内置超声振动功能的压电陶瓷膜，具有自清洁抗污能力
内置超声振动功能的压电陶瓷膜，具有自清洁抗污能力
压电陶瓷膜已成为膜污染控制的重要解决方案，然而有毒铅的普遍使用和基于振动的抗膜污染机制的局限性阻碍了它们在水处理中的广泛应用。
近日，东南大学能源与环境学院赵阳研究员团队在Nature Communications期刊发表题为“Piezoceramic membrane with built-in ultrasound for reactive oxygen species generation and synergistic vibration anti-fouling”的研究论文，赵阳研究员为论文第一作者兼通讯作者，东南大学2023级硕士生杨锋/江涵、南京大学高冠道教授为论文共同作者。
该研究介绍了一种Mn/BaTiO3压电陶瓷膜，展示了其优异的原位抗膜污染作用的同时，也对压电滤膜的抗膜污染机制提出了新的见解。当应用于谐振频率为20V、265kHz的交流电时，该膜可实现最佳超声振动，有效缓解了废水中不同污染物造成的膜污染，如高浓度油（2500ppm，包括实际的工业含油废水）、细菌和不同的带电无机胶体颗粒，表现出优于其他已报道的压电水处理膜的优势。重要的是，该研究结果表明，压电陶瓷膜的内置超声振动可以产生活性氧。这为有机和无机废水的不同抗污过程提供了技术指导，补充和统一了传统压电陶瓷膜的单一振动抗膜污染机制，并为压电催化膜的发展开辟了新的方向。
压电效应有机械能转变为电能的正压电效应以及电致振动的逆压电效应。2022年赵阳研究员将正压电效应应用于抗膜污染，提出了脉冲水压驱动的普适性压电抗污策略（Nature, 2022, 608, 69-73）。逆压电效应至少在1992年就开始用于水处理膜抗污染，并发展了以聚偏二氟乙烯（PVDF）有机压电滤膜或无机锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷膜等为代表的压电水处理膜材料与膜技术。然而，压电滤膜电致振动的单一抗膜污染机制存在局限性，阻碍了其在水处理中的进一步发展与应用。
在本研究中，研究人员通过逆压电效应全面探讨了Mn/BaTiO3压电陶瓷膜的抗污性能和潜在机理。通过深入分析，确定了膜的最佳操作条件。此外，还研究了膜的基本抗污机制，重点是内置压电超声振动和ROS协同作用，并将理论模拟与不同废水情景下的实验相结合。该研究突破了压电滤膜至少32年以来的单一振动抗污作用机制，并为压电催化膜的发展开辟了新的方向。
图1 Mn/BaTiO3压电膜的制备、表征和抗污机理
图2 Mn/BaTiO3压电膜的油污控制
图3 膜滞留结果
图4 Mn/BaTiO3压电膜对不同污染物的影响
图5 Mn/BaTiO3压电膜防污机理：膜内置超声振动与原位ROS生成的协同效应
总之，Mn/BaTiO3压电陶瓷膜的开发和应用对环境产生了重大影响。当交流电压从0V提高到20V时，该膜的抗油污染效率显著提高，从38.3%提高到91.0%。此外，无论污物的性质如何，它都能提供多种抗污性能。它的自清洁特性减少了对化学清洁剂的依赖。此外，与其他已报道的压电膜或先进膜相比，它的水处理效率更高，成本更有竞争力，这对可持续发展至关重要。有限元模拟不仅优化了膜的运行参数，而且在微观层面上阐明了膜的防污机理。更重要的是，以这种压电陶瓷膜为例，补充和统一了传统的防污机制，而传统的防污机制完全依赖于压电陶瓷膜的内置超声振动。研究表明，原位超声振动可以在膜周围产生以前被忽视的活性氧，从而为防污过程提供潜在的协同效益。该研究为压电陶瓷膜的自清洁提供了全面的解决方案和普遍的机理见解。
未来的研究方向是制备无铅钛酸钡压电陶瓷超滤膜和纳滤膜。该方法包括在大孔载体上开发钛酸钡压电薄层，以提高膜通量，从而增加其在水处理中的适用性和可扩展性。此外，通过将功能催化剂与压电陶瓷共烧结以形成压电催化膜，这种方法不仅可以对抗膜污染，还能推进用于废水处理的催化膜技术，尤其侧重于持久性有机废水的处理。