纳米纤维素去除水体系重金属离子的研究进展

（3） 其他 微球[68]、海绵[69] 等三维结构是除气凝胶和水凝胶以外的体结构类型。Ram等[68] 对纳米 纤维球形颗粒通过酶催化酯化得到3-巯基丙酸改 性的纳米纤维素颗粒 （SNC-3-MPA）（见图 8）。 将其用于Hg2+ 的吸附，表现出高效的吸附选择性， 单次最大吸附量 98.6mg/g，累积吸附量 405mg/g， 循环次数达9次。

纳米纤维素3D结构吸附材料以其高的吸附效 率和优异的再生性等优势，在水体重金属离子去除 领域展现出了广阔的应用前景。相比之下，微球、 颗粒等小尺寸三维结构在回收利用方面操作复杂、 难再生，可尝试将其嵌入到水凝胶或气凝胶中加以 改善。此外，还可以将有机金属骨架 （MOF）、氧化石墨烯等[70-71] 新兴吸附材料嵌入纳米纤维素构成 的三维结构中制备新型吸附材料。Zhu等[72] 利用纳 米纤维素的优异的分散性能和大的长径比，将 MOFs负载到CNCs，使MOF材料的弹性得以提高， 解决了单一材料易聚集、吸附量低等缺陷，获得了 理想的力学性能、较高的孔隙率和优异的吸附性 能。与其相反，Hong 等[73] 将羧甲基化纳米纤维素 （CMCNF） 嵌入到聚氨酯泡沫中，形成的吸附材料 有效解决了CMCNF本身易聚集、回收困难等缺陷， 且表现出良好的吸附性能。

纳米纤维素表面活性位点的类型与数量及其结 构特点共同决定了材料的吸附性能。适当改性后的 纳米纤维素具有更大的长径比，比表面积得到极大 提高，既有利于其吸附量的提高，也有利于其进一 步改性或结构设计，赋予材料理想的孔结构和力学 性能。Geng 等[18] 对此有充分证明，经TEMPO 氧化 后的天然NFC，直径从20nm降低到10nm，进一步 接枝 3-巯丙基-三甲氧基硅烷制得功能化的气凝 胶，对 Hg2+ 吸附量 （719mg/g） 较改性前的吸附量 （75mg/g） 大 大 提 高 。 即 使 在 其 他 重 金 属 离 子 （Cu2+、Cd2+、Pb2+和 Zn2+） 共同存在或模拟废水的 条件下，对 Hg2+ 的选择性吸附选择性也达到了 97.8%，这归因于材料表面的巯基 （—SH） 对Hg2+ 具有较强的亲和力。

 3 纳米纤维素吸附重金属领域的重要 科学技术问题

 纳米纤维素在水体系重金属离子去除领域的研 究呈逐年上升的趋势，经过全世界科学家的努力， 各种纳米纤维素吸附材料不断涌现，性能得到不断 提升。但是，纳米纤维素在水体系重金属去除领域 的应用仍面临诸多挑战：①吸附量及选择性有待提 高；②材料应用性（力学性能、再生性）有待加强 等。突破这些挑战将为其工业化应用奠定基础。本 文从改性和结构设计两个方面归纳了纳米纤维素在 水体系重金属离子去除领域的应用研究中主要存在 如下科学技术问题。

 3.1 改性方面

（1）如何缩短反应流程、增加活性位点从而高 效利用是纳米纤维素改性所面临的一大挑战。由于 改性过程常涉及强酸强碱及其他催化剂，易导致纳 米纤维素的降解，不利于吸附及其再生，探索新的 改性策略、平衡纳米纤维素表面活性位点及其聚集态、形态至关重要。

（2） 活性官能团与重金属离子间选择性较弱。 由于常用的羧基与氨基对各种重金属离子的选择性 较弱，活性位点由于重金属离子浓度之间不具有当 量吸附规则，除巯基与Hg2+ 间存在明显较强的选择 性吸附外，其他活性官能团与重金属离子间选择性 较弱，对纳米纤维素材料的设计没有太大的指导意 义，寻找新的高选择性官能团接枝到纳米纤维素表 面提高重金属离子的吸附选择性具有重要意义。

（3）实验室研究的局限性。纳米纤维素去除水 体系重金属离子的研究基本处于实验室研究阶段， 或水体系成分简单，或重金属离子单一，或试验体 积小，这与工业化废水处理的要求相差甚远，以成 分复杂的工业废水为体系的研究是纳米纤维素走向 工业化的必经之路。

3.2 结构设计方面

（1）纳米纤维素吸水性的合理利用及力学性能 的调控。纳米纤维素较强的吸水性易有利于重金属 离子的扩散吸附，但同时由于吸水溶胀，吸附过程 中发生沉淀聚集，导致材料寿命减短。就2D结构 而言，借助有效的改性方法可改善膜的界面性质， 同时调控膜结构可进一步提高材料吸附性能；纳米 纤维素气凝胶极易吸水坍塌，利用纳米纤维素的吸 水性的同时提高其结构力学性能，如形状记忆能 力、抗压缩性等，对维持结构内外的稳定具有重要 意义。以3D结构 （尤其水凝胶和气凝胶） 为导向 的纳米纤维素材料在水体系重金属离子处理领域的 研究还处于起步阶段。

（2）气凝胶制备周期长、能耗高，不利于规模 化生产，因此开发新的制备工艺具有重要意义。

（3）建立具体的材料吸附性能评价体系。尽管 目前针对2D/3D结构纳米纤维素材料的研究报道诸 多，但并未形成具体的标准，没有明确的吸附量标 准、再生次数、力学性能等评价体系。

 4 结语与展望

本文总结并讨论了近年来纳米纤维素在水体系 重金属离子去除领域的研究现状，为提高纳米纤维 素对重金属离子的吸附量及去除效率，主要通过化 学改性和结构设计两方面展开研究，并不断取得突 破性成果。

未来，纳米纤维素在水体系重金属离子去除领 域会有如下几个方面的潜在发展方向。

（1） 纳米纤维素的多功能化。纳米纤维素的v> 多功能化可实现多种污染物的同步高效去除。

（2） 交叉领域相互渗透。交叉领域的相互渗 透可提高纳米纤维素吸附材料的吸附效率，增强 2D和3D结构材料的力学性能[74-75]。如Hu等[76] 以模 拟“仿生肌肉”力学性能的思路制备得到一种超强 水凝胶，这有利于纳米纤维素基吸附材料的结构 设计。

（3） 纳米纤维素的分离与功能化的集成。缩 短工艺流程，提高生产效率。

（4） 重金属回收及其高值化利用。纳米纤维 素吸附重金属离子后的进一步高值化利用是未来的 发展趋势，有望构建富集与转化为一体的新兴 产业[77-79]。

（5） 工业化愿景。与工业化操作标准之间建 立联系，打造小型实验室内的可工业化操作模型将 有助于建立纳米纤维素材料去除水体系重金属离子 的吸附性能的评价体系。