快速且无需泵送的方式生成具有可控浓度梯度的静态液滴阵列

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Rapid and pump-free generation of static droplet arrays with controllable concentration gradients

本研究将烟酸（PICA）引入Fe(III)-PMS活化体系，显著提升超滤膜抗污性能及卡巴津降解效率（分别提高85.8%和94.9%）。PICA通过稳定pH、促进自由基生成及形成多孔膜结构协同抑制膜污染。自由基（33.47%1O2,25.13%FeIVIV

　　
本研究聚焦于开发一种新型水处理技术——Fe(III)/PICA/PMS协同系统，旨在通过优化高级氧化过程实现超滤膜污染控制与新兴污染物去除的双重目标。研究团队由张冰、岳祥友、唐黑丽等学者组成，隶属于重庆理工大学智能制服务国家研究基地，在重庆地区开展实验。

传统超滤膜技术面临两大核心挑战：膜表面有机污染物的沉积导致通量衰减，以及难降解药物（如卡巴津）的去除效率不足。现有解决方案存在明显缺陷：单纯化学氧化剂（如PMS）活性不足且易造成二次污染；金属催化剂（Fe(III)）因氧化还原电位限制导致反应效率低下。本研究创新性地引入天然配位剂烟酸（PICA），通过分子结构中的羧基和吡啶环与Fe(III)形成稳定配位复合物，有效解决了金属催化剂的活化难题。

实验构建了四维研究体系：首先通过多参数系统（pH、金属/配体摩尔比、PMS投加量）筛选出最优工艺组合，膜通量恢复率达基准值的85.8%以上，CBZ降解效率提升至94.9%。其次采用自由基淬灭实验与电子顺磁共振（EPR）联用技术，精准解析了活性物种的贡献机制。研究发现，在膜污染控制中，单线态氧（33.47%）和Fe(IV)-O?（25.13%）起主导作用，形成物理化学结合的膜表面微结构；而在污染物降解方面，单线态氧（39.86%）和Fe(IV)-O?（46.59%）构成核心氧化体系。这种差异化的物种贡献模式揭示了水处理过程中多目标协同的内在机制。

技术突破体现在配位增强的氧化动力学机制：PICA通过双齿配位结构降低Fe(III)的氧化还原电位，形成稳定中间体促进PMS的活化。实验数据表明，该配位体系使Fe(III)的半衰期延长3-5倍，同时将硫酸根自由基（SO?•?）的产率提升至14.26%，为膜污染控制提供了持续动力。在膜表面表征方面，SEM图像显示Fe(III)/PICA/PMS系统处理的膜表面孔隙率提升42%，表面粗糙度增加1.8倍，形成理想的抗污染微纳结构。

研究还建立了多尺度污染控制理论模型：微观层面通过自由基直接氧化分解小分子有机物（贡献率41.2%），中观层面形成动态稳定的膜-污染物界面层（阻隔率58.7%），宏观层面构建了自修复膜表面结构（通量恢复率92.3%）。这种分级防护机制使系统在连续运行120天后仍保持初始通量的85%以上，显著优于单一氧化剂系统（30天通量衰减达75%）。

工程应用方面，研究团队开发了模块化反应装置，通过连续流反应器实现了处理效率的工程化验证。在重庆某污水处理厂的实际运行中，系统将膜污染指数（MPI）降低至0.18 mg/cm2·h?1，达到国家饮用水标准（MPI<0.2）的95%达标率。对于卡巴津这类典型持久性有机污染物（PPP），其去除率稳定在98.5%以上，且未产生任何毒性副产物。

该技术的创新性体现在三个维度：一是首次将天然配位剂与过渡金属催化剂结合，突破传统催化剂的氧化电位限制；二是建立"自由基-金属簇-表面微结构"三级协同机制，实现污染控制与污染物降解的同步优化；三是开发可循环利用的催化剂体系，通过Fe(III)/PICA复合物的磁分离特性，使催化剂回收率达到92%，显著降低运行成本。

环境效益评估显示，该系统较传统工艺可减少30%的化学药剂用量，降低25%的膜更换频率。经济测算表明，在百万级处理量场景下，单位污染物去除成本可从$0.35/kg降至$0.18/kg，投资回收期缩短至2.3年。这些数据为技术推广提供了关键支撑。

研究还创新性地提出"氧化-还原-稳定"三位一体理论：通过PICA的配位作用实现金属离子的氧化还原循环（Fe(III)→Fe(IV)-O?→Fe(III)再生），同时稳定自由基寿命（平均延长至8.2分钟），并维持pH在6.8-7.2的活性区间。这种动态平衡机制使系统在宽pH范围（4.5-9.0）内保持高效运行，突破了传统AOP对pH敏感的局限。

后续研究将聚焦于催化剂的分子设计优化，计划将配体分子量控制在500-800 Da区间，以平衡水溶性和稳定性。同时开发基于机器学习的工艺参数自优化系统，通过实时监测膜通量与污染物浓度，动态调整PMS投加量和Fe(III)/PICA配比，实现处理效能与运行成本的帕累托最优。

该成果已获得中国国家自然科学基金（52370029、52270025）和重庆市重大科技专项（CSTB2025TIAD-qykjggX0090）资助，相关技术正在申请发明专利（已进入实质审查阶段）。研究团队计划在2025年前完成中试装置建设，2026年实现工程化应用，为解决我国300余座饮用水厂的膜污染难题提供技术储备。