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研究團隊 | 作者
公眾號“X-MOL資訊” | 來源
水，作為生命之源，對於人類的生存和發展至關重要，是我們最不可或缺的自然資源之一。但遺憾的是，目前全球約四分之一的人口正面臨“極端缺水”這一嚴峻挑戰。更加引人關注的是，預計到2025年，將有高達35億人口面臨水資源短缺的困境。這一迫在眉睫的問題凸顯了聯合國可持續發展目標6（SDG 6）中，對清潔水源和衛生設施的迫切需求。
雖然淡水資源在很多情況下是存在的，但由於懸浮固體（SS）的汙染，使得這些水資源無法安全利用。儘管先進的水淨化裝置和超濾技術存在，但它們往往受制於高昂的成本、對電力的依賴以及運輸上的困難，限制了它們的廣泛應用。因此，亟需開發一種簡便、通用且高效的技術，以淨化受SS汙染的水。
近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的餘桂華教授和中國東北林業大學的陳文帥教授聯合開發了一種創新的注射驅動過濾系統。這一系統結合了可生物降解的全生物質基奈米纖維膜和注射器，專門用於去除超微小的懸浮固體，實現了行動式且可持續的水淨化。該水凝膠薄膜由密集堆疊的奈米纖維網路構成，其截留超細SS的能力接近100%，截止尺寸約為10奈米，遠超商用濾紙和微孔濾膜。在水淨化過程中，這一過濾系統的水通量高達90.6克每平方釐米每小時，是商用聚碳酸酯超濾膜的7.2倍。
此外，這一過濾系統不僅成本低廉，而且具有良好的擴充套件性和可重複使用性，同時兼顧了環境友好和可持續性。它能夠從包括土壤汙染水、河水、融化的汙濁雪水以及含奈米塑膠的汙染水等多種難以淨化的水源中成功提取清潔水，進一步證明了其多功能性。
相關文章以“A bio-based nanofiber hydrogel filter for sustainable water purification”為題發表在Nature Sustainability上。
圖文解讀
受到水凝膠獨特結構和功能的啟發，該研究團隊開發出了一種全新的注射驅動生物質基奈米纖維水凝膠過濾器（BNHF）。這種過濾器巧妙地將奈米纖化纖維素（NFC）的水凝膠膜與注射器相結合，專門用於去除懸浮固體（SS），以便收集清潔水。與傳統使用濾紙或超薄奈米多孔濾膜的過濾器相比，BNHF展現了多項獨特優勢：它不僅過濾效率卓越，而且具有高效且穩定的水通量，操作簡單易行。此外，這種過濾器在環境可持續性、可擴充套件性、可重用性、顆粒回收以及成本效益方面也表現出色，成為一種前景廣闊的水淨化技術。
圖1. BNHF的組成和其過濾SS汙水的機理
BNHFs的設計巧妙，其核心構建單元不僅易於獲取，而且組裝使用簡便，且因其輕巧的質量而便於攜帶。透過一個簡易的注入過濾程式，BNHF能夠高效地從分散液中移除超細SS，從而產生清潔水。水凝膠膜HF-5-10採用了一個相互交織的糾纏網路結構，這一結構使得它能夠在整個厚度範圍內攔截超細SS，從而實現了高效的顆粒攔截。HF-5-10內部獨特的通道結構不僅有利於水流的快速透過，還能在高壓環境下保持高通量。其由奈米纖維和奈米束交錯形成的非均質孔隙結構，有效避免了顆粒堵塞孔隙的問題，保證了其在持續過濾過程中的穩定性和效率。
圖2. BNHF系統的組裝和各組成部分的形貌表徵
由於其獨特的三維多孔奈米纖維網路結構和水凝膠膜的超親水性，BNHF成為去除超細SS的理想選擇，能夠透過簡單的注射擠壓方式快速獲得潔淨水。其使用方法與注射器注射藥物相似，BNHF過濾系統能夠迅速處理大約10毫升含SS的水分散液。在手動產生的壓力下，水快速流過HF-5-10膜，同時有效攔截SS，確保獲得的水質潔淨。BNHF在攔截尺寸大於或等於10奈米的超細顆粒方面，與市面上截止尺寸相同的聚碳酸酯超濾膜相媲美，幾乎達到100%的攔截效率。值得一提的是，手動加壓的HF-5-10的水通量高達90.6 g/cm2 h，是同樣方式下聚碳酸酯超濾膜的7.2倍，以及真空過濾HF-5-10的4.4倍左右。此外，HF-5-10還具備可重複使用的特性，可用於去除水中的TiO2奈米顆粒。即使在300毫升的分散體經過30次過濾後，BNHF仍然保持著接近100%的顆粒去除效率。
圖3. 經BNHF過濾過的SS汙水
BNHFs具有實用性和通用性，可以從土壤汙染水、髒河水、融雪汙染水和奈米塑膠汙染水中獲得乾淨的水。
圖4. BNHF在實際中的應用
為了應對大規模淨化汙水的挑戰，研究團隊特別設計了一款大型的BNHF，其容量約為1.5升，有效過濾面積達到1164平方釐米。這一設計的亮點在於，儘管過濾器體積增大，但在外部壓力的作用下，水依然能夠持續流經過濾器並被有效淨化。這保證了即便在處理大量水源的情況下，過濾器仍然能夠高效地產出乾淨的水。
圖5. 大尺寸BNHF淨化髒的河水
在BNHF的過濾過程中，水中一些具有價值的SS也可以被有效回收，這增加了過濾系統的實用性。更為重要的是，生物降解實驗證實了HF-5-10水凝膠膜具有完全生物降解的能力，而市面上其他兩種商用奈米多孔膜幾乎沒有降解能力。這一特性使得NFC水凝膠膜成為一種真正可持續的環保材料。使用後的水凝膠膜可以被埋入土壤中，自然降解，不會造成環境汙染。此外，在淨化SS汙染水方面，BNHF使用的水凝膠膜相比於商用濾紙、商用微孔膜以及其他NFC水凝膠膜，具有顯著的優勢。它在工藝簡單性、顆粒去除效率、水流速度、環境友好性（包括生物降解性）、低成本（小型BNHF成本約1.70美元）以及廣泛的應用潛力等多個方面，均優於現有的其他技術。
