综述：纳米纤维素/纳米纤维素基膜在废水处理中的应用：环境保护的可持续路径

这篇综述系统探讨了纳米纤维素（CNC/CNF/BNC）基膜在废水处理中的前沿应用，重点解析了其机械强度、生物相容性和高比表面积等特性如何赋能高效污染物（重金属、有机染料、药物残留）吸附与降解。通过对比传统膜技术（RO/NF），文章强调了纳米纤维素膜的可持续优势（可降解、低能耗）及未来研究方向（抗污改性、规模化生产）。

　　

引言

水是地球生态系统的命脉，但全球淡水危机因污染和过度开发日益严峻。工业废水中的重金属、微塑料和药物残留对生态系统构成严重威胁，传统水处理方法（如反渗透RO）面临效率低、成本高的瓶颈。纳米纤维素基膜凭借其可再生来源和独特纳米结构，成为解决这一挑战的新兴方案。

纤维素来源与结构

纤维素作为地球上最丰富的生物聚合物，可从木材、农业废弃物或细菌（如Acetobacter xylinum）中提取。其线性β-1,4-糖苷键结构形成微纤丝，包含结晶区（提供强度）和非晶区（赋予柔性）。通过酸水解（制备CNC）或机械处理（制备CNF），纤维素可转化为直径1-100 nm的纳米材料，比表面积高达数百m²/g，为污染物吸附提供大量活性位点。

纳米纤维素膜类型与制备

CNF基膜：通过高压均质或冷冻干燥制成，具有三维多孔网络，适用于染料吸附（如刚果红）和油水分离。
CNC基膜：酸水解获得的纳米晶须结构（直径5-50 nm）能高效捕获重金属离子（如Pb²⁺），其表面羧基（-COOH）可通过离子交换增强吸附。
BNC基膜：微生物发酵合成的超纯纤维（直径20-100 nm）具有优异机械性能，适合医用级水处理。

制备技术中，真空过滤可调控膜孔径至3-5 nm，而电纺丝能生成定向纳米纤维（直径<200 nm），提升污染物截留率。

水处理应用

重金属去除：羧基化CNF膜对Cd²⁺的吸附容量达3518.6 mg/g，远超传统活性炭。
光催化降解：负载TiO₂的复合膜在UV下可分解90%的磺胺甲恶唑，反应遵循一级动力学。
油水分离：疏水改性膜（接触角>150°）能处理含油废水，通量达5439 L·m^-2·h^-1·bar^-1。

经济与挑战

尽管纳米纤维素膜生产成本较高（约比RO膜高30%），但其可再生性和低运行能耗（能耗降低48.5%）赋予长期成本优势。当前瓶颈在于规模化生产中的纤维分散均匀性，以及极端pH下的化学稳定性。

未来展望

开发仿生复合膜（如ZIF-67@CNF）和自修复涂层是提升抗污性的关键。随着绿色化学工艺的进步，纳米纤维素膜有望在2030年前实现工业级应用，成为水处理领域的“绿色过滤器”。