近日，哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境學院馬軍院士團隊在水處理膜防污能力強化方向取得重要進展，提出了利用超分子動態(tài)性強化“抵御—驅(qū)除”協(xié)同抗污染機制的策略，突破了常規(guī)協(xié)同抗污染機制依賴切向流和抑制膜通量的兩大弊端。相關(guān)研究成果以《超分子動態(tài)強化的協(xié)同抗污染機制用于提升膜的抗污染能力和滲透通量》（Supramolecular dynamics-enhanced synergistic antifouling mechanisms for enhanced membrane antifouling and permeability）為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。這項研究為水處理膜在低能耗、高穩(wěn)定性運行方面提供了新策略，在市政污水、工業(yè)廢水處理等領域具有重要應用前景。
基于親水—低表面非均相微區(qū)的“抵御—驅(qū)除”協(xié)同抗污染機制在提高水處理膜穩(wěn)定性與壽命方面具有優(yōu)秀潛力，其中親水微區(qū)可結(jié)合水分子形成水合屏障，阻礙污染物向膜表面的遷移；低表面能微區(qū)能夠降低污染物與膜表面間的作用力，促進膜表面附著的污染物離去。然而，這一抗污染機制存在兩項弊端。其一，因水的跨膜傳輸會將污染物緊壓在膜表面，需要較高的切向流來促進污染物脫附。其二，低表面能組分易在膜過程中團聚并貼合在膜表面，阻塞水通道，使膜通量難以提升。
針對上述問題，團隊提出使用超分子而非高分子在水處理膜表面構(gòu)建抗污染層的策略。超分子為由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和環(huán)糊精（CD）組成的聚輪烷。PDMS為低表面能線性大分子，CD是親水環(huán)狀小分子，CD-PDMS聚輪烷呈線穿環(huán)結(jié)構(gòu)。CD可沿PDMS鏈滑動、旋轉(zhuǎn)和振動，形成相對動態(tài)親水-低表面能非均相微區(qū)。這一結(jié)構(gòu)可使污染物與膜表面的接觸不穩(wěn)定，輔以CD的布朗運動，能夠在低切向流，甚至靜態(tài)條件下有效驅(qū)除膜表面污染物。此外，還可防止低表面能組分團聚，并通過氫鍵作用攜帶并促進水分子傳輸。
圖為超分子結(jié)構(gòu)與動態(tài)性模擬、表征。
研究成果揭示了CD類型、CD/PDMS摩爾比-CD/PDMS聚輪烷動態(tài)性-膜綜合性能間的級聯(lián)關(guān)系，確定了最佳抗污染層結(jié)構(gòu)。因γ-CD空腔大、柔性強，γ-CD/PDMS聚輪烷的動態(tài)性優(yōu)于β-CD/PDMS聚輪烷。當CD和PDMS鏈節(jié)數(shù)量比為0.27~0.40時（CD完全覆蓋PDMS時該值為0.67），CD/PDMS聚輪烷動態(tài)性最強，此時單個CD動態(tài)性和CD數(shù)量的乘積最大。實驗結(jié)果表明，膜綜合性能在超分子抗污染層動態(tài)性最強時達到最高值，20℃下滲透通量500 LMH·bar-1，過濾BSA溶液通量衰減率14.2%，恢復率99.7%，且優(yōu)秀抗污染效果普適于酵母菌、腐植酸、海藻酸鈉、乳化油等多種污染物，在松花江水、市政污水和魯奇爐煤氣化污水等實際水體的72小時錯流實驗中，也表現(xiàn)出了優(yōu)越的穩(wěn)定性，每個反洗周期（4小時）中衰減率僅為3%-7%，化學清洗后通量恢復率接近100%。反證實驗表明了超分子動態(tài)性是膜通量提升的關(guān)鍵因素，基于AFM的作用力測定和微量吸附實驗進一步證明了超分子動態(tài)性在膜抗污染能力強化方面的多重作用。團隊通過實驗和理論的相互驗證，為水處理膜抗污染能力強化提供了更多策略。
圖為超分子動態(tài)性對膜通量的影響規(guī)律和作用機制。
圖為超分子動態(tài)性對不同條件下膜抗污染能力的影響規(guī)律。
哈工大為論文唯一通訊單位，環(huán)境學院賀明睿副教授為論文第一作者，呂東偉教授、馬軍院士為論文通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目、國家自然科學基金青年項目、中國博士后科學基金特別資助項目、城鄉(xiāng)水資源與水環(huán)境全國重點實驗室項目的支持。
來源：哈爾濱工業(yè)大學
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