《安全环境-环保技术》之纳米纤维素及其在环保领域的应用 VIP免费

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...