综述：用于水净化的纤维素基气凝胶的最新进展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recent advances in cellulose-based aerogels for water purification

　　

Pingting Zhu|Jianqiang Gu|Jie Liu|Na Li

中国海南省海口市海南医学院公共卫生学院，教育部热带转化医学重点实验室，邮编571199

摘要

纤维素气凝胶因其良好的表面化学性质、低密度、高比表面积、高孔隙率以及低热导率等特性，已被广泛应用于各个领域，尤其是在水净化方面。然而，纤维素气凝胶仍存在一些固有缺陷，如功能基团种类少、吸附能力不足以及机械性能较差，这些因素限制了其实际应用。因此，改进策略对于推动基于纤维素的气凝胶在高效水净化领域的应用至关重要。本综述系统总结了纤维素气凝胶的制备方法，并深入探讨了包括2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基氧化、接枝聚合、交联、原位生长、硅烷化以及复合改性在内的各种改性策略。此外，还阐述了通过这些策略改性的纤维素基气凝胶相应的物理化学性质。同时，综述了这类气凝胶对重金属、染料、抗生素、油类及有机溶剂等多种污染物的吸附性能与机制，并对其在先进水净化系统中的实际应用潜力进行了评估。最后，全面分析了纤维素基气凝胶在水处理方面的优势与技术局限，同时展望了未来的研究方向与发展趋势。

引言

气凝胶由于其可调控的表面化学性质、低密度、高比表面积、高孔隙率以及低热导率等特性，已被广泛应用于催化、绝缘材料、太阳能利用、能量转换存储、压电效应、低温玻璃制备、传感器以及吸附等领域[1]、[2]。气凝胶是一类以气体作为分散介质、固体含量低且具有高度多孔结构的新型材料[2]。1931年Kistler首次提出了气凝胶的概念，而二氧化硅气凝胶则是通过超临界流体干燥技术制备而成的[3]。由于具有优异的热稳定性和化学稳定性，二氧化硅气凝胶已成为最具实用价值的气凝胶材料之一[4]。最初，二氧化硅气凝胶是通过溶胶-凝胶法、陈化处理、溶剂替换以及干燥工艺，由四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、三甲基甲氧基硅烷、聚乙氧基硅氧烷以及三乙氧基硅烷等传统硅源及其他有机醇类物质制备而成的[4]。不过，由于成本高昂，硅烷类物质在工业生产中的大规模应用受到限制。为解决这一问题，人们开始探索水玻璃、农业灰渣、高岭土以及飞灰等各种替代性硅原料[5]。此外，二氧化硅气凝胶的化学结构使其具有脆性，这也进一步限制了其应用范围。

聚合物基气凝胶的出现为这一问题提供了解决方案，这类气凝胶包括聚氨酯气凝胶、聚酰胺气凝胶以及聚酰亚胺气凝胶等。它们独特的多孔网络结构是通过聚合物分子链之间的范德华力、共价键或氢键形成的[6]。此外，聚合物基气凝胶还具有较好的结构设计灵活性，因此适用于隔热、油水分离、压力传感以及电磁屏蔽等多种应用场景[7]。然而，这类气凝胶也存在一些缺点，比如制备工艺复杂、生产成本高以及可能造成二次污染等问题[8]。因此，寻找环保且可再生的原料以及可持续的制备策略具有重要意义。

纤维素作为一种天然聚合物，凭借其出色的物理化学特性，如良好的生物相容性和生物降解性、较高的机械强度、良好的热稳定性以及较低的成本，已在众多领域受到广泛关注[9]。作为最丰富的有机聚合物，纤维素主要来源于木材、植物、细菌、藻类以及海鞘等多种物质。从结构上看，纤维素是由通过β-1,4-糖苷键相连的重复β-D-葡萄糖吡喃单元构成的线性链。分子链的长度取决于纤维素的来源及其提取工艺[10]。作为第三代气凝胶，纤维素基气凝胶具有较高的机械强度、可再生性以及环境友好性等独特物理化学性质，因此有望在能量存储装置[11]、生物医学领域[12]、超级电容器[13]、污染物处理[14]以及阻燃材料[15]等诸多领域得到应用。

目前，关于纤维素气凝胶的研究主要集中在对其制备方法、性质以及应用方面的综述[16]。相比之下，针对改性技术及其在水净化中的应用的相关系统性总结仍然较少。有一些研究仅报道了基于纤维素的混合气凝胶在水质修复方面的性能，而没有对相关的改性方法进行全面分析[17]、[18]。然而，对纤维素气凝胶进行改性对于分离和净化水中的污染物至关重要。在本综述中，我们详细介绍了纤维素基气凝胶的制备方法、改性方法，以及其对重金属、染料、抗生素、油类和有机溶剂等污染物的吸附性能与机制。同时，也总结了纤维素基气凝胶在水净化应用中所面临的挑战与机遇。

章节要点

纤维素基气凝胶的制备

根据不同的组成成分和结构特性，纤维素气凝胶可分为三类：纳米纤维素气凝胶（包括纤维素纳米晶、纤维素纳米纤维以及细菌纳米纤维素）、再生纤维素气凝胶，以及基于纤维素衍生物的气凝胶[19]。通常，纤维素气凝胶的制备分为三个步骤：(i) 纤维素的溶解或分散，(ii) 凝胶的制备，(iii) 凝胶的干燥处理[20]。

纳米纤维素气凝胶

纤维素基气凝胶的改性

纤维素含有大量的羟基，这些羟基与无水葡萄糖单元相连，可通过多种物理化学改性方法对其进行衍生化处理[34]。因此，通过采用合适的改性方法，可以改善纤维素气凝胶的物理化学性质及其对目标污染物的吸附能力[16]、[35]。常用的改性方法主要包括2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基氧化（见图2a）、接枝聚合等。

纤维素基气凝胶在水净化中的应用

纤维素基气凝胶具有三维网络结构，具备高比表面积、低密度、高孔隙率以及可调控的表面化学性质，因此非常适合用于污染物的吸附与分离。通过引入活性基团以及改变其结构或物理化学性质，可以对纤维素气凝胶进行改性，从而提升其对水中污染物的吸附能力。目前，这类气凝胶已被广泛用于重金属的去除工作。

结论与展望

本文综述了纤维素基气凝胶的制备与改性方法及其在水净化中的应用情况。纤维素气凝胶具有三维互连的多孔网络结构，同时还具备高孔隙率、较大的比表面积、低密度、可再生性、生物降解性以及易于表面功能化等优点，因此是吸附与分离领域极为理想的材料。在经过溶胶-凝胶处理之前，首先需要对纤维素进行溶解或分散处理。

作者贡献说明

Pingting Zhu： 撰写——初稿撰写、方法学研究、数据整理。Na Li： 撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据整理、概念构思。Jianqiang Gu： 项目管理、方法学研究、资金获取、概念构思。Jie Liu： 撰写——审阅与编辑、正式分析、数据整理。

利益冲突声明

作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Jianqiang Gu表示其研究得到了中国国家自然科学基金的资助。此外，他还提及自己拥有相关专利申请中。其他作者则声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42367056）的支持。