污水处理技术工艺

纳米纤维素及其在环保领域的应用

发布日期:2020-01-07 / 发布者:鸿淳环保科技 / 点击:

纳米纤维素是一种新的纳米材料,从天然纤维素材料,包括树,棉花,稻草,草等衍生的,化学的和机械加工形成所述制备后。在2007年,晃矶贝教授东京大学,日本制备的直径为4-5纳米,500-1000纳米至纤维素纤维的长度,因为制剂和纳米纤维素的应用取得了长足的进展,逐渐移向产业化应用。

根据其长度和直径,纳米纤维素大致可分为:纤维素纳米网络、纤维素纳米晶和纤维素纳米纤维。

纳米纤维素已经被发现和分离了几十年。 当时称为纤维素微纤维,通常直接由化学预处理的纤维素材料通过冷冻和机械研磨制成,纤维素纤维的直径较粗(约10-100nm) ,但纤维很长,具有网状结构。

随后,采用硫酸水解法制备纤维素纳米晶体,经轻度超声处理得到直径为3-5nm、纵横比仅为20左右的纳米纤维。由于表面存在负的电官能团,这种纳米纤维很容易分散在水中。

在2007年,晃矶贝教授东京大学,日本首创的纤维素纳米纤维的概念,并在温和的含水系统TEMPO /溴化钠/次氯酸钠和轻度机械处理,向上的长度500为1000nm制备的直径为4-5纳米的氧化纤维素纤维。由于准备和纳米纤维素的应用取得了长足的进步,以及对工业应用中逐步上移。优异的性能纳米纤维素纳米纤维素的优异性能主要表现在以下几个方面:

(1) 纳米纤维素来源于天然纤维素,保留了天然纤维素的晶体结构。因此,纳米纤维素具有天然纤维素优异的机械强度、耐溶剂性、热稳定性等性能。

(2)纳米纤维是以纤维素材料为原料,经过氧化、水解等化学处理而制成的新型材料。 纳米纤维的表面不仅仅是纤维素本身的羟基,还包含了氧化过程中产生的羧基、醛基和磺酸基等亲水性官能团。

(3)纳米纤维素可稳定分散在水溶液或其他极性有机溶剂中(纤维素纳米网除外),易于加工,与其他材料具有良好的复合性能。

(4) 纳米纤维素来源于地球上最可再生的生物质材料纤维素,其制备和分离方法相对环保、绿色(以水为介质)。因此,与其他纳米材料相比,纳米纤维素不仅价格低廉,而且具有可降解性和可回收性。

纳米纤维素的应用

纳米纤维素的优异性能使其成为越来越多研究者的关注和青睐。集中在生物医学和组织工程,以及纳米复合材料的每一个区域,和分离气体传感器,空气过滤器和水纯化纳米纤维素中的应用。其中组织工程的生物相容性和生物可降解的其主要应用领域;纳米复合主应用程序的属性和它的优异的机械强度,以及良好的溶剂分散等;和分离气体传感器的主要应用其表面的多官能性,并且可以是化学修饰的;与水净化技术的空气是纳米纤维素的优异的性能,和其他材料如纳米复合相静电纳米纤维的组合,产生了一类新的纳米复合材料中分离的。主要是在饮用水将是纳米纤维素,水净化,脱盐制成应用领域,贵金属回收,空气净化等的纯化。

微滤

纳米纤维素广泛微滤应用中,细颗粒的初级过滤器,饮用水细菌,病毒,重金属离子的吸附,染色废水污水净化。如在悬浮液中的纳米纤维素分散在水中,因此,与单独的吸附剂或纳米纤维素实用程序或成膜材料和一定的载体。

纽约大学化学系的本肖教授长期专注于纳米纤维素在吸附中的应用,并催生了相关的研发公司来实现其工业化。例如,将电纺纳米纤维与纤维素纳米纤维有机结合,制备出高性能纳米纤维复合微滤膜,可用于高效过滤细菌,病毒,重金属离子等污染物,获得纯净的饮用水..

