2025年9月24日，天津工业大学材料科学与工程学院付维贵、陈莉团队在Chemical Engineering Journal发表研究论文，题目为：“Calcium-doped barium titanate (Ba0.8Ca0.2TiO3)-modified piezo-photocatalytic self-cleaning ceramic composite membrane for oily wastewater remediation”。付维贵副教授和硕士研究生张雷为共同第一作者，通讯作者分别为付维贵副教授、孙美秀研究员、陈莉教授。
本文图形摘要
【研究背景】
现代制造、石油化工、纺织印染及现代农业的高速发展，产生了大量含油废水与新兴有机污染物废水。这类废水成分复杂、处理难度大，已成为威胁全球水环境安全与人类健康的重大环境挑战，亟需高效、稳定的处理技术突破。
在现有处理技术中，分离膜因操作简便、分离效率高被广泛关注，但传统分离膜易受污染物堵塞（即 “膜污染”）。频繁的化学清洗不仅大幅增加能耗与运维成本，更会加速膜材料老化、缩短使用寿命，严重制约了其产业化应用。因此，突破这一困境的核心，在于开发兼具高效分离、抗污染与自清洁功能的新型膜材料——这也是分离膜领域长期未能攻克的关键研究瓶颈。
针对上述需求，本研究以实验室自制的莫来石中空纤维陶瓷膜为基体，创新采用“抽滤法负载硫掺杂TiO₂纳米管状中间层+原位生长钙掺杂钛酸钡（Ba₀.₈Ca₀.₂TiO₃）”复合改性技术，成功研制出一种新型陶瓷复合膜。该膜可在蠕动泵驱动的错流过滤过程中，同步实现高效油水分离与能量自驱清洁，从根本上规避传统膜的污染与清洗难题。
研究聚焦材料设计制备、性能优化等核心科学技术问题，通过多尺度结构调控与多功能集成的协同作用，精准调控材料宏观性能。最终创制的高性能多功能新材料，不仅为含油废水等复杂污水的处理提供了高效解决方案，更能进一步拓展应用于能源环境、生命健康、国防军工等关键领域，具备重要的科学研究价值与实际应用潜力。
【研究内容】
本研究团队设计了一种无铅压电光催化中空纤维陶瓷复合膜（M/S-TiNTs@BCTO），陶瓷复合膜表面原位构筑具有高比表面积、高孔隙率的压电-光催化复合功能层，以硫掺杂二氧化钛纳米管（S-TiNTs）为中间层，表面原位生长钙掺杂钛酸钡（BCTO）功能层，形成协同作用。BCTO层强化膜亲水性与静电排斥作用，S-TiNTs中间层与BCTO共同激活压电-光催化效应。
图1压电催化剂的（a）粒径分布图，插图为相应的TEM图（b）在77 K时的N2吸附-解吸等温线及（c）用BJH法计算的孔径分布（d）在相同的压力下电压输出以及（e）压电常数（d33）和电阻率值（f）压电-光催化降解性能图
图2压电光催化自清洁陶瓷复合膜的设计与制备示意图
图3 M/S-TiNTs（a、a’）和M/S-TiNTs@BCTO（b、b’和插图EDS元素分布图）断面SEM图；M/S-TiNTs（a1、a1’）和M/S-TiNTs@BCTO（b1、b1’）表面SEM图
处理机油乳液时，2 h分离后通量达1733.3 L·m-2·h-1，截留率超99%；针对油田采出水（含油量1035 mg/L），经2 h分离和0.5 h自清洁后，通量恢复率高达94.5%（首次循环），远超传统膜的53.7%；长期测试显示，处理后水样总有机碳（TOC）浓度低于13 ppm，满足工业回注标准（<20 ppm）。
图4压电光催化膜的（a）在常规错流过滤、压电催化（脉冲压力1 bar，流量1.5 L/min）和压电-光催化（脉冲压力1 bar，流量1.5 L/min，波长λ>320 nm）三种分离工艺下，对OPW（浓度1035 mg/L）的通量随时间变化关系（b）分离OPW的三次循环渗透通量随时间变化（c）分离OPW前和（d）分离后的光学和实物照片图像，插图为油滴粒度分布
【研究意义】
该研究创新性地以料液流动产生的动态压力与自然光照作为双驱动力，通过压电效应与光催化效应的协同耦合，实现“动能-电能-化学能”的高效转化，进而达成水中难降解有机物（如抗生素、染料）及高黏度有机体系（如含油废水、食品加工废液）的快速降解与同步分离。为开发低能耗、多功能废水处理膜提供了新范式，助力工业废水处理向可持续发展迈进。
文章链接为：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168875
【作者简介】
张雷，2025 年毕业于天津工业大学材料科学与工程学院获硕士学位，现于南开大学攻读博士研究生，硕士期间不仅多次斩获校级学业一等奖学金，还获评三好学生、优秀毕业生等荣誉，科研上更以共同第一作者身份在Chemical Engineering Journal和Separation and Purification Technology发表学术论文2篇，兼具扎实的学科基础与突出的科研实践能力。。
付维贵，副教授，硕士生导师长期深耕高分子结构与性能研究，重点聚焦功能与智能分离膜材料这一前沿领域——该方向在环保水处理、能源提纯和生物医药大健康等绿色发展场景中具有关键应用价值。科研项目经验丰富，主持国家级、省部级科研项目及企业横向课题多项，研究兼具学术深度与产业应用导向。学术成果丰硕，在Chemical Engineering Journal，Journal of Membrane Science，Journal of the European Ceramic Society，Ceramics International，Polymer等国内外权威期刊发表论文30余篇，累计被引800余次，研究观点与技术方案获领域广泛认可；技术转化能力突出，申请中国发明专利20余项，其中10余项已获授权，在高分子膜材料领域构建了 “基础研究-技术创新-成果转化” 的完整科研链条。
工作单位：天津工业大学材料科学与工程学院先进 分离膜国家重点实验室
孙美秀，研究员，硕士生导师。主要从事呼气分析技术（机器嗅觉）用于人体疾病诊断及代谢异常监测的临床预测模型建立、人工智能算法及基于质谱技术、光谱技术的仪器开发，致力于将人体重大疾病的防控进一步向社区及家庭前移。以第一作者或通讯作者在Analytica Chimica Acta，Frontiers in Oncology，Metabolites等杂志发表SCI论文20多篇，授权发明专利8项，入选中国生物工程学会第十五届学术年会暨2023年全国生物技术大会高价值专利项目库。
工作单位：中国医学科学院 北京协和医学院 生物医学工程研究所
通讯邮件：meixiu_sun@126.com
陈莉，日本北海道大学博士，博士生导师，天津市特聘教授、享受政府特殊津贴专家。主要从事智能与功能分离膜材料、智能高分子及其在纺织、生物医学等领域的应用研究。先后在Advanced Materials，Advanced Functional Materials，ACS Applied Materials & Interfaces，Macromolecules等期刊发表论文近200篇，SCI他引近3000余次。
工作单位：天津工业大学材料科学与工程学院 先进分离膜国家重点实验室
通讯邮件：chenlis@tiangong.edu.cn