超支化納米纖維素從水環(huán)境中快速去除硼

盡管硼是一種必需的微量營(yíng)養(yǎng)素，在植物、動(dòng)物和人類的生物過程中起著至關(guān)重要的作用，但過量攝入硼會(huì)對(duì)我們的健康產(chǎn)生不利影響。硼是一種自然存在的元素，來自水圈和巖石圈，它以硼酸陰離子和硼酸的形式出現(xiàn)在海洋中，沉積巖和煤通過風(fēng)化作用釋放到土壤中，而大氣中的硼主要來自海洋。此外，在制造清洗劑、半導(dǎo)體和玻璃材料的過程中，高濃度的硼廢物被排放到水環(huán)境中。水中具有潛在毒性的電中性硼和小種類硼在使用常規(guī)膜技術(shù)去除時(shí)面臨重大挑戰(zhàn)，在水環(huán)境中引入脫硼技術(shù)具有十分重要的意義。

多級(jí)熱蒸餾或膜脫鹽工藝已有效去除水中溶解的硼，但由于運(yùn)行處理廠的巨大能源消耗而受到阻礙。其他可能的方法包括吸附法、螯合、化學(xué)沉淀法、電凝和電滲析，其中吸附法和螯合法均顯示出較高的成本效益和處理效率]。常用的吸附劑有粘土礦物、層狀雙氫氧化物、碳納米管、功能化聚合物、共價(jià)有機(jī)框架(COF)和金屬有機(jī)框架(MoF)。到目前為止，它們令人不滿意的吸附能力和達(dá)到吸附平衡所需的時(shí)間是普遍關(guān)注的問題，因此沒有用于實(shí)際水處理。此外，人們普遍認(rèn)為這些材料的生產(chǎn)成本往往很高。因此，這些挑戰(zhàn)要求科研工作者們繼續(xù)努力，開發(fā)具有高性價(jià)比的吸附劑，從自然資源中獲得高可用性，并采用簡(jiǎn)單的改性策略，以提高其處理效果和可回收性。

纖維素是一種顯著的天然生物聚合物，是存在于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的細(xì)胞壁中的可持續(xù)材料。它由β-1,4-糖苷連接的葡萄糖單元組成，其中p-吡喃葡萄糖環(huán)單元含有三個(gè)活性羥基官能團(tuán)。纖維素的巨大產(chǎn)量已廣泛應(yīng)用于食品包裝、造紙、傳感器、增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域。此外，對(duì)豐富的羥基的高度可及性允許為許多商業(yè)應(yīng)用方便地制備纖維素衍生物。具體來說，在水處理方面，通過引入酯化、表面電荷改性或表面接枝等方法，生產(chǎn)出纖維素衍生物來去除有機(jī)物、農(nóng)藥、重金屬、染料等污染物。然而，迄今為止，對(duì)開發(fā)纖維素基吸附劑脫硼卻很少有研究。

新加坡國(guó)立大學(xué)人文科學(xué)學(xué)院化學(xué)系Sam Fong Yau Li成功地證明了纖維素納米晶體與氨基多元醇的易功能化，并產(chǎn)生了必要的羥基和胺官能團(tuán)，用于與硼的強(qiáng)相互作用。在303 K條件下，氨基多元醇CNc (AP-CNC)對(duì)硼的最大吸附量為71.9 mg/g，吸附量在1 min內(nèi)達(dá)到90%以上。合成后的AP-CNC在pH值7 ~ 9之間表現(xiàn)出優(yōu)異的硼去除性能，這是由于硼與鄰近的二醇和胺的主要二絡(luò)合作用。此外，超支化聚合物的聚集物越大，化學(xué)吸附位點(diǎn)就越容易接近，這就解釋了硼的超快吸收動(dòng)力學(xué)。在這種形式下，可再生AP-CNc優(yōu)于所有其他報(bào)告的吸附劑材料，可以用作膜或吸附劑車的納米填料，用于水凈化和海水淡化應(yīng)用。鑒于AP-CNC在水凈化和海水淡化中的有益適用性，這些快速吸附硼的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。

文獻(xiàn)來源：Liang Ying Ee, Sean Yi Rong Chia, Kai Xue, Sze Yuet Chin, Chloe A. Hae Cho, Xin Yi Tan, Sam Fong Yau Li*. Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140218.