膜分離過程即是抗污染過程？膜污染也有了自清洗對策
【化工儀器網 項目成果】膜是具有選擇性分離功能的材料。利用膜的選擇性分離實現料液的不同組分的分離、純化、濃縮的過程稱作膜分離。膜分離技術是指在分子水平上不同粒徑分子的混合物在通過半透膜時，實現選擇性分離的技術，由于其兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節能、環保、分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等特征，因此，已廣泛應用于已廣泛應用于農藥、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。膜污染是指在膜過濾過程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質大分子由于與膜存在物理化學相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產生透過流量與分離特性的不可逆變化現象，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。
近年來，南京大學環境學院教授高冠道課題組不斷對上述問題進行挑戰，他們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。然而，盡管“電過濾”能有效抗污，但仍需要引入導電膜并還需外加電源及相關裝備等，這使得膜處理的過程變得更加復雜了。
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。在此基礎上，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。并且，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。
該項研究中所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，尤其液壓脈動場景廣泛存在于家用設備(陶瓷馬桶、洗衣機)、醫療衛生材料(醫用導管)甚至是工業裝備(輪船、流體管道)中都涉及到脈動壓力，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。
相關研究成果以《脈沖水壓響應自清洗濾膜》，發表在《自然》上。
(資料來源：中國科學報)
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