超滤

纳米纤维素在超滤领域的应用,与其它的聚合物材料,如聚乙烯醇,聚环氧乙烷,脱乙酰壳多糖,纤维素等体,并且为了支撑静电纳米纤维,该纳米纤维复合材料制备的超滤膜进行组合,主要用于油 - 水分离容器废水净化,废油,油污水净化和工业领域的纯化。

基于纳米纤维素的复合超滤膜能有效过滤污水中的乳化油颗粒,截留率达99.5%以上。处理后的废水能满足环境要求,直接排放。此外,这种纳米纤维复合膜还具有表面亲水性好、使用寿命长、易于清洗和回收等优点。

纳滤与反渗透

纳米纤维素作为新型的纳米材料,也被结合到纳滤膜与反渗透膜中以提高盐水和海水淡化效率。纳滤膜主要用于硬水软化及海水淡化的前处理过程,以及一些精细分离产业。

海水淡化是解决淡水资源短缺的重要方法。纳米纤维素作为一种新型纳米材料,与纳滤和反渗透技术相结合,为水净化领域带来了新的机遇和挑战。目前,纳滤和反渗透膜的分离效率需要大大提高,以满足人类日益增长的用水需求。

膜蒸馏与渗透蒸发

水资源短缺和太阳能资源丰富区,膜蒸馏技术已经显示出了反渗透技术显著的优势。特征截留膜蒸馏技术是高,效率高,太阳能只需要能够比以往更高的直接蒸馏更好的分离,纳米纤维素可以通过表面化学修饰来实现,根据需要来设计不同的表面特性,从而提供方便加强和改进膜蒸馏。

渗透汽化技术常用于乙醇和水共沸物的分离,以获得纯乙醇作为生物燃料和水溶性挥发性有机物净化水质,这是传统分离技术无法实现的。纳米纤维素的加入和滤膜的改性将为这些膜提供更多的分离和应用效率,包括蒸发效率和分离因子的提高。

空气过滤

随着工业化进程的加快,环境破坏和污染日益严重,使发展中国家主要城市出现严重的雾霾天气。 空气中的微小颗粒,如 pm2.5甚至纳米颗粒,可以被吸入肺部并在唿吸系统中积聚,对唿吸系统造成严重损害。

在这种情况下,从解决问题的角度来看,必须消除污染源,即减少有害气体或烟尘的排放,或对排放的烟尘进行过滤,以获得清洁的空气,然后排放到大气中;从个人防护的角度来看,必须生产过滤膜材料,如过滤面罩,可以有效地过滤PM2.5和较小的颗粒,以减少有害气体和颗粒物的吸入。因此,开发高效廉价的空气过滤膜一度成为研究者和商家关注的焦点..

纳米纤维素能够为空气过滤提供新的选择,特别是对于含有细颗粒的污染空气过滤,因为它的纳米级直径为3-5nm..特别是纳米纤维素与电纺纳米纤维或精细聚酯无纺布的结合,为滤膜和口罩的生产提供了一种新的过滤技术,产生了一种新型的空气滤膜,可以有效地拦截颗粒物,保持低空气阻力。

纳米纤维素的环境产业化前景

产业化的关键是技术成本问题。 萧教授说: 「人类社会就像一座金字塔。 如果我们增加过滤成本,就意味着我们的技术只能为金字塔顶端的30-40% 服务。 如果我们能降低过滤成本,我们就能真正为金字塔底层服务” 它是一种完全符合环保产业化要求的新型纳米材料,有望实现快速的工业化生产和进一步的工业应用。

如上所述,纳米纤维素的应用领域涵盖了生物医学和组织工程、纳米增强和分离材料等方面。然而,大多数纳米纤维素相关技术仍处于实验室发展阶段,甚至处于初步的研究和积累阶段,尚不成熟和完善。即使是环保领域的纳米纤维素分离膜也只是处于市场发展的初级阶段,还没有得到业界的有效认可..因此,如何使纳米纤维素的相关产业走向规模化和市场化仍有很长的路要走。

纳米纤维素的生产在日本和美国实现了工业化,各种与纳米纤维素相关的商品应运而生。 即使在中国,也有相当多的生产商,尤其是在北京,上海和浙江。 我所在的研究小组致力于研究和开发纳米纤维素分离膜及其应用领域,拓宽纳米纤维素工业的范围,让纳米纤维素和其他新型纳米材料真正服务于底层的“金字塔”。

我们相信,随着人们对纳米纤维素认识的不断加深,越来越多的研究者和企业将投入到纳米纤维素的研发、生产、销售等方面,为纳米纤维素产业的繁荣做出贡献。

纳米纤维素及其在环保领域的应用

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