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为解决传统滤膜问题，研究人员开展竹纳米纤维素 PVDF 膜研究，发现 4wt% 纳米纤维素膜性能最佳，具重要意义。
竹，这种在日常生活中随处可见的植物，如今正以一种全新的姿态出现在科研领域，为解决全球日益严峻的水资源问题带来新希望。随着全球人口的持续增长、工业的不断扩张，淡水资源愈发稀缺，对清洁、安全水的需求急剧上升。在水净化领域，传统的过滤膜多由石油衍生材料制成，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）和聚酰胺（PA）等。虽然这些传统滤膜在一定程度上能够实现水的净化，但它们的不可生物降解性以及对不可再生资源的依赖，给环境带来了沉重的负担。
在此背景下，开发高效、经济、可生物降解且可持续的先进净化技术迫在眉睫。纳米纤维素过滤（NF）膜凭借其在去除重金属、有机化合物、微生物和盐类等污染物方面的卓越表现，受到了广泛关注。而竹纤维素，因其丰富的储量、可再生性和可生物降解性，成为制备 NF 膜的理想材料。在这样的研究大环境下，来自国外（文中未明确具体研究机构）的研究人员开展了关于竹纳米纤维素掺入 PVDF 混合基质膜用于水净化的研究，相关成果发表在《Advances in Bamboo Science》。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先是相转化法，通过该方法制备竹纳米纤维素 PVDF 混合基质膜；其次运用了多种分析技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析膜的官能团和分子键结构，扫描电子显微镜（SEM）、场发射扫描显微镜（FESEM）及能量色散 X 射线光谱（EDX）用于观察膜的形态和元素组成，X 射线衍射分析（XRD）用于确定膜的结晶度等。
下面来具体看看研究结果：
- FTIR 分析：研究发现，随着膜中纳米纤维素百分比从 1wt% 增加到 5wt%，膜的结晶结构发生改变，形成更具极性的环境，影响相转化过程。同时，膜中出现源自纳米纤维素的 O-H 元素，其含量增加与纳米纤维素组成百分比上升呈正相关，而原始 PVDF 膜中仅含 C-H 成分。
- 形态和元素组成分析
- SEM 分析：添加成孔添加剂氯化锂（LiCl）促进了溶剂 - 非溶剂交换过程，使制备的纳米纤维素复合膜（NCMs）产生开孔结构。原始 PVDF 膜主要为海绵状结构，指状结构少且孔隙孤立，导致渗透率低。随着纳米纤维素含量增加，NCMs 指状结构尺寸变化，孔隙率和孔径也随之改变，但二者关系并非严格线性。例如，PVDF - 1% NCM 膜的平均孔径增大到 8.3nm，孔隙率升至 37.35%；而 PVDF - 2% NCM 膜平均孔径略有下降至 6.6nm，但孔隙率显著增加到 42.12% 。
- EDX 分析：EDX 分析表明，掺入纳米纤维素会增加膜中氧浓度，降低氟含量，影响膜的表面化学性质。随着纳米纤维素含量增加，氧含量显著上升，碳含量略有下降后在较高纳米纤维素浓度下趋于稳定，氟含量逐渐降低。其中，PVDF - 4% NCM 膜的成分变化最为显著，氧浓度最高（36.81±2.93%），氟含量最低（10.90±2.28%） 。
- XRD 分析：XRD 分析显示，纳米纤维素的加入显著提高了 PVDF 膜的结晶度和平均晶粒尺寸，且在较低纳米纤维素浓度下效果更明显。原始 PVDF 膜结晶度为 39.29%，平均晶粒尺寸为 13.57nm。加入 1wt% 纳米纤维素后，结晶度大幅提升至 63.97%，平均晶粒尺寸增大到 14.34nm 。
- 渗透性能评估
- 水通量性能分析：原始 PVDF 膜疏水性强，水通量最低，平均为 31.8L/m2h。随着纳米纤维素的加入，膜的水通量逐渐增加，PVDF - 4% NCM 膜的水通量最高，平均达到 95.6L/m2h。但当纳米纤维素含量增加到 5wt% 时，膜的水通量下降，平均为 37.6L/m2h，表明过量纳米纤维素会降低膜的渗透率。
- 染料截留性能分析：原始 PVDF 膜对染料的截留效率较低，从 10 分钟时的 34% 下降到 70 分钟时的 10%。添加纳米纤维素后，膜的染料截留能力显著增强。PVDF - 2% NCM 膜在 10 分钟时截留率为 88%，70 分钟时仍保持在 74 - 76%；PVDF - 4% NCM 膜的截留性能最佳，在 70 分钟内始终保持在 90 - 93% 。
综合研究结果和讨论部分可知，该研究成功开发并全面评估了竹纳米纤维素掺入 PVDF 混合基质膜在水净化应用中的性能。研究发现，纳米纤维素的掺入显著影响了膜的形态、结构和功能特性，其中 4wt% 的纳米纤维素含量为最佳比例，此比例下的膜在孔隙率、结构完整性和功能性能之间达到了最佳平衡，具有出色的水通量和染料截留率。这一研究成果凸显了竹纳米纤维素作为可持续、可生物降解材料在先进水净化技术中的巨大潜力，为后续优化制备工艺、扩大生产规模奠定了坚实基础，有望推动全球水净化技术的可持续发展，助力解决日益增长的清洁水需求问题。
