Nat. Commun.: 压电陶瓷膜内置超声用于活性氧生成及协同振动防污

4月前

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近日，东南大学能源与环境学院环境科学与工程系赵阳研究员在逆压电抗膜污染方面取得重要进展，相关成果以“压电陶瓷膜内置超声用于活性氧生成及协同振动防污”（Piezoceramic membrane with built-in ultrasound for reactive oxygen species generation and synergistic vibration anti-fouling）为题，在国际顶级期刊Nature Communications上在线发表。

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。该研究通过介绍一种Mn/BaTiO₃压电陶瓷膜，在展示其优异的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。当施加20V、265kHz共振频率的交流电时，该膜实现了最佳的超声振动，有效地缓解了废水中不同污染物造成的膜污染，如高浓度油（2500 ppm，包括实际工业油废水）、细菌和不同带电的无机胶体颗粒，表现出优于其他已报道的压电水处理膜的优势。此外，该研究结果表明，压电陶瓷膜内置的膜超声振动可以产生活性氧（ROS）。这为压电滤膜在处理有机和无机废水的不同抗污过程机制提供了技术指导，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。

该工作连同前期正刊成果的发表，标志着以压电调控为核心的抗膜污染完整理论体系得到初步建立。赵阳研究员为本文的第一兼通讯作者，2023级硕士生杨锋、江涵，南京大学高冠道教授为本文共同作者，东南大学为唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、中国科协人才项目基金、东南大学科研启动基金以及中央高校基本科研业务费的支持。