环境学院赵迎新教授团队在Water Research发表文章

环境学院赵迎新教授团队在Water Research发表文章

图文摘要

成果简介

近日，天津大学赵迎新老师团队在Water Research上发表了题为“Multi-Dimensional Fouling Process Analysis and Anti-Fouling Strategies for Catalytic Membranes in Long-Term Water Treatment”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2025.124156)，通过设计一种银基的催化膜材料，能有效抑制多种膜污染问题。研究人员在质子酸改性的聚苯胺（PANI）静电纺丝纤维中嵌入Ni掺杂的AgFeO₂，显著增强了催化膜的抗污染性能。催化膜污染跟踪实验表明，PANI导电网络不但可以强化催化膜电子转移性能，还破坏了催化膜表面杂质离子的水解平衡，而银基催化材料也有效抑制了细菌的增殖，展现出多重抗污染效果。在含有双酚A（BPA）的天然河水净化实验中，该膜可以长效控制河水中BPA的浓度，并且可以去除超过58%的总有机碳（TOC）。研究重点分析了催化膜的抗污染机制，包括抗有机物污染、减少离子干扰和抗菌性能，还评估了催化膜的再生方法，为膜污染形成机制和膜再生提供了有价值的见解。

成果详情

高性能催化剂和多功能膜结合可以显著提高膜性能，并有效解决催化剂失活问题。然而，天然水环境中同时存在腐殖质、杂离子和多种微生物等组分，这些组分可以同时在催化膜表面累积并造成膜污染。本研究通过在银基催化膜（Ni-AgFeO₂，NiAFO）内部嵌入PANI导电网络，同步实现了抵抗有机污染物积累，无机离子垢化和微生物附着生长等膜污染问题。实验结果证明，由于催化膜的高效抗污染性能，在40天以内该催化膜在反应器中对河水中的BPA（1 mg/L）的降解率达到83%以上，再生后催化效率可以再次提升至100%。单位面积催化膜每天的污水处理量为0.0024 L/cm²，由于使用低能耗的LED光源作为激发光源，反应器每天的运行能耗仅为0.86 kW。

催化膜有机污染过程和再生分析

Fig. 2 Organic fouling test of PAN/NiAFO and DPANI/NiAFO and characterization of membrane performance before and after used. (a) The catalytic performance degradation trend of the catalytic membrane during six cycles of catalytic processes. (b) Catalytic performance changes in the 7th catalytic cycle using different regeneration strategies: Blank, ultrasound, ethanol, and ultrasound-ethanol regeneration. (c) Performance comparison of PAN/NiAFO and DPANI/NiAFO over three continuous catalytic cycles with different regeneration strategies. (d) Crystal structure stability of catalytic membranes after six catalytic cycles. (e) Surface functional group of DPANI/NiAFO after 3rd and 6th catalytic cycles and different regeneration methods. (f) Tensile performance analysis of catalytic membranes before and after use.

BPA模拟污染测试证明，DPANI导电网络的引入大幅延缓了催化膜表面的有机污染物积累过程，在6轮催化过后仍保持80%以上的催化效率，并且再生实验证明，乙醇浸泡再生有效恢复了催化膜的催化性能，多轮次的循环实验并没有对催化膜的微观结构和表面官能团造成破坏。

催化膜污染垢化过程追踪

Fig. 5 (a) 21-Day Long-Term Fouling Tracking Experiment of PAN/NiAFO and DPANI/NiAFO: Continuous Monitoring of BPA and NPOC in Real River Water. Catalytic membrane structure and surface fouling analysis at three tracking points: 1-Day (Short-Term Fouling), 21-Day (Long-Term Fouling), and Post-Regeneration. (b) Surface pollution and crystal structure analysis of PAN/NiAFO at different tracking points: Fouling process dominated by ion hydrolysis. (c) Surface pollution and crystal structure analysis of DPANI/NiAFO at different tracking points: Disruption of hydrolysis balance by DPANI.

通过21天连续河流实验实时追踪PAN/NiAFO与DPANI/NiAFO膜的污染演化，在催化过程中，DPANI/NiAFO始终维持>80%的BPA去除率与58%左右的TOC去除率，显著优于PAN/NiAFO（后期降至66%）；表面表征显示PAN/NiAFO被Ca²⁺/Mg²⁺等水解沉积的层状氢氧化物及腐殖酸大量覆盖，而DPANI的导电网络通过持续供电子破坏金属离子水解平衡，使沉积转化为易脱落的小颗粒氧化物并同步降解有机质；乙醇再生后PAN/NiAFO与DPANI/NiAFO膜的催化活性分别恢复至87%与93%，证实DPANI结构可同步缓解无机结垢、有机污染与生物膜形成。

主要作者简介

第一作者：李晨曦，天津大学环境工程专业博士。主要从事高级氧化技术在水处理中的应用，以第一作者身份在Environ Sci Technol, Water Research等期刊上发表SCI论文7篇。获国家建设高水平大学公派研究生项目资助在新加坡国立大学进修。

通讯作者：赵迎新，天津大学环境科学与工程学院英才教授，研究领域为污水低碳处理与资源化，主要开展生物碳氮协同控制、有毒物质生物转化、高级氧化技术研究。在生态环境领域主要期刊如Environmental Science & Technology，Water Research等发表论文80余篇，主持国家重点研发计划项目、水专项子课题、国家自然科学基金等项目。研究成果成功应用于60余项污水治理工程，取得了良好的环境效益。获2024年天津市科学技术进步二等奖，2023年天津市自然科学二等奖，2021年天津市科学技术进步二等奖，2019年天津市优秀城乡规划设计奖一等奖等。入选国家级青年人才支持计划（2022），天津市青年科技人才第一层次（2024），天津市青年人才托举工程（2020）及天津市青科协优秀青年科技工作者（2021）等。

通讯邮箱：yingxinzhao@tju.edu.cn

（来源：赵迎新  编辑：田淑洁）