圖6. 顆粒回收、生物降解與價值對比
總結展望
本研究提供了一種功能強大且價格合理的工具來獲取清潔水。該行動式濾水器由注射壓力驅動，並透過奈米纖維素水凝膠膜與注射器整合組裝，為長期存在的水源SS汙染問題提供了可持續的解決方案。
BNHF符合可持續發展目標6的目標，並具有多種優勢：
1）攔截能力。尺寸大於10 nm的SS幾乎100%被攔截。
2）速度快。BNHF能夠高通量的淨化SS汙染水。
3）可持續的原材料。NFC的原材料全部來自可持續和生態友好的植物資源。它們的可再生性和豐富性保證了充足的原材料供應。
4）製作操作工藝簡單。該過濾器的製作和使用都很方便。幾乎所有的成年人和老年兒童在接受簡短的培訓後都可以使用它，其過程類似於使用注射器。
5）可攜帶性。該過濾器重量輕，不需要電力和其他裝置，便於運輸。
6）可擴充套件性。該過濾器可以批次生產和擴大規模，以增加在一次操作中淨化髒水的體積。
7）可重用性。水凝膠膜可多次使用。
8）資源回收。如果攔截的SS是昂貴的或有用的，它們可以在過濾後被回收。
9）可生物降解性。與塑膠過濾器相比，BNHF中使用的水凝膠膜是可生物降解的。
10）成本低。BNHF的成本很低。該水凝膠膜至少可使用30次。多次使用後，只需重新注入NFC水懸浮液，生成新的水凝膠膜即可繼續使用。
未來，對過濾系統進行改進和增強，以滿足不同群體的多樣化要求是必不可少的。同時，可以利用多尺度分子模擬來加速可持續過濾材料的開發。最後，期望這項工作可以為透過可持續戰略解決水汙染問題的創新研究提供更多靈感。
研究團隊1
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通訊作者 餘桂華：美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系、機械工程系講席教授。餘桂華教授團隊的研究重點是新型功能化奈米材料的精確設計和綠色合成，尤其是對能源和環境凝膠材料的開創性研究，對其化學和物理性質的表徵和探索，以及推廣其在能源，環境和生命科學領域展現重要的技術應用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Reviews Chemistry, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Sustainability, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today等國際著名刊物上發表論文300餘篇，論文引用~ 87000次，H-index 165，是在材料科學和化學兩個學科的全球Top 0.1%高被引研究學者。現任 ACS Materials Letters副主編，也是二十餘個國際著名化學和材料類科學期刊的顧問編委。
https://www.x-mol.com/university/faculty/37838
通訊作者 陳文帥：東北林業大學教授、博士生導師，生物質材料科學與技術教育部重點實驗室副主任。黑龍江省青聯常委、黑龍江省“新青年獎”十佳人物、黑龍江省青年五四獎章。國家級青年人才、國家自然科學基金優秀青年科學基金專案獲得者。入選中國科協青年人才託舉工程專案、國家林業和草原局林草科技創新青年拔尖人才、龍江學者青年學者。主要從事木材物理學研究，在林木纖絲解聚、重組與高效利用方面做出一系列創新性研究工作。在Nature Sustainability、Nature Communications、Advanced Materials、Chemical Society Reviews、Matter等期刊發表研究論文100餘篇。入選斯坦福大學“全球前2%頂尖科學家”榜單。獲授權國家發明專利10餘項。在科學出版社出版學術著作2部、出版英文書章1部。獲2023 Energies Award、梁希林業科學技術獎自然科學二等獎、中國林業青年科技獎、黑龍江省青年科技獎、中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎、黑龍江省高校教師教學創新大賽二等獎、霍英東教育基金會高等院校青年教師基金等獎勵。全國高校黃大年式教師團隊、全國工人先鋒號團隊、黑龍江省頭雁團隊骨幹成員。現擔任中國青年科技工作者協會會員、中國化學會纖維素專業委員會委員、中國林學會木材科學分會委員、東北林業大學學術委員會委員。擔任Science Bulletin特邀編委、SusMat青年編委、Nano-Micro Letters青年編委、Nano Research Energy青年編委。
https://www.x-mol.com/university/faculty/233173
第一作者 姜美慧、荊楚妍、雷楚昕
論文資訊
釋出期刊 Nature Sustainability
釋出時間 2024年1月19日
文章標題 A bio-based nanofiber hydrogel filter for sustainable water purification
（https://doi.org/10.1038/s41893-023-01264-9）
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