压力驱动滤膜是一种广泛运用于水体净化、生物加工、食品加工和化工生产等行业的分离技能。只管其具有许多优点，例如模块化设计和最小的占地面积，但在大多数实际运用中不可避免的膜污染仍旧是一个亟需战胜的关键寻衅。污垢通过降落渗透通量或增加压力哀求以限定膜性能，从而使其以更高的能量运行，并增加掩护本钱。对付刺激相应性膜材料而言，大多数研究集中于以电势和电磁辐射作为独立驱动力。然而，这些电磁刺激相应膜须要与压力驱动膜过程密切耦合的外部刺激源，导致系统的繁芜程度增加。
在本文中，作者开拓出一种液压相应滤膜(PiezoMem)，其可以将压力脉冲转换为电活性相应，从而实现原位自清洁功能。研究表明，跨膜的瞬态液压颠簸可以产生电流脉冲和快速电压振荡(峰值+5.0/−3.2 V)，因此能够在不须要补充化学清洁剂、二次废弃物处理或进一步外部刺激的情形低落解污染物。此外，该PiezoMem可以通过产生活性氧物种(ROS)和介电泳排斥浸染，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)表现出普适性抗膜污染性能。
第一作者：赵阳
通讯作者：高冠道教授
通讯单位：南京大学
DOI: 10.1038/s41586-022-04942-4
亮点解析
压电滤膜的制备与表征
如图1a所示，采取烧结法制备出MnO/BTO (Mn2O3/BaTiO3)压电滤膜。该滤膜的膜的均匀孔径为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。高角度环形暗场成像(HAADF, 图1d)和相应的能量色散X射线(EDX)元素映射(图1f)进一步证明，陶瓷由源自BTO和烧结添加剂Mn2O3的Ba、Ti、O和Mn元素组成。此外，添加Mn2O3还可提高MnO/BTO复合股料的力学强度，从而防止压力驱动(2 bar)膜工艺期间的开裂问题(图1a)。如图1h所示，塑料包裹及防水压电滤膜的压电电压为2.4–18.8V，与空气中的类似。比较之下，图1j中未不雅观察到非压电膜的显著压电旗子暗记。在约0.3 bar驱动压力下，油水(O/W)乳液中的压电电压约为4 V，低于微滤/超滤过程在0.5–5 bar下利用的压力。
图1. 锰掺杂钛酸钡基PiezoMem的描述与相应的压电输出性能。
自清洁性能
根据压电理论，恒定的液压不会在PiezoMem中勾引产生电压(图2c)。因此，选择事情压力至零并返回的周期性压力脉冲(图2b)进行测试，个中事情压力可被视为恒定在2 bar，周期性(每70秒)负脉冲为0 bar，向下循环为2 s，向上循环为7 s，随后返回至2 bar。在该脉冲条件下，采取高2500 ppm O/W乳液(图2a)引发以加速污染时，PiezoMem通量(LMH)在8 h的运行中低落约12%。相反，对付没有压力脉冲的PiezoMem膜(图2b)和non-PiezoMem膜而言，通量在不到1 h内迅速低落至靠近零(图2a)。
图2. PiezoMem的抗膜污染性能及膜分离过程中的压电相应。
如图2c所示，PiezoMem的抗污染能力与零压力脉冲产生的瞬态电流脉冲和快速电压振荡(+5.0/−3.2 V)有关。比较之下，恒压下的PiezoMem膜和周期性脉冲下的non-PiezoMem膜均未产生可检测的瞬态电流或电压旗子暗记，证明压力脉冲和材料极化对付原位膜污染减少的关键浸染。上述结果表明，在运行70 s以上积累的大多数含油污染物可以通过短韶光的零压脉冲(2 s/7 s)即可从膜表面去除。
普适性抗污染性能
如图3a所示，为研究PiezoMem更广泛的抗污染性能，采取一系列常见的污染物对该系统(均匀孔径为130 nm)进行测试，包括蛋白质(去离子水中的牛血明净蛋白(BSA), <d>=4.6nm, ζ=−14.4mV)、微生物(大肠杆菌, 1.6μm，−18mV)和胶体(Al2O3+(415.3nm, +41.6mV)和SiO2− (571.2nm, −25.9mV)。测试表明，在运行0.5 h后，初始脉冲PiezoMem通量(~120 LMH)仅减少了一小部分(<5%)：BSA减少1.7%，大肠杆菌减少1.6%，Al2O3减少2.4%，SiO2减少3.7%。同时，PiezoMem对大肠杆菌(>99.8%)、SiO2和Al2O3 (>90%)的抑制也很有效。此外，过滤后的电子显微镜和膜表面的相应元素映射图证明，与non-PiezoMem比较，PiezoMem表面上的污染物数量明显减少(图3d)。
图3. PiezoMem普适性抗膜污染特性和膜污染后的膜表面SEM图。
可能的抗污防污机理
有机分子、蛋白质和微生物常日通过吸附或沉积到膜表面或孔壁上而引起膜污染，一种潜在的防污机理是通过液压脉冲勾引的瞬态压电电位产生ROS氧化粘附在膜上的有机污染物。因此，如图4a所示，作者探测了ROS以研究PiezoMem的抗污防污机理，包括·OH和1O2，其氧化还原电位分别为1.9–2.7 V和2.2 V。此外，如图4d-e所示，采取COMSOL软件构建出包括介电电泳力、静电力和速率阻力的粒子-PiezoMem表面相互浸染模型。该仿照结果可进一步支持实验不雅观察结果，即介电电泳力比静电力大几个数量级，是中性、带正电和带负电粒子的紧张PiezoMem防污机制。此外，脉冲PiezoMem电压在运行期间每每会快速振荡，而不是遵照压力脉冲形状，这有利于防污过程，因其可以在全体过滤实验中驱动介电电泳。
图4. 膜过程中产生的活性氧物种和对无机颗粒物的抗污染效能以及COMSOL仿照。
文献来源
Yang Zhao, Yuna Gu, Bin Liu, Yujie Yan, Chao Shan, Jian Guo, Shantao Zhang, Chad D. Vecitis, Guandao Gao. Pulsed hydraulic-pressure-responsive self-cleaning membrane. Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04942-4.
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04942-4
