納米纖維素及其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

1、納米纖維素及其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用納米纖維素（nanocellulose）是一種新型納米材料，來源于天然纖維素材料，包括樹木、棉花、秸稈、草類等等，經(jīng)過化學(xué)和機械處理后制備形成。2007年，日本東京大學(xué)的AkiraIsogai教授制備出直徑為4-5納米，長度高達500-1000納米的纖維素纖維，自此納米纖維素的制備及應(yīng)用得到了長足發(fā)展，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。納米纖維素的誕生納米纖維素根據(jù)其長度與直徑可以粗略分為：纖維素納米網(wǎng)（cellulosenanowebs）、纖維素納米晶（cellulosenanocrystals或者cellulosenanowhiskers）和纖維素納米纖維（cellulo

2、senanofibers）。早在幾十年以前，納米纖維素就被認(rèn)知和分離出來了，那時候它的名字叫纖維素微纖（cellulosemicrofibrils），通常是由經(jīng)過化學(xué)預(yù)處理的纖維素原料，通過冷凍和機械研磨方法來直接制備的，所得纖維素纖維直徑較粗（約10-100納米）但纖維很長，呈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。后來，人們采用硫酸水解的方法制備出纖維素納米晶，并經(jīng)過溫和的超聲處理得到直徑為3-5納米，但長徑比僅為20左右的納米纖維。這種納米纖維，由于表面具有負(fù)電官能團，易于分散于水中。2007年，日本東京大學(xué)的AkiraIsogai教授率先提出了纖維素納米纖維的概念，并采用溫和的水性氧化體系TEMPO/NaBr/Na

3、ClO及溫和的機械處理來制備直徑為4-5納米，長度高達500-1000納米的纖維素纖維。自此納米纖維素的制備及應(yīng)用得到了長足發(fā)展，并逐漸走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。納米纖維素的優(yōu)異性質(zhì)納米纖維素的優(yōu)異性質(zhì)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）納米纖維素來源于天然纖維素，保留了天然纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此，納米纖維素具有天然纖維素優(yōu)良的機械強度、耐溶劑性、熱穩(wěn)定性等性質(zhì)。（2）納米纖維是纖維素材料經(jīng)過氧化或者水解等化學(xué)處理后得到的新材料，其表面除了纖維素本身具有的羥基外，還附有通過氧化過程產(chǎn)生的羧基、醛基、磺酸基等親水官能團，這些官能團的存在預(yù)示了其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。(3)納米纖維素可以穩(wěn)定分散于水溶液或其它極性有機溶

4、劑中（纖維素納米網(wǎng)除外），因而易于加工應(yīng)用，且與其它材料具有良好的復(fù)合性能。(4)納米纖維素來源于地球上最多的可再生生物質(zhì)材料纖維素，且制備分離方法相對環(huán)保綠色（以水為介質(zhì)），因此，相對其它納米材料不僅具有廉價優(yōu)勢，且可降解回收。納米纖維素的應(yīng)用納米纖維素優(yōu)異的性質(zhì)使其越來越受到研究者的關(guān)注和青睞。納米纖維素的應(yīng)用主要集中在生物醫(yī)學(xué)和組織工程、納米復(fù)合與增強材料、氣體傳感與分離、空氣過濾與水凈化等各個領(lǐng)域。其中，組織工程領(lǐng)域主要應(yīng)用其良好的生物相容性和生物可降解性；納米復(fù)合材料主要應(yīng)用其優(yōu)秀的機械性能和強度，以及良好的溶劑分散性等；氣體傳感與分離主要應(yīng)用其表面的多官能團及可化學(xué)修飾性能；而空氣

5、與水凈化領(lǐng)域則結(jié)合了納米纖維素的各種優(yōu)異性能，并與其它納米材料如靜電紡納米纖維相復(fù)合，催生出一類新型的納米復(fù)合分離材料。以下將主要針對納米纖維素在飲用水純化、污水凈化、海水淡化、貴金屬回收、空氣凈化等領(lǐng)域的應(yīng)用做出探討。微濾納米纖維素在微濾領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要針對微顆粒過濾、飲用水中細(xì)菌、病毒、重金屬離子的吸附、印染廢水等污水凈化。由于納米纖維素在水中呈懸浮狀態(tài)分散，因此，納米纖維素或作為吸附劑單獨實用，或與一定的載體結(jié)合制備成膜材料。美國紐約州里大學(xué)石溪分?；瘜W(xué)系BenHsiao教授課題組長期致力于納米纖維素在吸附方面的應(yīng)用研究，并催生了相關(guān)的研發(fā)公司，以實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化。如，將靜電紡納米纖維與纖

6、維素納米纖維有機結(jié)合，制備出高性能的納米纖維復(fù)合微濾膜，并用于高效過濾細(xì)菌、病毒、重金屬離子等污染物，獲取純凈的飲用水；再如，將納米纖維素應(yīng)用于污水體系中，與其它過濾環(huán)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)污水達標(biāo)排放的目的。超濾納米纖維素在超濾領(lǐng)域的應(yīng)用，要與其它高分子材料相結(jié)合，比如聚乙烯醇、聚氧乙烯、殼聚糖、本體纖維素等，并以靜電紡納米纖維為支撐，制備納米纖維復(fù)合超濾膜，主要用于油水分離、船舶廢水凈化、油田廢水凈化，以及工業(yè)油質(zhì)污水凈化等領(lǐng)域?；诩{米纖維素的復(fù)合超濾膜能夠有效濾除污水中的乳化油顆粒，截留率高達99.5%以上，其處理后的廢水能達到環(huán)境要求指標(biāo)而直接排放。除此之外，該類納米纖維復(fù)合膜還具有表面親水

