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      納米纖維素及其在環保領域的應用

      2020/1/6 10:55:16      點擊:

      純水設備www.hzlcsm.com】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,經過化學和機械處理后制備形成。2007年,日本東京大學的Akira Isogai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用得到了長足發展,并逐漸走向產業化應用。

      納米纖維素的誕生納米纖維素根據其長度與直徑可以粗略分為:纖維素納米網(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,納米纖維素就被認知和分離出來了,那時候它的名字叫纖維素微纖(cellulose microfibrils),通常是由經過化學預處理的纖維素原料,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,呈網絡結構。

      后來,人們采用硫酸水解的方法制備出纖維素納米晶,純水設備并經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,由于表面具有負電官能團,易于分散于水中。

      2007年,日本東京大學的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用得到了長足發展,并逐漸走向產業化應用。納米纖維素的優異性質納米纖維素的優異性質主要表現在以下幾個方面:

      1)納米纖維素來源于天然纖維素,保留了天然纖維素的結晶結構,因此,納米纖維素具有天然纖維素優良的機械強度、耐溶劑性、熱穩定性等性質。

      2)納米纖維是纖維素材料經過氧化或者水解等化學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生的羧基、醛基、磺酸基等親水官能團,這些官能團的存在預示了其廣闊的應用領域。

      (3)納米纖維素可以穩定分散于水溶液或其它極性有機溶劑中(纖維素納米網除外),因而易于加工應用,且與其它材料具有良好的復合性能。

      (4)納米纖維素來源于地球上最多的可再生生物質材料——纖維素,且制備分離方法相對環保綠色(以水為介質),因此,相對其它納米材料不僅具有廉價優勢,且可降解回收。

      納米纖維素的應用

      納米纖維素優異的性質使其越來越受到研究者的關注和青睞。納米纖維素的應用主要集中在生物醫學和組織工程、納米復合與增強材料、氣體傳感與分離、空氣過濾與水凈化等各個領域。其中,組織工程領域主要應用其良好的生物相容性和生物可降解性;納米復合材料主要應用其優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用其表面的多官能團及可化學修飾性能;而空氣與水凈化領域則結合了納米纖維素的各種優異性能,并與其它納米材料如靜電紡納米纖維相復合,催生出一類新型的納米復合分離材料。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、空氣凈化等領域的應用做出探討。

      微濾

      納米纖維素在微濾領域應用廣泛,主要針對微顆粒過濾、飲用水中細菌、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,或與一定的載體結合制備成膜材料。

      美國紐約州里大學石溪分;瘜W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用研究,并催生了相關的研發公司,以實現其產業化。如,將靜電紡納米纖維與纖維素納米纖維有機結合,制備出高性能的納米纖維復合微濾膜,并用于高效過濾細菌、病毒、重金屬離子等污染物,獲取純凈的飲用水;再如,將納米纖維素應用于污水體系中,與其它過濾環節相結合,實現污水達標排放的目的。

      超濾

      納米纖維素在超濾領域的應用,要與其它高分子材料相結合,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,以及工業油質污水凈化等領域。

      基于納米纖維素的復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境要求指標而直接排放。除此之外,該類納米纖維復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點。

      納濾與反滲透

      納米纖維素作為新型的納米材料,也被結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,以及一些精細分離產業。

      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的結合,給水凈化領域帶來了新的契機與挑戰。當前,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

      在水資源短缺而太陽能豐富的地域,膜蒸餾技術顯示出了優于反滲透技術的巨大優勢。膜蒸餾技術的特點是截留率高、高效、節能,僅需要太陽能驅動就可以實現比傳統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修飾,依據需要來設計不同表面性質,從而為提高和改進膜蒸餾技術提供了便利條件。

      滲透蒸發技術經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性有機物以凈化水質,這些都是傳統的分離技術無法實現的。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用效率,包括提高蒸發效率和分離因子等。

      空氣過濾

      隨著工業化進程的加速,環境的破壞和污染日益加劇,使得發展中國家的大城市都出現了嚴重的霧霾天氣?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,造成呼吸系統的嚴重損傷。

      針對這種情況,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,發展高效廉價的空氣過濾膜一度成為研究者和商家關注的焦點。

      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的聚酯無紡布結合,為過濾膜和口罩等的生產提供了新的過濾技術,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。

      納米纖維素的環保產業化展望

      產業化的核心關鍵是技術成本問題。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只能服務于金字塔頂端的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于金字塔的底層!奔{米纖維素原料來源廣泛、生產工藝簡潔、技術產品環保綠色,是一類完全符合環保產業化要求的新型納米材料,純水設備有望實現快速工業化生產及進一步的產業化應用。

      納米纖維素的應用領域,正如上面所說,涵蓋生物醫學和組織工程、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的技術還處在實驗室發展階段,甚至處于初始的研究和積累階段,尚不成熟和完善。即使是環保領域的納米纖維素分離膜,也僅僅處于市場發展的初始階段,尚未得到業界的有效認可。因此,如何使納米纖維素的相關產業走向規;褪袌龌,仍然有很長的路要走。

      納米纖維素的生產已經在日本和美國實現產業化,各種納米纖維素相關的商品相繼問世。即使在中國,亦有相當數量的生產商存在,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用領域,將納米纖維素產業做寬做大,讓納米纖維素這類新型的納米材料真正服務于“金字塔”底層。

      我們相信,隨著人們對納米纖維素認識的不斷深入,會有越來越多的科研工作者和企業投入到納米纖維素的研發、生產、銷售等方面,為納米纖維素產業的繁榮作出貢獻。蘇州皙全皙全純水設備公司可根據客戶要求制作各種流量的純水設備,去離子水設備,超純水設備及軟水處理設備。純水設備,實驗室純水設備。

       


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