膜分离技术因不需试剂投加、分离效果好、绿色节能等优势，在环境领域特别是废水处理中具有广泛的应用，但一直以来被膜污染的问题所制约。电过滤作为一种原位抗污染的新思路，基于污染物表面的荷电性，在导电滤膜上施加电场，利用静电力排斥的电泳效应可实现抗污染。该策略的缺陷在于为了获得足够强的场强而施加的高电压，不仅容易产生电化学副反应，能耗高，对于设备的安全性要求高，且只能对某种电性的污染物有效，不具有普适性，因此限制了其应用场景。高冠道教授课题组近来研究发现(《Nature》，https://www.nature.com/articles/s41586-022-04942-4)，当压电陶瓷膜在水压作用下产电时，其对有机物、油类、蛋白质，微生物，以及无机胶体颗粒(正、负电荷)均有良好的抗污能力，进一步地调查和研究发现，此种与污染物表面荷电性无关的普适性抗污染现象与介电泳原理密切相关。由于直接利用介电泳来实现膜的抗污染的相关研究稀少，本次研究的重点在于进一步验证基于介电泳原理的抗污染特性及作用机制。
该工作以Ni@PVDF膜为导电滤膜，在其多孔表面施加电场，并与对电极形成不均匀电场。颗粒在电场中被极化而在两端感应出等量反向的电荷，其在普通均匀电场中的受力等大反向因此可以抵消忽略不计，然而在不均匀电场中两端不等的受力不等使其发生移动，这便是介电泳的产生机制。由于介电泳的发生主要与电场的不均匀程度以及颗粒的介电系数有关，而导电滤膜的多孔性提供了微观层面足够大的场强梯度，同时绝大多数污染物的介电常数远低于水，因此污染物颗粒在膜表面移向场强弱的区域。通过对模拟污染物SiO2（正电），Al2O3（负电）以及真实垃圾渗滤液的过滤实验发现，膜电过滤对多种电性的污染物具有普适性抗膜污染的效果，而对高介电常数的BaTiO3颗粒则会加剧膜污染的实验结果巧妙地反向证明这一点。COMSOL模拟结果进一步显示，由于介电泳力随着场强梯度分布而呈现出的“集中区”和“排斥区”，诱导颗粒有序堆积在膜表面形成疏松多孔的滤饼层，有效缓解了因为孔隙堵塞、膜表吸附等造成的膜污染问题。该研究既进一步验证了基于介电泳力实现抗膜污染这一概念的普适性和有效性，也为新型导电滤膜的开发和应用提供了新思路。
上述研究成果于2022年7月21日在线发表于环境领域知名学术期刊Environmental Science & Technology(https://doi.org/10.1021/acs.est.2c03900)。论文第一作者为2020级硕士生刘斌，通讯作者为高冠道教授，共同作者包括2020级博士生夏前程和2022届博士毕业生赵阳。感谢2022届博士毕业生蒲良桃和2021级博士生谷玉娜在制备Ni@PVDF膜时的帮助，同时感谢哈佛大学Chad Vecitis教授对本研究的指导。本研究得到国家自然科学基金(21976085)的资助。