7、性好、使用壽命長、易于清洗回收等多重優(yōu)點。納濾與反滲透納米纖維素作為新型的納米材料，也被結(jié)合到納濾膜與反滲透膜中以提高鹽水和海水淡化效率。納濾膜主要用于硬水軟化及海水淡化的前處理過程，以及一些精細(xì)分離產(chǎn)業(yè)。海水淡化是解決淡水資源缺乏的重要方法，納米纖維素作為新型的納米材料，與納濾和反滲透技術(shù)的結(jié)合，給水凈化領(lǐng)域帶來了新的契機與挑戰(zhàn)。當(dāng)前，納濾與反滲透膜的分離效率還有待大幅度提高，以滿足人類日益提高的用水需求。膜蒸餾與滲透蒸發(fā)在水資源短缺而太陽能豐富的地域，膜蒸餾技術(shù)顯示出了優(yōu)于反滲透技術(shù)的巨大優(yōu)勢。膜蒸餾技術(shù)的特點是截留率高、高效、節(jié)能，僅需要太陽能驅(qū)動就可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)直接蒸餾法更高更好的分離

8、效果，而納米纖維素可以通過表面化學(xué)修飾，依據(jù)需要來設(shè)計不同表面性質(zhì)，從而為提高和改進膜蒸餾技術(shù)提供了便利條件。滲透蒸發(fā)技術(shù)經(jīng)常用于乙醇和水共沸物分離，從而獲得純的乙醇作為生物燃料和水中共溶的揮發(fā)性有機物以凈化水質(zhì)，這些都是傳統(tǒng)的分離技術(shù)無法實現(xiàn)的。納米纖維素的加入以及對過濾層的改性將為這些膜提供更多的分離和應(yīng)用效率，包括提高蒸發(fā)效率和分離因子等?？諝膺^濾隨著工業(yè)化進程的加速，環(huán)境的破壞和污染日益加劇，使得發(fā)展中國家的大城市都出現(xiàn)了嚴(yán)重的霧霾天氣?？諝庵械奈⑿☆w粒（如PM2.5）甚至納米顆粒，會隨著呼吸進入肺部，并且累積于呼吸系統(tǒng)，造成呼吸系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p傷。針對這種情況，從解決問題的角度來講，就要

9、消滅污染源，即減少有害氣體或煙塵的排放，或者對排放的煙塵進行過濾處理，得到潔凈的空氣再排入大氣；從個人防護的角度來講，則需要生產(chǎn)能夠有效過濾PM2.5和更小顆粒物的過濾口罩等過濾膜材，以減少有害氣體和顆粒物的吸入。因此，發(fā)展高效廉價的空氣過濾膜一度成為研究者和商家關(guān)注的焦點。納米纖維素因其納米尺度的直徑為3-5納米，因此能夠為空氣過濾，尤其是為含有細(xì)顆粒物的污染空氣過濾提供新的選擇。特別是，納米纖維素與靜電紡納米纖維或者較精細(xì)的聚酯無紡布結(jié)合，為過濾膜和口罩等的生產(chǎn)提供了新的過濾技術(shù)，催生出能夠高效截留顆粒物、保持低氣阻的新型空氣過濾膜。納米纖維素的環(huán)保產(chǎn)業(yè)化展望產(chǎn)業(yè)化的核心關(guān)鍵是技術(shù)成本問題

10、。正如Hsiao教授所說：“人類社會就像一座金字塔，如果我們提高過濾的成本，就意味著我們的技術(shù)只能服務(wù)于金字塔頂端的30-40%；如果我們能夠降低過濾的成本，那么我們就能真正服務(wù)于金字塔的底層。”納米纖維素原料來源廣泛、生產(chǎn)工藝簡潔、技術(shù)產(chǎn)品環(huán)保綠色，是一類完全符合環(huán)保產(chǎn)業(yè)化要求的新型納米材料，有望實現(xiàn)快速工業(yè)化生產(chǎn)及進一步的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。納米纖維素的應(yīng)用領(lǐng)域，正如上面所說，涵蓋生物醫(yī)學(xué)和組織工程、納米增強與分離材料等各個方面。然而，絕大部分納米纖維素相關(guān)的技術(shù)還處在實驗室發(fā)展階段，甚至處于初始的研究和積累階段，尚不成熟和完善。即使是環(huán)保領(lǐng)域的納米纖維素分離膜，也僅僅處于市場發(fā)展的初始階段，尚未得到業(yè)界的有效認(rèn)可。因此，如何使納米纖維素的相關(guān)產(chǎn)業(yè)走向規(guī)?；褪袌龌?，仍然有很長的路要走。納米纖維素的生產(chǎn)已經(jīng)在日本和美國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，各種納米纖維素相關(guān)的商品相繼問世。即使在中國，亦有相當(dāng)數(shù)量的生產(chǎn)商存在，