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本综述聚焦纤维素及纳米纤维素（NC）基气凝胶和膜复合材料在颗粒物（PM）吸附领域的最新进展。分析其替代传统合成滤材的环保优势，探讨纤维素材料结构特性、制备工艺及在 PM2.5/PM10过滤中的应用，展望未来研究方向与挑战。
纤维素基材料在颗粒物过滤中的研究进展与应用前景
颗粒物污染现状与传统过滤材料的局限性
随着工业化进程加快，空气中颗粒物（PM）污染日益严重。PM 按粒径分为粗颗粒物（PM10，直径≤10 μm）、细颗粒物（PM2.5，直径≤2.5 μm）和超细颗粒物（PM0.1，直径≤0.1 μm），其中 PM2.5和 PM0.1主要来源于化石燃料燃烧，可深入呼吸系统，引发心血管、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病），甚至成为病毒传播载体（如 SARS-CoV-2）。世界卫生组织（WHO）数据显示，全球每年因空气污染导致 400 万 - 900 万人过早死亡，中国每年亦有数百万人因此丧生，研发高效空气过滤材料迫在眉睫。
传统空气过滤材料多以聚酰亚胺（PI）、聚丙烯腈（PAN）等化石基材料为主，虽能通过物理拦截捕获颗粒物，但存在缺乏功能性基团、不可生物降解、生产成本高等缺陷，难以满足可持续发展需求。
纤维素基材料的特性与优势
纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物，具有来源广泛（植物、木材、农业废弃物等）、可生物降解、可再生及易于加工等特性。其结构中大量羟基通过氢键形成刚性微纤结构，赋予材料高化学稳定性与热稳定性。纳米纤维素（NC）作为纤维素的纳米级衍生物，包括纤维素纳米纤维（CNF）和纤维素纳米晶体（CNC），兼具高比表面积、高机械强度等优势，在空气过滤领域展现出独特潜力。
纤维素及其衍生物的性能可通过化学改性调控，例如疏水改性可提升材料在高湿度环境下的过滤性能。常见制备工艺包括化学水解（如酸水解、TEMPO 氧化）、酶解等，通过优化工艺可获得不同尺寸与性能的纤维素基材料。
纤维素基气凝胶在颗粒物过滤中的应用
气凝胶是一种具有纳米多孔网络结构的轻质材料，其高孔隙率与大比表面积使其成为高效吸附介质。纤维素基气凝胶通过交联纤维素或纳米纤维素制备，可通过物理拦截和表面吸附双重机制捕获颗粒物。研究表明，纳米纤维素气凝胶对 PM2.5的过滤效率可达 95% 以上，且具有良好的透气性。此外，引入功能性组分（如活性炭、金属氧化物）可进一步提升气凝胶对有害气体与颗粒物的协同去除能力。
纤维素基膜复合材料的过滤机制与性能
纤维素基膜材料（如静电纺丝膜、超滤膜）通过构建多孔纤维网络实现颗粒物分离。纳米纤维素静电驻极纤维膜利用静电吸附增强对超细颗粒物的捕获效率，其过滤效率可达到商用聚丙烯（PP）膜的水平，同时具备生物相容性与可降解性。膜材料的性能受纤维直径、孔隙率、表面电荷等因素影响，通过调控纺丝参数或复合其他聚合物（如聚乙烯醇（PVA）），可优化其过滤效率与力学强度。
挑战与未来展望
尽管纤维素基材料在颗粒物过滤中展现出显著优势，但其大规模应用仍面临挑战：
- 成本问题：生物基材料制备成本高于化石基材料，需优化提取与加工工艺以降低成本。
- 性能提升：在高湿度环境下，纤维素的吸湿性可能影响过滤效率，需进一步开发疏水改性技术。
- 功能拓展：结合光催化、抗菌等功能，开发多功能一体化过滤材料，以应对复杂空气污染场景。
未来研究方向可聚焦于：
- 开发绿色高效的纳米纤维素提取技术（如离子液体溶解、深共晶溶剂处理）；
- 构建多级孔结构复合材料，提升对不同粒径颗粒物的捕获能力；
- 探索纤维素基材料与智能传感技术的结合，实现过滤性能的实时监测与调控。
结论
纤维素及纳米纤维素基材料凭借其环保性、可设计性与高效过滤性能，为可持续空气净化技术提供了新方向。通过结构优化与功能化设计，这类材料有望在工业废气处理、室内空气净化等领域替代传统化石基滤材，助力全球实现碳中和目标。未来需进一步突破制备工艺与成本瓶颈，推动纤维素基过滤材料的产业化应用，为解决 PM 污染引发的公共卫生与环境问题提供创新解决方案。
