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膜分離過程即是抗污染過程？膜污染也有了自清洗對策
2022年08月10日 10:18:00
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：4723
在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過交叉融合水處理、膜科學(xué)、壓電、電化學(xué)及物理等相關(guān)專業(yè)，精準(zhǔn)設(shè)計和制備了具有水壓響應(yīng)的壓電膜分離材料。
【化工儀器網(wǎng) 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(xiàn)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(shù)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(xiàn)選擇性分離的技術(shù)，由于其兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)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(yīng)用于已廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、石油化工、精細(xì)化工、印染、食品生產(chǎn)和水處理等領(lǐng)域。
然而，膜分離應(yīng)用過程中不可避免地會產(chǎn)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(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象，在用于水質(zhì)復(fù)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(xué)及技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的“阿喀琉斯”之痛。
目前報道的膜污染控制策略大多數(shù)涉及膜材料表面的靜態(tài)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(nèi)部的能力。然而這些靜態(tài)表面改性只能減緩膜污染的進(jìn)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(xué)清洗劑進(jìn)行密集清洗來恢復(fù)膜通量。
近年來，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授高冠道課題組不斷對上述問題進(jìn)行挑戰(zhàn)，他們率先研發(fā)了導(dǎo)電濾膜，并提出了集過濾和電化學(xué)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(shù)去除附著在膜表面及孔內(nèi)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(dǎo)電膜并還需外加電源及相關(guān)裝備等，這使得膜處理的過程變得更加復(fù)雜了。
壓電材料能將機械能轉(zhuǎn)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(dǎo)壓電材料產(chǎn)生伏級別的電壓提供了條件。在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過交叉融合水處理、膜科學(xué)、壓電、電化學(xué)及物理等相關(guān)專業(yè)，精準(zhǔn)設(shè)計和制備了具有水壓響應(yīng)的壓電膜分離材料。
自清潔壓電陶瓷濾膜與傳統(tǒng)水處理陶瓷膜有著相似的孔結(jié)構(gòu)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(tǒng)的膜污染清洗工藝，無需停工停產(chǎn)的膜清洗工段、不需要使用化學(xué)清洗劑及相關(guān)的設(shè)備等，因此具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用潛力。
該項研究中所發(fā)現(xiàn)的壓電陶瓷濾膜及ROS+DEP聯(lián)合抗膜污染機制可為普適性的自清潔材料設(shè)計和應(yīng)用提供有力的支撐，尤其液壓脈動場景廣泛存在于家用設(shè)備(陶瓷馬桶、洗衣機)、醫(yī)療衛(wèi)生材料(醫(yī)用導(dǎo)管)甚至是工業(yè)裝備(輪船、流體管道)中都涉及到脈動壓力，這為利用環(huán)境中固有的液壓作為驅(qū)動力原位產(chǎn)電并用于抗污、防腐和/或消毒提供了豐富的應(yīng)用場景。
相關(guān)研究成果以《脈沖水壓響應(yīng)自清洗濾膜》，發(fā)表在《自然》上。
(資料來源：中國科學(xué)報)
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