2023年《安全环境环保技术》之纳米纤维素及其在环保领域的应用.docx

纳米纤维素及其在环保领域的应用 纳米纤维素（nanocellulose）是一种新型纳米材料，来源于天然纤维素材料，包括树木、棉花、秸秆、草类等等，经过化学和机械处理后制备形成。2023年，日本东京大学的Akira Isogai教授制备出直径为4-5纳米，长度高达500-1000纳米的纤维素纤维，自此纳米纤维素的制备及应用得到了长足开展，并逐渐走向产业化应用。 纳米纤维素的诞生纳米纤维素根据其长度与直径可以粗略分为：纤维素纳米网（cellulose nanowebs）、纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals或者cellulose nanowhiskers）和纤维素纳米纤维（cellulose nanofibers）。 早在几十年以前，纳米纤维素就被认知和别离出来了，那时候它的名字叫纤维素微纤（cellulose microfibrils），通常是由经过化学预处理的纤维素原料，通过冷冻和机械研磨方法来直接制备的，所得纤维素纤维直径较粗（约10-100纳米）但纤维很长，呈网络结构。 后来，人们采用硫酸水解的方法制备出纤维素纳米晶，并经过温和的超声处理得到直径为3-5纳米，但长径比仅为20左右的纳米纤维。这种纳米纤维，由于外表具有负电官能团，易于分散于水中。 2023年，日本东京大学的Akira Isogai教授率先提出了纤维素纳米纤维的概念，并采用温和的水性氧化体系TEMPO/NaBr/NaClO及温和的机械处理来制备直径为4-5纳米，长度高达500-1000纳米的纤维素纤维。自此纳米纤维素的制备及应用得到了长足开展，并逐渐走向产业化应用。纳米纤维素的优异性质纳米纤维素的优异性质主要表现在以下几个方面： （1）纳米纤维素来源于天然纤维素，保存了天然纤维素的结晶结构，因此，纳米纤维素具有天然纤维素优良的机械强度、耐溶剂性、热稳定性等性质。 （2）纳米纤维是纤维素材料经过氧化或者水解等化学处理后得到的新材料，其外表除了纤维素本身具有的羟基外，还附有通过氧化过程产生的羧基、醛基、磺酸基等亲水官能团，这些官能团的存在预示了其广阔的应用领域。 (3)纳米纤维素可以稳定分散于水溶液或其它极性有机溶剂中（纤维素纳米网除外），因而易于加工应用，且与其它材料具有良好的复合性能。 (4)纳米纤维素来源于地球上最多的可再生生物质材料——纤维素，且制备别离方法相对环保绿色（以水为介质），因此，相对其它纳米材料不仅具有廉价优势，且可降解回收。 纳米纤维素的应用 纳米纤维素优异的性质使其越来越受到研究者的关注和青睐。纳米纤维素的应用主要集中在生物医学和组织工程、纳米复合与增强材料、气体传感与别离、空气过滤与水净化等各个领域。其中，组织工程领域主要应用其良好的生物相容性和生物可降解性；纳米复合材料主要应用其优秀的机械性能和强度，以及良好的溶剂分散性等；气体传感与别离主要应用其外表的多官能团及可化学修饰性能；而空气与水净化领域那么结合了纳米纤维素的各种优异性能，并与其它纳米材料如静电纺纳米纤维相复合，催生出一类新型的纳米复合别离材料。以下将主要针对纳米纤维素在饮用水纯化、污水净化、海水淡化、贵金属回收、空气净化等领域的应用做出探讨。 微滤 纳米纤维素在微滤领域应用广泛，主要针对微颗粒过滤、饮用水中细菌、病毒、重金属离子的吸附、印染废水等污水净化。由于纳米纤维素在水中呈悬浮状态分散，因此，纳米纤维素或作为吸附剂单独实用，或与一定的载体结合制备成膜材料。 美国纽约州里大学石溪分校化学系Ben Hsiao教授课题组长期致力于纳米纤维素在吸附方面的应用研究，并催生了相关的研发公司，以实现其产业化。如，将静电纺纳米纤维与纤维素纳米纤维有机结合，制备出高性能的纳米纤维复合微滤膜，并用于高效过滤细菌、病毒、重金属离子等污染物，获取纯洁的饮用水；再如，将纳米纤维素应用于污水体系中，与其它过滤环节相结合，实现污水达标排放的目的。 