综述：非常规头发废弃物的价值转化：开启材料科学与化学工程领域的机遇

《Journal of Natural Fibers》：Valorization of Unconventional Hair Waste: Unlocking Opportunities in Materials and Chemical Engineering

人类头发废物因其独特的物理化学性质（如角蛋白、高抗拉强度、隔热性等）在吸附剂、催化剂、生物材料等领域展现出广泛应用潜力。研究指出，头发可通过改性处理用于重金属吸附、油水分离、混凝土增强及能源存储等，但存在原料标准化不足、加工能耗高、回收体系不完善等挑战，未来需结合绿色化学和循环经济优化资源化路径。

　　人类头发作为废弃物，近年来被越来越多地关注其在化学和材料科学中的潜在应用价值。尽管通常被视为无用，但人类头发具有独特的化学组成和物理特性，例如高碳含量、缓慢降解性、优异的抗拉强度、热绝缘性能、弹性以及与水和油的特殊相互作用。这些特性使得人类头发成为一种极具前景的资源，可用于开发多种功能性材料和应用。本文旨在全面探讨人类头发作为废弃物的综合应用，以及其在不同领域的潜力和挑战，为未来的研究和实际应用提供方向。

### 人类头发的结构与组成

人类头发纤维（HHF）的结构可以分为三个主要部分：角质层、皮质层和髓质层。角质层是头发的外层，具有化学耐受性，能够保护内部结构免受外界环境影响。皮质层是头发的主要组成部分，含有大量的角蛋白和角蛋白相关蛋白（KAPs），决定了头发的物理特性，如弹性。髓质层则是一种松散排列的多孔区域，对头发的整体结构起到支撑作用。

角蛋白是人类头发的主要结构蛋白，分为硬角蛋白和软角蛋白。硬角蛋白来源于结构如头发、角、指甲和喙，而软角蛋白则主要存在于表皮和其他柔韧的上皮组织中。根据其酸碱性质，角蛋白可分为酸性、碱性和中性三种类型。此外，KAPs在头发的结构中起着重要作用，特别是皮质层和角质层中，它们被分为高硫KAPs、超高硫KAPs和甘氨酸/酪氨酸丰富的KAPs。这些蛋白质不仅赋予头发特殊的物理特性，还因其丰富的硫基（?SH）结构，使得它们在结构形成、金属结合、氧化还原反应等方面展现出多功能性。

### 人类头发在吸附材料中的应用

人类头发由于其高碳含量、可再生性和低成本，被广泛用于制备活性炭材料。在多个研究中，科学家们通过化学活化方法（如使用氯化钙或氯化锌）将人类头发转化为活性炭，并成功应用于重金属离子的吸附，如镍、铜、镉和铅等。这些吸附材料在优化条件下表现出高吸附容量和良好的可重复使用性，为污染治理提供了可持续的解决方案。

此外，通过化学修饰和功能化，人类头发可以被转化为具有特定性能的吸附材料。例如，研究人员利用二氧化硅改性的人类头发纳米复合材料（HH-SiO?）对甲基蓝（MB）进行吸附，其吸附容量达到126.6?mg/g，并且在优化的pH条件下（pH 8）表现出良好的吸附效率。这种材料不仅具有高吸附能力，还具有良好的再生性能，能够通过醋酸处理恢复其功能，从而实现可持续的吸附过程。

在其他研究中，科学家还开发了基于人类头发的吸附材料用于去除放射性元素如铀。通过碱处理，人类头发能够有效吸附铀，表现出良好的选择性和可重复使用性。这一成果不仅有助于水体污染治理，也为放射性废物处理提供了新的思路。

### 人类头发在膜与薄膜材料中的应用

人类头发因其可调节的官能团，成为膜技术领域的重要材料。研究表明，通过化学修饰和功能化，人类头发可以被用于制造具有优异渗透性和抗污染能力的生物混合膜。例如，研究人员利用人类头发制备了超滤膜（UF膜），其表面电荷可调节，具有良好的水通量和高截留率，同时表现出卓越的抗污染性能。这种膜材料不仅适用于水处理领域，还可能在其他分离和过滤技术中发挥重要作用。

此外，人类头发还可以用于制备离子交换膜（AEM）。通过热解和化学处理，人类头发能够被用于制备具有高离子导电性和碱性稳定性的膜材料。这些膜在直接甲醇燃料电池（DMFC）中表现出良好的性能，为清洁能源技术的发展提供了新的材料选择。

### 人类头发在催化材料中的应用

人类头发富含多种官能团，使其成为稳定金属纳米颗粒的优良载体。通过化学修饰和功能化，研究人员成功开发了基于人类头发的纳米催化剂，用于多种有机反应，如硝基芳烃的还原、醇的氧化、亚胺的合成等。这些催化剂表现出优异的活性和选择性，同时具有良好的可重复使用性，为绿色化学和可持续催化提供了新的方向。

在另一项研究中，科学家们通过热解和化学活化，将人类头发转化为氮和硫共掺杂的多孔碳材料，用于二氧化碳捕获和水污染治理。这种材料不仅具有高比表面积，还表现出优异的电化学性能，使其在超级电容器和锂离子电池中具有应用潜力。

### 人类头发在传感器领域的应用

人类头发在传感器领域也展现出独特的应用潜力。研究人员通过热解和化学处理，成功制备了碳量子点（CQDs），这些材料因其优异的光学特性、低毒性和易于制备，被广泛应用于气体和金属离子检测。例如，通过热解和不同温度下的处理，人类头发被转化为异原子掺杂的碳材料，表现出良好的气体传感性能。其中，碳化温度为700°C的材料表现出最佳的传感响应，尽管其选择性有限，但为低成本的传感材料开发提供了新思路。

