国家自然科学基金委员会官网8月19日讯：在国家自然科学基金项目（批准号：21976085）等资助下，南京大学环境学院环境功能材料与水污染控制研究团队高冠道课题组与国外合作者开发了一种自清洁压电陶瓷滤膜（PiezoMem），创建了一种利用膜分离过程固有水压驱动压电陶瓷滤膜产生压电电压，从而实现免溶剂清洗膜污染的方法，实现了膜分离过程与抗膜污染过程的统一。研究成果以“脉冲水压响应自清洁滤膜（Pulsed hydraulic pressure responsive self-cleaning membrane）”为题于2022年8月3日发表在《自然》（Nature）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04942-4。

压力驱动的膜分离技术具有分离效率高、占地面积小和可模块化设计等优点，已广泛应用于农药、医药、石油化工、精细化工、印染、食品生产和水处理等领域。然而膜分离应用过程中不可避免地会产生膜污染，在用于废水处理过程时膜污染问题尤其突出，已成为限制膜科技发展和应用的“阿喀琉斯”之痛。

压电材料能将机械能转化为电能，而膜过程中固有的0.5－100 bar操作压力可诱导压电材料产生伏特级别的电压。基于此，研究团队精准设计和制备了具有水压响应的压电膜分离材料（PiezoMem），它与传统水处理陶瓷膜有着相似的孔结构及分离性能，同时能在外力刺激下输出伏级的压电电压，为电抗膜污染提供了可能。抗膜污染实验表明，在死端过滤操作模式下，针对含油废水PiezoMem较non-PiezoMem抗污能力提高70倍以上，而且对有机物、油类、蛋白质、微生物、无机胶体颗粒（正、负电荷）以及真实垃圾渗滤液均展示出了普适性抗膜污染特性和抗冲击污染的潜力。进一步的研究揭示出PiezoMem可将周期性的脉冲水压（2 bar）原位转化为相应的电流和快速的电压震荡（峰值+5.0/-3.2 V），进而在膜表面及孔内诱导形成了不均匀高强脉冲电场和羟基自由基等活性氧物种（ROS）。随后ROS可通过氧化作用打断吸附/沉积在膜表面的膜垢与膜之间的连接，并可使附着在膜表面的微生物失活，从而减少在膜表面的粘附；而不均匀高强脉冲电场能对已被打断与膜连接，并位于膜表面的颗粒物形成介电泳力（DEP），排斥颗粒物远离膜表面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。

PiezoMem实现了膜分离过程与抗污染过程的有机统一，相较于传统的膜污染清洗工艺，无需停工停产且不需要使用化学清洗剂及相关的设备等，具有明显的优势和广阔的应用潜力。