納米纖維素及其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用
【天津純水設(shè)備http://www.dingostar-it.com.cn】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(jī)械處理后制備形成。2007年，日本東京大學(xué)的Akira Isogai教授制備出直徑為4-5納米，長度高達(dá)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)（cellulose nanowebs）、纖維素納米晶（cellulose nanocrystals或者cellulose nanowhiskers）和纖維素納米纖維（cellulose nanofibers）。
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(shí)候它的名字叫纖維素微纖（cellulose microfibrils），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(jī)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(tuán)，易于分散于水中。
2007年，日本東京大學(xué)的Akira Isogai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/NaClO及溫和的機(jī)械處理來制備直徑為4-5納米，長度高達(dá)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(gè)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(jī)械強(qiáng)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(tuán)，這些官能團(tuán)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(jī)溶劑中（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(duì)環(huán)保綠色（以水為介質(zhì)），因此，相對(duì)其它納米材料不僅具有廉價(jià)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(qiáng)材料、氣體傳感與分離、空氣過濾與水凈化等各個(gè)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(jī)械性能和強(qiáng)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(tuán)及可化學(xué)修飾性能；而空氣與水凈化領(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(duì)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(duì)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(dú)實(shí)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)石溪分校化學(xué)系Ben Hsiao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(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化。如，將靜電紡納米纖維與纖維素納米纖維有機(jī)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(shí)現(xiàn)污水達(dá)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。
基于納米纖維素的復(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(dá)99.5%以上，其處理后的廢水能達(dá)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性好、使用壽命長、易于清洗回收等多重優(yōu)點(diǎn)。
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(jī)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(diǎn)是截留率高、高效、節(jié)能，僅需要太陽能驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)直接蒸餾法更高更好的分離效果，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(jì)不同表面性質(zhì)，從而為提高和改進(jìn)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(jī)物以凈化水質(zhì)，這些都是傳統(tǒng)的分離技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。納米纖維素的加入以及對(duì)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。
空氣過濾
隨著工業(yè)化進(jìn)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。空氣中的微小顆粒（如PM2.5）甚至納米顆粒，會(huì)隨著呼吸進(jìn)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(duì)這種情況，從解決問題的角度來講，就要消滅污染源，即減少有害氣體或煙塵的排放，或者對(duì)排放的煙塵進(jìn)行過濾處理，得到潔凈的空氣再排入大氣；從個(gè)人防護(hù)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(jià)的空氣過濾膜一度成為研究者和商家關(guān)注的焦點(diǎn)。
納米纖維素因其納米尺度的直徑為3-5納米，因此能夠?yàn)榭諝膺^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。正如Hsiao教授所說：“人類社會(huì)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(shí)現(xiàn)快速工業(yè)化生產(chǎn)及進(jìn)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(qiáng)與分離材料等各個(gè)方面。然而，絕大部分納米纖維素相關(guān)的技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)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)模化和市場化，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(shí)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，尤其是在北京、上海、江浙一帶。筆者所在的課題組就致力于研究拓展納米纖維素類分離膜及其應(yīng)用領(lǐng)域，將納米纖維素產(chǎn)業(yè)做寬做大，讓納米纖維素這類新型的納米材料真正服務(wù)于“金字塔”底層。
我們相信，隨著人們對(duì)納米纖維素認(rèn)識(shí)的不斷深入，會(huì)有越來越多的科研工作者和企業(yè)投入到納米纖維素的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等方面，為納米纖維素產(chǎn)業(yè)的繁榮作出貢獻(xiàn)。天津純水設(shè)備，天津水處理設(shè)備，天津去離子水設(shè)備。
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