此外，研究人员还开发了基于人类头发的导电材料，用于制备柔性传感器。通过在头发表面沉积金纳米颗粒，人类头发被转化为具有导电性能的材料，表现出良好的导电性和机械柔韧性。这种材料不仅适用于生物相容性传感器，还可能在柔性电子设备和可穿戴技术中发挥重要作用。

### 人类头发在肥料领域的应用

人类头发作为肥料材料的应用逐渐受到关注。研究表明，人类头发可以通过酸水解和营养混合，转化为富含氨基酸、氮磷钾（NPK）和微量元素的有机肥料。这种肥料能够改善土壤结构，提高养分的可用性，减少环境污染，为可持续农业提供新的解决方案。

在另一项研究中，科学家们通过优化头发水解条件，制备了一种液体有机肥料，其粘度、密度和pH值均适中，能够有效促进植物生长。这种肥料不仅具有较高的营养含量，还表现出良好的环境友好性，为农业废弃物资源化利用提供了新的方向。

### 人类头发在油污治理中的应用

人类头发由于其优异的机械强度和疏水性，被广泛应用于油污治理。研究显示，人类头发能够高效吸附石油和柴油等污染物，其吸附容量高达4.95?g/g。通过不同的处理方法，如化学活化、物理改性等，人类头发可以被转化为具有高吸附性能的材料，用于海洋油污清理。

在实际应用中，人类头发被用于制造吸附性油污围油栏，与传统的石油基材料相比，表现出良好的吸附性能和环境友好性。此外，一些研究还探索了人类头发与其他材料（如硅胶、天然橡胶）的复合应用，以提高吸附效率和材料性能。

### 人类头发在复合材料中的应用

人类头发因其独特的物理和化学特性，被广泛用于制备复合材料。研究表明，人类头发可以作为增强材料，提高复合材料的机械性能。例如，通过将人类头发与环氧树脂结合，制备了具有优异抗拉强度和弯曲性能的复合材料，用于建筑和工程领域。

此外，人类头发还被用于制备高分子复合材料，如透明塑料薄膜和特种纸张。这些材料在湿度控制、金属吸附等方面表现出良好的性能。在另一个研究中，科学家们通过化学处理和物理改性，将人类头发转化为具有高机械性能的材料，用于制造可降解塑料制品，为解决塑料污染问题提供了新的思路。

### 人类头发在电池和超级电容器中的应用

人类头发因其丰富的氮含量和纤维结构，被广泛用于制备氮掺杂的碳材料，适用于超级电容器和锂离子电池。研究表明，通过热解和化学活化，人类头发可以转化为具有高比表面积和优异电化学性能的材料，用于电池阳极和超级电容器电极。

在一项研究中，科学家们通过热解和酸处理，将人类头发转化为氮和硫共掺杂的多孔碳材料，表现出良好的电导率和电化学性能。这种材料不仅适用于电池应用，还在二氧化碳捕获、水净化和燃料电池中具有潜在价值。

### 人类头发的其他新兴应用

除了上述应用，人类头发还被用于制备新型材料，如压电材料、柔性OLED、生物燃料和太阳能电池。研究显示，人类头发可以通过特定的处理方法，转化为具有压电性能的材料，用于开发新型的传感器和能量收集装置。

在生物燃料领域，科学家们通过共热解人类头发和玉米秸秆，制备了高能量输出的生物油。这种技术不仅提高了生物油的产量，还增强了其热值和化学稳定性，为可再生能源开发提供了新思路。

此外，人类头发还被用于制备太阳能电池的活性材料。研究表明，人类头发衍生的活性炭能够提高太阳能电池的效率和稳定性，为清洁能源技术的发展提供了新的材料选择。

### 经济性与贸易平衡

在全球范围内，人类头发废弃物的经济性与贸易平衡是一个重要的研究方向。研究显示，东南亚地区是人类头发废弃物的主要贸易中心，印度是主要的出口国，而中国则在处理和加工方面发挥重要作用。印尼的进口量也值得关注，显示出全球人类头发废弃物贸易的复杂性。

随着全球贸易的演变，人类头发废弃物的经济价值显著提升。然而，这种贸易也面临挑战，如运输成本、地缘政治因素和市场集中度等。为了实现可持续发展，需要在成本效益和市场扩展之间找到平衡，同时减少对复杂全球供应链的依赖。

### 未来展望

尽管人类头发在多个领域展现出巨大的应用潜力，但仍面临一些挑战，如原料的多样性、复杂的处理工艺和公众认知度。为了克服这些障碍，需要建立标准化的收集、清洁和表征流程，以提高材料的可重复性和应用一致性。同时，开发更环保的处理方法，如酶解或可回收溶剂系统，能够减少能源和溶剂的消耗，提高可持续性。

未来的研究应聚焦于开发针对特定应用的头发衍生材料，如高性能吸附剂、催化剂和电极材料。此外，还需要在实际应用中进行试点研究，以评估其在废水处理、肥料生产和碳阳极等领域的表现。通过综合生命周期和技术创新经济分析，可以更好地指导投资决策，评估其环境和经济可行性。

总之，人类头发作为一种可再生、可降解的资源，具有广阔的应用前景。通过不断探索和创新，人类头发可以被转化为多种高价值材料，为解决环境问题、推动可持续发展提供重要支持。未来的研究和应用需要多学科合作，以实现人类头发废弃物的高效利用和资源化。