水是我们地球的命脉。令人遗憾的是，目前全球约有四分之一的人口正遭受 "极度缺水 "危机，预计 2025 年将有多达 35 亿人面临缺水问题。这一紧迫问题凸显了解决联合国可持续发展目标所述清洁水和卫生设施问题的极端重要性。遗憾的是，尽管世界上许多地区都有淡水，但淡水却经常受到石油 、有机溶剂 、水溶性污染物和悬浮固体等污染物的污染。解决悬浮固体污染水的问题已引起广泛关注。也许更令人担忧的是，微塑料颗粒虽然肉眼看不见，但却普遍存在于各种水源中，对生物健康造成了不可否认的负面影响。不同来源的超细颗粒不仅危害环境和人类健康，而且需要高能耗、高成本和复杂的去除过程。因此，如何在水净化过程中以具有成本效益的方式去除超细悬浮固体仍是一项全球性挑战。

在这里，东北林业大学陈文帅教授联合美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授受先进水凝胶内在结构和功能的启发，开发了一种注射驱动的过滤系统，该系统将完全基于生物的可生物降解纳米纤维水凝胶薄膜与注射器集成在一起，用于去除超细固态悬浮物，实现便携式、可持续的水净化。这种水凝胶薄膜具有密集堆叠和缠结的纳米纤维网络，能够去除截留尺寸为 10 纳米的超细悬浮固体，去除效率高达 100%，大大超过了商用滤纸和微孔膜。在运行过程中，喷射驱动过滤系统的通量达到 90.6 g cm-2 h-1，是在相同条件下运行的商用聚碳酸酯超滤膜的 7.2 倍。此外，该过滤系统还具有良好的可扩展性和可重复使用性，而且成本低、对环境影响小。从各种难以净化的水资源中成功制取净水，进一步证明了该过滤系统的多功能性。相关成果以“A bio-based nanofibre hydrogel filter for sustainable water purification”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为Meihui Jiang，Chuyan Jing,和Chuxin Lei为共同一作。

图1：BNHFs过滤悬浮固体污染水的特性

BNHF组装

首先，将微孔膜作为支撑物安装到注射器驱动的过滤器中。然后使用注射器将 NFC 悬浮液注入支撑物。通过手动加压挤出大量水分，NFC 悬浮液在支撑物表面转化为一层薄薄的水凝胶膜，便携式 BNHF 制作成功。标准 BNHF 的重量轻至 33.8 g。通过直接的注入过滤过程，BNHF 能有效地去除分散液中的超细 悬浮固体，从而得到洁净的水（图 2b）。

制备的水凝胶薄膜称为 HF-x-y，其中 x 和 y 分别指使用高强度超声波提取 NFC 的纳米纤化时间（分钟）和用于制备水凝胶薄膜的 NFC 水悬浮液量（毫升）。HF-5-10 含水量为 95.6%。HF-5-10 的表面呈现出相互渗透的网络结构（图 2d）。当 HF-5-10 沉积在微孔膜上时，形成的复合结构具有柔韧性（图 2d 插图）。NFC 中丰富的羟基和 HF-5-10 中充满水的大量孔隙使其具有超亲水性，水接触角为 0°。冷冻干燥后，由 HF-5-10 制成的气凝胶薄膜显示出 86.9% 的孔隙率。气凝胶薄膜大部分孔隙的尺寸为 1.7～40.8 nm。从气凝胶薄膜的多孔结构中可以清晰地观察到纤维束和片状聚集体。片状区域由网状缠结纳米纤维组成。在纤维束和薄片之间有微米到数百微米大小的孔隙，而在薄片中则有纳米大小的孔隙。相互渗透的网络贯穿厚度为 191 微米的整个薄膜，可在整个厚度范围内拦截超细固态颗粒，从而实现高颗粒抑制效率。HF-5-10 中丰富的通道有利于水流，确保了压力下的高通量。由纳米纤维和纤维束相互连接而成的非均质孔隙结构可避免颗粒堵塞孔隙，从而确保过滤过程可持续进行而不会中断。

图 2：BNHF 系统的组装

去除悬浮固体以净化水

在手推产生的压力下，水迅速通过 HF-5-10，而悬浮固体则被有效拦截。成功分离悬浮固体后，便产生了干净的水。在从木材中提取 NFC 的过程中使用亚氯酸钠会释放氯气，造成一定的空气污染。考虑到环境的友好性和可持续性，作者还在纳米纤维化之前采用绿色化学预处理方法生产 NFC，生产过程中不使用和产生有毒有害试剂和气体。使用绿色 NFC 水凝胶薄膜（记为 G-HF-40-15）作为过滤材料制备的 BNHF 可以完全去除水中 20～80 纳米的 ATO 颗粒。

