《Environmental Research》：High-Performance Self-Cleaning Cellulose Acetate Membranes Reinforced with Nanochitosan for Heavy Metal Removal
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本研究通过将虾壳衍生纳米壳聚糖粒子（CSNPs）修饰纤维素乙酸（CA）膜，显著提升其抗细菌活性和对Fe(III)、Cu(II)、Mn(II)的去除效率达96%-98%，并增强抗污性和机械稳定性，为工业废水处理提供可持续方案。
阿什拉夫·莫尔西（Ashraf Morsy）| 内尔米娜·哈泰姆（Nermine Hatem）| 哈桑·A·埃韦斯（Hassan A. Ewais）| 谢鲁克·穆罕默德（Sherouk Mohamed）| 艾哈迈德·莫尔西（Ahmed Morsy）| 哈格尔·法蒂（Hager Fathi）| 艾亚·塔雷克（Aya Tarek）| 埃赫桑·纳赛夫（Ehssan Nassef）
埃及亚历山大市法罗斯大学（Pharos University）石油化学系，地址：El Mahmoudia街运河旁，Green Plaza综合大楼附近，邮编21648
摘要
水中的重金属污染对环境和公共健康构成严重威胁。本研究报道了通过使用虾壳衍生的纳米壳聚糖颗粒（CSNPs）改性醋酸纤维素（CA）膜，以增强其抗菌性能并提高对工业废水中Fe(III)、Cu(II)和Mn(II)的去除效果。加入CSNPs后，膜的亲水性显著提高，接触角从原始CA的78.1°降至最高CSNP含量时的52.2°，蛋白质吸附量从约75%降至20%，表明其防污性能明显改善。采用FTIR、XRD、SEM和TEM对膜进行了表征，同时通过原子吸收光谱和拉伸测试评估了其过滤性能和机械性质。改性膜在0.5 MPa压力下对Fe(III)的去除效率达到96.0%，Cu(II)为97.41%，Mn(II)为98.1%。更高的CSNP含量进一步增强了抗菌性能和结构稳定性。这些结果展示了一种有前景的策略，可用于开发具有优异机械强度、抗菌效果、防污性能和长期稳定性的多功能膜，以实现高效的工业废水处理。
引言
水污染，尤其是未经处理的工业废水，对环境可持续性和公共健康构成了严峻的全球性挑战。据估计，超过80%的全球废水未经适当处理就被排放，导致淡水来源、地下水和海洋生态系统的污染[1, 2]。这一问题在发展中国家尤为严重，由于基础设施不足、技术能力有限和资金限制，高达90%的废水未能得到处理[3]。未经处理的废水中含有复杂的病原体、营养物质、有机污染物，尤其是重金属。这些金属离子（包括铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）、汞（Hg）和铬（Cr））不易生物降解，具有毒性，并能通过水生食物链积累[4, 5, 6, 7, 8]。它们在水系统中的存在与严重的健康问题相关，如肾功能障碍、神经系统疾病和儿童发育问题[9, 10]。此外，当这种水用于灌溉时，重金属可能通过农作物进入食物链，对食品安全构成额外风险[11]。传统的重金属去除技术（如化学沉淀、离子交换、吸附和电化学方法）已被广泛应用，但往往在效率、成本和可持续性方面存在局限性[12, 13, 14]。
基于膜的技术（如反渗透（RO）、纳滤（NF）和超滤（UF）因其高选择性和去除效率而显示出巨大潜力[15]。基于微生物的技术最近受到关注，作为重金属修复的环保替代方案。多种微生物（包括细菌和藻类）可以生物吸附、生物积累或将有毒金属转化为危害较小的形式，相比传统方法更具可持续性[16, 17]。然而，这些系统仍受膜污染、高运营成本和长期稳定性下降等问题困扰[18]。为了解决这些问题，将纳米材料整合到聚合物膜中受到了广泛关注。研究表明，加入氧化石墨烯、银或纳米壳聚糖（NCs）等纳米颗粒可以显著提高膜的机械强度、抗污染能力和金属离子选择性[19, 20]。使用纳米颗粒进行纳米涂层和叶面喷洒可以有效减少用受污染水灌溉的植物对重金属的吸收[21]。
其中，纳米壳聚糖因其天然来源、生物相容性、高吸附能力和固有的抗菌活性而脱颖而出[22]。壳聚糖是从甲壳类动物壳中提取的几丁质脱乙酰化得到的，可以通过离子凝胶化等方法制备成纳米颗粒，从而增加其表面积并激活胺基和羟基等官能团[23, 24]。尽管取得了这些进展，大多数传统和新兴技术仍存在高运营成本、二次污染和大规模应用适应性有限等缺点。因此，本工作的创新之处在于开发了一种经济高效且可持续的膜系统，通过整合纳米壳聚糖来克服这些限制。本研究特别关注Fe(III)和Mn(II)，因为这些金属是工业和农业废水中最常见的污染物，即使在低浓度下也会对人类健康和环境安全造成严重威胁。通过针对这些金属，本研究填补了当前修复策略中的重要空白。我们的目标是开发并表征用纳米壳聚糖颗粒（CSNPs）改性的醋酸纤维素膜，以高效去除工业废水中的Fe(III)和Mn(II)离子。使用FTIR、XRD、SEM、TEM和机械测试系统评估了改性膜的性能，包括金属离子排斥率和抗菌活性，以确定其在可持续水处理应用中的有效性。
材料
作为聚合物基材使用了分子量为100,000 g/mol的醋酸纤维素（CA）。作为添加剂和交联剂分别使用了聚维吡咯烷酮（PVP，MW 40,000）和三聚磷酸钠（STPP）。醋酸和甲醇作为溶剂，1,4-二氧烷作为膜浇铸的共溶剂。碳酸钙（CaCO3）作为功能性填料。使用标准的水溶液（浓度为1000 mg/L）制备了Mn(II)、Cu(II)和Fe(III)
透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜（TEM）用于研究合成的壳聚糖纳米颗粒（CSNPs）的形态特征和粒径分布，如图3a所示。TEM显微图具有清晰的放大比例尺（100 nm），显示CSNPs主要呈准球形或不规则形态，观察到一定程度的聚集现象。根据代表性样品构建了粒径分布直方图（图3b）
结论
本研究成功证明了将壳聚糖纳米颗粒（CSNPs）整合到醋酸纤维素（CA）膜中显著提升了其工业废水处理性能。改性膜在重金属去除方面表现出显著提升，Fe(III)的最大去除效率达到98.10%，Cu(II)为97.41%，Mn(II)为96.02%。尽管在较高CSNP负载下水流速率略有下降，但各项指标仍保持在可接受范围内
作者贡献声明
哈桑·A·埃韦斯（Hassan A Ewais）：验证工作。内尔米娜·哈泰姆（Nermine Hatem）：数据分析。阿什拉夫·莫尔西（Ashraf Morsy）：初稿撰写及监督。艾亚·塔雷克（Aya Tarek）：软件处理。哈格尔·法蒂（Hager Fathi）：方法学研究。艾哈迈德·莫尔西（Ahmed Morsy）：实验研究。谢鲁克·穆罕默德（Sherouk Mohamed）：数据验证与整理。埃赫桑·纳赛夫（Ehssan Nassef）：整体监督
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢法罗斯大学石油化学系的工程系以及亚历山大大学研究生院（IGSR）提供的实验室设备支持。
