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)結構。CD可沿PDMS鏈滑動、旋轉和振動，形成相對動態(tài)親水-低表面能非均相微區(qū)。這一結構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。
圖為超分子結構與動態(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)關系，確定了最佳抗污染層結構。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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