基于流体驱动的压电膜技术，用于实现自主防污及高效节能的水净化

《Desalination》：Flow-driven piezoelectric membranes for autonomous antifouling and energy-efficient water purification

膜分离技术通过PTFE/ZIF-8复合膜的自触发压电效应实现流能发电，自主抗污并提升分离效率，实验与模拟证实压电电压振荡诱导的介电泳和活性氧协同作用显著降低污堵并增强膜通量与截留率，为可持续水处理提供新范式。

　　膜分离技术因其高效的分离能力、较低的能耗以及对环境影响小等优点，已成为水净化领域的重要工具。然而，膜污染问题仍然是该技术可持续应用的关键挑战之一，它不仅降低了水处理效率，还增加了能源消耗和运行成本。为了解决这一难题，本研究提出了一种新型的自触发聚四氟乙烯-沸石咪唑酯框架-8（PTFE@ZIF-8）复合膜，该膜能够通过利用流体流动产生的能量，自主生成压电电压振荡并表现出压电催化活性，从而实现抗污染和增强分离效果。

PTFE@ZIF-8复合膜在分离过程中展现出优于原始PTFE膜的抗污染能力和显著的截留性能。通过详细的表征和模拟分析，研究发现自触发的压电电压振荡能够引发介电泳现象，这一现象在控制污染和提升分离效率方面起到了至关重要的作用。此外，在过滤过程中，膜表面会原位生成活性氧物种（ROS），进一步增强了其抗污染能力。随着进料流速的增加，ROS的生成量和压电输出也随之提升，从而提高了分离效率，且无需外部能源输入。

这项研究不仅为高效节能的水净化技术提供了新的思路，也为实现可持续资源管理目标做出了贡献。通过将压电材料与流体流动能量相结合，该技术能够有效解决传统膜污染问题，减少化学试剂和能源的消耗，同时提升水处理的整体效率。这种自触发的压电机制，为未来膜技术的发展开辟了新的方向，有望在实际应用中带来显著的环境和经济效益。

在全球对清洁水资源需求不断增长的背景下，膜分离技术的重要性愈发凸显。其在去除有机污染物和病原微生物方面的高效性，使其成为水处理领域的核心技术之一。然而，膜污染问题一直困扰着该技术的广泛应用，特别是在大规模水处理设施中，污染导致的水产量下降、膜更换频率增加以及化学试剂的高消耗，构成了运营成本的主要部分。因此，开发有效的抗污染膜技术成为当前研究的重点。

膜抗污染性能的提升通常依赖于对其表面化学性质的调整，例如增加亲水性、改变电荷分布或引入特定的能量场。这些方法可以有效降低污染物在膜表面的附着能力，从而减少污染的发生。同时，将光催化或电催化材料融入膜的制备过程中，也能在光照或通电条件下生成ROS，进而降解膜表面的污染物，实现自清洁效果。然而，这些方法往往需要复杂的改性过程，导致化学和能源的高消耗，进而加剧了水与能源之间的联系，即所谓的水-能源纽带。

压电材料因其能够将机械能和电能相互转换的特性，被认为是解决水-能源纽带问题的潜在途径。近年来，压电材料在压电纳米发电机和可穿戴设备等领域的应用取得了显著进展。同时，其在膜分离技术中的应用也逐渐受到关注。研究表明，对压电陶瓷膜（如钛酸钡（BaTiO?）和锆钛酸铅（PZT））施加交变电压，可以激发其逆压电效应，产生原位振荡和声压，从而防止污染物在膜表面附着，有效缓解污染问题。此外，压电材料的直接压电效应同样在抗污染应用中发挥着重要作用。

本研究团队近期的研究发现，超声波处理可以激活聚四氟乙烯（PTFE）膜的直接压电效应。通过诱导结构变化，克服原始PTFE膜的非极性特性，使其产生显著的压电响应（d?? ≈ 600 pC/N）。这种响应能够将机械刺激转化为快速的电压变化，进而在膜表面生成ROS和介电泳（DEP）力，从而通过氧化作用降解污染物，或通过物理力切断其与膜表面的结合，有效防止污染的发生。此外，锰掺杂的BaTiO?压电陶瓷膜也可以通过外部脉冲激发直接压电效应，实现膜的自清洁功能，提高其抗污染能力。

尽管上述进展为压电膜技术的应用带来了希望，但仍然存在一些挑战。特别是，外部高压交流电或机械刺激的使用，会增加能源消耗，限制其在可持续水处理中的实际应用。因此，如何降低这些外部能量输入，实现更节能的膜污染控制，是当前研究的重要方向。

基于这一背景，本研究提出了一种创新性的解决方案：通过利用膜分离过程中固有的流体流动能量，实现压电效应的自主激发，从而在无需外部能源输入的情况下，提升膜的抗污染和分离性能。我们对一系列市售的压电膜进行了深入研究，同时开发了具有高压电性能的PTFE@ZIF-8复合膜，探讨其在分离过程中的自触发压电活动、污染物降解能力和分离效果。

实验结果表明，膜在分离过程中自触发的压电活动与其材料的固有压电性能密切相关。PTFE@ZIF-8复合膜因其优异的压电性能，能够在分离过程中产生更强的压电电压振荡，从而显著提升其对染料的降解能力和对细菌的灭杀效率。同时，随着进料流速的增加，膜的分离性能和抗污染能力也得到了明显提升。通过实验和COMSOL模拟分析，我们确认了在分离过程中，由自触发压电电压振荡引起的ROS生成和介电泳现象，是抑制膜污染和提升整体分离效率的关键因素。

综上所述，本研究展示了一种利用流体流动能量实现自主抗污染和增强分离性能的压电膜，为可持续水净化技术的发展提供了新的突破。这种自触发的压电机制不仅克服了传统抗污染策略的局限性，还为未来膜技术与流体能量的结合开辟了新的路径，具有广阔的应用前景。通过将压电膜与流体能量相结合，我们有望在减少化学和能源消耗的同时，实现更高效、更环保的水处理解决方案。