超滤 纳米纤维素在超滤领域的应用，要与其它高分子材料相结合，比方聚乙烯醇、聚氧乙烯、壳聚糖、本体纤维素等，并以静电纺纳米纤维为支撑，制备纳米纤维复合超滤膜，主要用于油水别离、船舶废水净化、油田废水净化，以及工业油质污水净化等领域。 基于纳米纤维素的复合超滤膜能够有效滤除污水中的乳化油颗粒，截留率高达99.5%以上，其处理后的废水能到达环境要求指标而直接排放。除此之外，该类纳米纤维复合膜还具有外表亲水性好、使用寿命长、易于清洗回收等多重优点。 纳滤与反渗透 纳米纤维素作为新型的纳米材料，也被结合到纳滤膜与反渗透膜中以提高盐水和海水淡化效率。纳滤膜主要用于硬水软化及海水淡化的前处理过程，以及一些精细别离产业。 海水淡化是解决淡水资源缺乏的重要方法，纳米纤维素作为新型的纳米材料，与纳滤和反渗透技术的结合，给水净化领域带来了新的契机与挑战。当前，纳滤与反渗透膜的别离效率还有待大幅度提高，以满足人类日益提高的用水需求。 膜蒸馏与渗透蒸发 在水资源短缺而太阳能丰富的地域，膜蒸馏技术显示出了优于反渗透技术的巨大优势。膜蒸馏技术的特点是截留率高、高效、节能，仅需要太阳能驱动就可以实现比传统直接蒸馏法更高更好的别离效果，而纳米纤维素可以通过外表化学修饰，依据需要来设计不同外表性质，从而为提高和改进膜蒸馏技术提供了便利条件。 渗透蒸发技术经常用于乙醇和水共沸物别离，从而获得纯的乙醇作为生物燃料和水中共溶的挥发性有机物以净化水质，这些都是传统的别离技术无法实现的。纳米纤维素的参加以及对过滤层的改性将为这些膜提供更多的别离和应用效率，包括提高蒸发效率和别离因子等。 空气过滤 随着工业化进程的加速，环境的破坏和污染日益加剧，使得开展中国家的大城市都出现了严重的雾霾天气。空气中的微小颗粒（如PM2.5）甚至纳米颗粒，会随着呼吸进入肺部，并且累积于呼吸系统，造成呼吸系统的严重损伤。 针对这种情况，从解决问题的角度来讲，就要消灭污染源，即减少有害气体或烟尘的排放，或者对排放的烟尘进行过滤处理，得到洁净的空气再排入大气；从个人防护的角度来讲，那么需要生产能够有效过滤PM2.5和更小颗粒物的过滤口罩等过滤膜材，以减少有害气体和颗粒物的吸入。因此，开展高效廉价的空气过滤膜一度成为研究者和商家关注的焦点。 纳米纤维素因其纳米尺度的直径为3-5纳米，因此能够为空气过滤，尤其是为含有细颗粒物的污染空气过滤提供新的选择。特别是，纳米纤维素与静电纺纳米纤维或者较精细的聚酯无纺布结合，为过滤膜和口罩等的生产提供了新的过滤技术，催生出能够高效截留颗粒物、保持低气阻的新型空气过滤膜。 纳米纤维素的环保产业化展望 产业化的核心关键是技术本钱问题。正如Hsiao教授所说：“人类社会就像一座金字塔，如果我们提高过滤的本钱，就意味着我们的技术只能效劳于金字塔顶端的30-40%；如果我们能够降低过滤的本钱，那么我们就能真正效劳于金字塔的底层。〞纳米纤维素原料来源广泛、生产工艺简洁、技术产品环保绿色，是一类完全符合环保产业化要求的新型纳米材料，有望实现快速工业化生产及进一步的产业化应用。 纳米纤维素的应用领域，正如上面所说，涵盖生物医学和组织工程、纳米增强与别离材料等各个方面。然而，绝大局部纳米纤维素相关的技术还处在实验室开展阶段，甚至处于初始的研究和积累阶段，尚不成熟和完善。即使是环保领域的纳米纤维素别离膜，也仅仅处于市场开展的初始阶段，尚未得到业界的有效认可。因此，如何使纳米纤维素的相关产业走向规模化和市场化，仍然有很长的路要走。 纳米纤维素的生产已经在日本和美国实现产业化，各种纳米纤维素相关的商品相继问世。即使在中国，亦有相当数量的生产商存在，尤其是在北京、上海、江浙一带。笔者所在的课题组就致力于研究拓展纳米纤维素类别离膜及其应用领域，将纳米纤维素产业做宽做大，让纳米纤维素这类新型的纳米材料真正效劳于“金字塔〞底层。 我们相信，随着人们对纳米纤维素认识的不断深入，会有越来越多的科研工作者和企业投入到纳米纤维素的研发、生产、销售等方面，为纳米纤维素产业的繁荣作出奉献。