2022《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。2007年日本东京大学的AkiraIsogai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发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（cellulosenanowebs）、纤维素纳米晶（cellulosenanocrystals或者cellulosenanowhiskers）和纤维素纳米纤维（cellulosenanofibers）。早在几十年以前纳米纤维素就被认知和分离出来了那时候它的名字叫纤维素微纤（cellulosemicrofibrils）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。这种纳米纤维由于表面具有负电官能团易于分散于水中。2007年日本东京大学的AkiraIsogai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发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留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表面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——纤维素且制备分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、气体传感与分离、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；气体传感与分离主要应用其表面的多官能团及可化学修饰性能；而空气与水净化领域则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分离材料。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BenHsiao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净的饮用水；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如聚乙烯醇、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分离、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达到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表面亲水性好、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分离产业。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分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