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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。
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