Chemical Reviews：纳米纤维素用于可持续水净化

背景介绍

水资源中的污染物通常使用如活性炭、碳纳米管、石墨烯及其衍生物、沸石和金属纳米颗粒等去除，然而这些材料的成本高且对环境和生态系统具有不良毒性作用，因此寻找低成本、安全高效的纳米材料替代品成为当前研究热点。纳米纤维素（Nanocelluloses，NC）是一种基于自然的可持续生物材料，不仅具有纤维素性质，而且具有纳米材料的重要特征，如高比表面积、多功能反应位点及基质稳定性等。NC材料用于水处理的潜力巨大，近年来的研究也越来越多。

美国石溪大学Tom Lindström（通讯）和Benjamin S. Hsiao（通讯）在国际知名期刊《Chemical Reviews》上发表题为“Nanocellulose for Sustainable Water Purification”的综述文章。该综述在认识NC基本特性（纯度、结晶度、表面化学和电荷、悬浮液流变学、形态学）的基础上，重点介绍了NC在混凝/絮凝、吸附、光催化和膜过滤等水净化方法的最新研究成果和技术进展。此外，讨论同时去除多种污染物及NC用后处理等关键问题。以期将NC广泛应用到水处理中，大大提高水净化的成本效益和可持续性。

图文解读

本文基于NC（主要是CNC和CNF）的纯度、结晶度、表面化学和表面电荷、颗粒流变学、形态和机械性能以及稳定性方面的知识，综述了NC的制备、性质、表征及其相关应用。研究人员概述NC特性的表征技术和分析方法，重点介绍同步辐射X射线散射（原位和非原位）和高分辨率显微镜。（1）通过高分辨率电子显微镜技术（AFM、SEM和TEM）对NC及其复合材料进行形态学表征，讨论色散状态下具有短纵横比的NC材料结构特征，有利于实现光子、生物医学和传感的应用。基于SEM成像，在缩小区域测量CNF尺寸可减小测量偏差，并得到更具代表性的纳米纤维尺寸分布。（2）通过小角X射线散射（SAXS）分析NC形态、自组装和有序化以及分散状态下胶体行为的影响。SAXS技术已被广泛用于表征纤维素超分子结构和纤维素纤维内的孔结构。SAXS灵敏度高，可提供有关NC材料的平均横截面尺寸、方向和空间顺序等关键信息。（3）NC悬浮液的流变行为与组成纤维的形态、表面化学、几何尺寸及其网络结构密切相关。因此，具有不同特征的NC悬浮液的流变行为各不相同。了解NC结构和流变特性之间的关系对于NC在3D打印油墨的设计、个人护理产品、乳液配方的选择非常重要。

在可持续利用的纳米材料中，含有纤维素聚合物的丰富的、低价值或无价值的植物生物质原料是提取纳米纤维素的重要来源。采用低能耗、低化学耗、低水耗的环保方法对其进行提取非常具有意义。NC包括所有纳米结构的纤维素材料，包括纤维素纳米纤维（CNF）、纤维素纳米晶体（CNC）、细菌纳米纤维素（BNC）以及被膜纤维素纳米晶体（t-CNC）和藻类纤维素颗粒。

硝酸氧化法（NOP）结合了制浆和纤维素氧化两个步骤，是一种简单和低成本的CNF提取方法，该方法大大降低了提取CNF所消耗的能源、水和化学品。这一工艺已经在实验室规模上进行了演示，而大规模生产仍在研究中。该方法更适合于加工木质素含量低的非木本植物。然而，NOP的反应条件可以调整以处理包括木本植物在内的不同的生物质原料。重要的是，NOP排出的废水可以很容易地中和成富氮盐(（即植物肥料），这基本上消除了回收反应剂的需要，从而降低了总体生产成本。

通过使用过氧乙酸去纤颤木材纤维提取NC同样具有一定的优点。由于过氧乙酸可以蒸馏并重复使用，因此废液的回收比其他NC萃取方法更容易。与木本植物相比，这种方法也更适合于加工木质素含量较低的非木质生物质植物，如农业残渣。

