋予膜防污性能,但本项工作是利用膜过程固有的驱动压力来减轻膜污染。压电膜将液压驱动压力中的周期性瞬态零脉冲,转换为相应的电流脉冲和快速电压振荡,分别产生近表面ROS和介电泳力。这些电活性现象导致了一种通用的防污工艺,可有效处理各种污染物,包括蛋白质、正/中性/负胶体、有机分子、油滴和微生物。此外,本研究的压力刺激响应型防污策略具有广泛的应用潜力,包括家庭和医疗卫生设施(陶瓷马桶、洗衣机或导管)和工业设备(海船、流体管道或分离膜),通常与液压波动相互作用。然而,使用固有液压作为驱动力来产生原位电活性,现已被证明具有潜在的防污、防腐和/或消毒性能。压电材料在水环境中长期运行的去极化潜力将是此类技术持续发展的主要挑战。

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文献

文献链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04942-4

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