由于高结晶纳米纤维的致密堆叠结构，水凝胶薄膜具有抗压能力。即使以 0.05 mm min-1 的模具移动速度对 HF-5-10 进行8分钟以上的高压压缩，也未观察到结构损坏（图 3c,d），证明水凝胶膜在高流体压力下仍能保持其结构完整性。根据计算流体动力学（CFD）模拟结果，纳米颗粒进入过滤器后在 HF-5-10 的上表面被排斥（图 3g）。同时，水继续流经整个过滤器，并最终从出口排出（图 3h）。如果去掉 HF-5-10，单独使用底部孔径为 ～450 nm 的微孔膜，则无法完全拦截上述纳米颗粒，滤液中会出现一定量的悬浮固体（图 3j）。值得注意的是，HF-5-10 的注射挤出水流速率高达 90.6 g cm-2 h-1，分别是聚碳酸酯超滤膜注射挤出法和 HF-5-10 真空抽滤法的 7.2 倍和 4.4 倍。此外，HF-5-10 可重复用于去除水中的 TiO2 纳米颗粒。将总共 300 毫升的分散液过滤 30 次后，BNHF 仍能保持近 100%的颗粒去除率（图 3k）。

图 3：悬浮固体截留

BNHF 的实际应用

在实际中，有许多领域需要简单方便的操作来实现颗粒物污染水的净化。为了验证 BNHF 的实用性和普遍性，作者用它来净化受土壤污染的水、脏河水、融雪脏水和纳米塑料污染的水。用含有 HF-5-10 的 BNHF 过滤 10 毫升受土壤污染的水（0.5 wt%。水中的土壤以高达 85.3 g cm-2 h-1 的过滤速度被去除。与商用滤纸相比，HF-5-10 具有相似的压降，但显然具有更高的纳米颗粒去除效率。与商用聚碳酸酯超滤膜相比，HF-5-10 的压降更低，但水流量更大。用一瓶雨后收集的浑浊河水进行过滤。由于河水中的泥沙被 NFC 网络阻挡，滤液变得透明清澈。用含有 HF-5-10 的 BNHF 有效过滤了近 100 毫升从融雪中提取的脏水，得到了干净的水。此外，制备了不同纳米塑料浓度的聚苯乙烯纳米塑料水分散液，并用 HF-10-15 过滤。纳米塑料在 HF-10-15 的上表面被截留。纳米塑料的阻隔效率达到了 100%。为了满足大规模净化脏水的需求，作者设计了一个可容纳 1.5 升水的大型 BNHF，其有效过滤面积为 1,164 cm2（图 4h,i）。实验结果显示其过滤效果不会因为大规模过滤而产生任何影响。

图4：BNHF在实际中的应用

在资源回收中的应用

在某些情况下，水中的 悬浮固体 是有价值的。它们不应被丢弃，而应在过滤过程后回收利用。由于纳米颗粒排斥的水凝胶膜主要是通过 NFC 网络之间的范德华力和氢键组装而成，因此过滤后很容易从微孔膜基底上刮下水凝胶膜。刮下的含颗粒的水凝胶膜可加入水中，并通过超声和搅拌进行处理。纳米颗粒从 NFC 中分离出来，并因其超细尺寸而均匀地分散在水中。系统静置一段时间后，NFC 会沉淀在容器底部。因此，悬浮固体 可以很容易地从 NFC 沉积物中分离出来，并通过从容器中倾倒或抽吸分散液来回收（图5）

生物降解

从整个生命周期来看，水凝胶膜在使用后需要丢弃。将一块 HF-5-10、一块商用纳米多孔尼龙膜和一块商用纳米多孔聚碳酸酯膜同时放在草地上（图 5g）。由于 NFC 的成分纤维素和半纤维素可生物降解，HF-5-10 被放入土壤后逐渐降解。在环境温度和相对湿度不断变化的情况下，经过 100 天后，HF-5-10 被完全降解，在土壤中观察不到任何 NFC 的痕迹。而其他两种商用纳米多孔膜几乎没有降解迹象。因此，NFC 水凝胶膜是一种可持续的环保材料，使用后可埋入土壤中进行生物降解，不会造成白色污染。

图5：颗粒回收、生物降解和价值比较

小结

本文的 BNHF 符合可持续发展的目标，并具有以下多重优势：（1）拦截能力。尺寸大于 10 纳米的悬浮固体 几乎可以 100% 清除。(2) 速度快。BNHF 能够以较高的水流量净化被 悬浮固体 污染的水。(3) 可持续原料。NFC 的原材料全部来自可持续的环保植物资源。植物资源的可再生性和丰富性确保了充足且可自由获取的原材料供应。(4) 制作和操作过程简单。过滤器的制作和使用都很简单。几乎所有成年人和老人儿童在接受简单培训后都能使用，其过程与使用注射器类似。(5) 携带方便。过滤器重量轻，无需电力和其他设备，便于运输。(6) 可扩展性。过滤器可以批量生产并扩大规模，以增加一次性净化的脏水量。(7) 重复使用性。水凝胶薄膜可多次使用。(8) 资源回收。如果阻塞的 悬浮固体 昂贵或有用，可在后过滤过程中回收。(9) 生物降解性。与塑料过滤器相比，BNHF 中使用的水凝胶膜可生物降解。(10) 成本低。BNHF 的成本很低。水凝胶薄膜至少可使用 30 次。多次使用后，只需重新注入 NFC 水悬浮液即可生成新的水凝胶膜，供继续使用。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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