天然纤维素纤维的晶体结构非常复杂。首先，纤维素微/大纤丝（CMF）的晶体结构取决于沉积模式以及与其他细胞壁基质聚合物（木质素和半纤维素）的相互作用，这些聚合物因植物种类、生长条件和环境的不同而有很大不同。其次，结晶度的分配似乎取决于仪器的选择和相应的数据分析方法。结晶度测定的常用技术包括X射线衍射、红外光谱、拉曼光谱、核磁共振和和频率产生光谱。然而，即使测量相同的材料，不同的分析技术（如峰高法、峰反褶积法和无定形减法）也可能导致不同的结晶度指数。

NC对不同形式的NC基复合材料或衍生材料（如薄膜、纳米颗粒、长丝、泡沫、气凝胶或静电纺纳米纤维）力学性能的贡献是不同的，这取决于其形成方法和工艺引起的结构变化。CMF具有非常高的晶体模量（在130-150 GPa的范围内），但这种材料的强度很难确定。TEMPO复合纤维素纳米纤维（TOCNF）的强度在1.6-3.0 GPa范围内，高结晶囊类在3-6 GPa范围内。

NC用于光催化可提高成本效益，减少催化剂制备过程中有毒试剂和化学品的使用。NC基材料独特的电荷特性可增强电子分布，并将其转移到催化剂表面，从而获得良好的该功能催化活性。

NC基膜材料在水处理中的应用需满足几个关键特性：膜的干强度、湿强度，膜的孔隙率和孔结构，适合高通量和良好选择性的复合形式。

图1 本文章节示意图

图3 从多种生物质原料中生产NC总体战略计划

图4 NC研究现状及面临挑战

图23 CNC、CNF和HNC的特征与水体吸附功能

总结展望

NC在水处理方面的实际应用仍处于初始阶段，但因其独特的物理化学性质，如高比表面积、丰富的功能特性、安全无毒且生物可降解性，使其成为新型、可持续和低成本的水处理理想材料。当前，将NC基材料应用于水处理的主要缺陷在于其生产成本相对较高。由于目前CNC和CNF的制备工艺主要基于木质纤维原料，需要消耗大量能源、化学品和水。

结合光谱学、高分辨率显微镜和散射技术（尤其是溶液SAXS或中子散射）的特征，可以在纳米尺度上分析单个NC结构及其表面功能；对于实际废水体系，基于其组成的复杂性，可采用多种方法构建多功能NC纳米复合材料，实现水体污染物的有效去除。

1）NC基材料的制备应通过简单且低成本的方法（例如涂层、掺杂、浇铸、溶剂蒸发等）实现。

2）NC与无机和有机纳米颗粒的良好相容性使其可通过协同效应来改善性能。

3）丰富的表面功能性，如羟基、羧基和许多其他官能团在提取或改性的NC表面上，产生更多活性位点，从而捕获更多污染物。

4）NC基膜材料的孔径和孔隙率可通过选择不同尺寸的BNC、CNF和CNC实现，此外，还与浓度、加工条件有关。

5）NC基膜的机械强度（干强度和湿强度）可以通过NC的长径比、交联剂、表面功能性和纳米填料的添加来调控。

6）通过提高NC表面层的亲水性和电荷密度，可以降低NC基膜的污染程度。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00683

喜欢此内容的人还喜欢

ACS Appl. Mater. Interfaces：3D打印纤维素纳米复合材料的光响应运动

华盛顿州立大学雷寒武教授团队CEJ: 生物炭-从木质纤维素废料到碳基催化剂

韩国成均馆大学Jaehoon Kim教授团队Appl. Catal. B 化学级联催化将木质纤维素转化为多种高附加值生物基化学品

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编（微信号：biomass12345）

为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。

进群方式：添加小编为好友（微信号：biomass12345），邀请入群。

请备注：姓名+单位+研究方向。

另外，本公众号还友情为国内外有需求的实验室免费发布招聘信息，也可为学术机构发布相关学术会议信息。