電化學為解決人類社會面臨的能源、信息、生命、材料、環保等問題做出了巨大貢獻，被譽為“古老的方法，嶄新的技術”。電化學凈水技術歷史悠久，在解決傳統生物和化學法不能解決的水質問題中發揮了重要作用。與此同時，在環境和能源問題日益緊張的今天，人們更加關注電化學與其它學科的交叉和綜合運用，以期發展出凈水新原理和新方法。電化學與膜技術的交叉融合為實現這一目標創造了新的機遇，而構造兼具電活性和過濾雙重功能的膜電極體系是當前的研究熱點。
碳納米管(carbonnanotubes,CNT)是一種表面積大、導電性好和化學穩定性強的材料。1D-CNTs可通過簡單的真空抽濾方法組裝成結構穩定的自支撐3D導電膜，是一種理想的電活性膜材料。CNTs膜的孔徑范圍在10-500nm之間，厚度為10-200μm，均與傳統的聚合物膜相當，因此不但可以獨立使用，還可以直接與商業化膜組件有效結合。CNTs膜可通過物理篩分和深度過濾機制實現污染物截留和吸附；若在CNT膜上施加輔助電場，則可實現膜過濾和電化學功能在同一體系中的協同。這種獨特的設計能夠充分發揮電化學和膜的雙重功能，有助于解決天然有機質吸附、生物膜形成和膠體顆粒沉積導致的膜污染難題。與傳統單一的膜過濾不同，電活性薄膜能夠將截留的有機污染物原位電化學氧化降解或將微生物原位滅活，具有“自清潔”功能。此外，膜對污染物的富集也有效強化了界面傳質，為解決水中低濃度微污染物的傳質受限難題提供了全新的解決方案。東華大學劉艷彪教授團隊利用電活性CNT膜構筑穿透式電催化體系（圖1），從基礎研究和應用研究等角度開展系統性研究，取得了系列原創性研究成果。
“價態調控”去除重金屬離子
水中重金屬離子的理化性質與其自身的價態密切相關。例如，三價銻毒性比五價銻高10倍，而六價鉻毒性則比三價鉻高100倍。如何將水中的重金屬離子有效控制在低毒性的賦存形態？又如何實現重金屬離子的高效去除？針對這一系列具有挑戰性的問題，團隊提出了“價態調控”策略來同步實現水中高毒性重金屬離子的脫毒和同步吸附去除。
利用輔助電場誘導目標重金屬離子發生氧化還原反應，實現其從高毒性向低毒性的轉化，再利用對脫毒產物具有特異性吸附能力的納米顆粒對CNT膜進行改性，進而實現重金屬的同步吸附（圖2）。團隊先后構建了“氧化-吸附”去除三價銻、三價砷和亞磷酸鹽以及“還原-吸附”去除六價鉻和三價銻（生成零價銻）等反應體系。例如，利用TiO2改性CNT膜可在電場作用下實現三價銻的氧化和五價銻的吸附，穿透式的設計有效加速了五價銻向膜表面活性位點的傳質速率，遠優于傳統式的間歇式反應體系。
穿透式類芬頓體系高效降解微污染物
水中低濃度、高毒性微污染物的深度去除是當前相關領域研究的熱點與難點。微污染物通常具有高毒性和難降解等特征，難以通過傳統的生物法和物理化學法得到有效去除。高級氧化技術能夠產生高活性HO?，但廢水成分復雜，其中的共存物質可能會無效消耗HO?等活性物種，導致難以實現低濃度微污染物的選擇性去除。為此，發展面向水中微污染物高活性、高選擇性和高穩定性去除的原理和方法具有十分重要的意義。
而單線態氧（1O2）是一種可選擇性氧化有機污染物的非自由基活性氧物種，比傳統的HO?更具優勢。研究證實，相比于HO?等活性物種，1O2可對富電子有機物如磺胺嘧啶、四環素和磺胺甲惡唑等抗生素類污染物表現出更強的選擇性降解能力。基于此，該團隊提出并構建了“穿透式限域電芬頓”系統，基于微界面調控手段制備芬頓催化劑限域的改性CNT膜，同步耦合膜分離和電芬頓過程。在顯著改善催化劑穩定性的同時，基于納米限域效應實現1O2的靶向誘導生成，實現典型微污染物（如PPCPs、POPs和EDCs等）在全pH范圍內的選擇性降解（圖3）。
小結與展望
研究團隊從實際工程需求出發，緊緊圍繞“電活性膜體系構造原理及凈水機制”這一研究方向，遵循“結構決定性質，性質決定應用”的原則，充分發揮膜分離與電化學的協同耦合功能，開展穿透式電催化體系構筑原理、活性物種生成與調控機制、價態調控策略、典型微污染物去除效能與規律等方面的研究，為解決廢水深度處理難題和提質增效提供新思路和新方法，具有重要的學術價值。
電化學和膜技術的緊密結合在環境領域具有廣闊的應用前景。因此，有必要進一步探索電活性膜技術其他可能的應用場景。未來的研究工作還應致力于膜組件的放大與實際條件下的性能評估，努力向實際工程應用邁進。此外，納米復合材料的研發和工藝設計的改進也將成為電活性膜技術的主要發展方向。納米復合材料的設計應致力于開發適用于復雜背景基質下低濃度目標污染物分子（離子）的選擇性吸附和精準識別、靶向催化特定電化學反應和對活性物種的精確調控；而創新型工藝的設計也將會進一步提升系統的效能和降低成本。