《Separation and Purification Technology》：Valorization of agricultural waste into high-performance cellulose–PES membranes for advanced wastewater remediation: a sustainable approach
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D.S.阿迪蒂亚|A.B.赫马瓦蒂|D.卡尔帕纳|S.K.纳塔拉吉印度班加罗尔562112，JAIN大学纳米与材料科学中心，Jain全球校区摘要本研究采用绿色提取方法，将农业生物废弃物转化为高性能纤维素，从而避免使用有害的离子液体，进而形成一种可持续的回收策略。所提取的纤维素被整
D.S.阿迪蒂亚|A.B.赫马瓦蒂|D.卡尔帕纳|S.K.纳塔拉吉
印度班加罗尔562112，JAIN大学纳米与材料科学中心，Jain全球校区
摘要
本研究采用绿色提取方法，将农业生物废弃物转化为高性能纤维素，从而避免使用有害的离子液体，进而形成一种可持续的回收策略。所提取的纤维素被整合到聚醚砜中，用于制造混合基质膜（C-PS-4），这类膜具有薄而机械性能稳定的特点，同时表面亲水性更强，界面带负电荷，这可从较低的水接触角和较低的泽塔电位中得到体现。这些物理化学特性使得该膜具有优异的透水性能（1021?L.m?2.h?1），较强的溶质阻隔能力，以及对盐类、阳离子、阴离子和中性染料的广泛选择性。抗污染测试表明，由于表面富含亲水性纤维素，这类膜具有出色的抗污染能力和通量恢复能力。在模拟及真实的工业废水条件下，包括制革厂和糖蜜废水，这些膜仍能保持较高的通量和阻隔效果，即便在连续运行200小时后依然如此。除了技术性能之外，这项工作还提供了一种环境友好的资源利用途径，可将农业废弃物转化为功能性膜材料，通过减少废物、节约资源以及降低环境影响，为循环经济理念的实现提供支持。总体而言，本研究证明了由生物废弃物衍生的纤维素-聚醚砜膜是一种可扩展、耐用且可持续的先进废水净化平台。
引言
工业废水和农业生物废弃物共同构成了全球环境可持续性面临的两大严峻挑战[1]。工业废水是采矿、制造业和能源生产等高强度活动产生的废弃物，其中往往含有重金属、有毒化学物质以及难以分解的有机化合物等有害污染物[2]。世界卫生组织估计，全球20%以上的水污染源自未经处理的工业废水[3]，其年排放量高达3000亿至5000亿吨[4]。这些污染物会渗入淡水资源，威胁水生生态系统和公共健康[5]。例如，铅和汞等生物累积性重金属具有极强的毒性，会导致神经毒性及器官功能衰竭等严重病理状况[6]。此外，未经处理的废水流入水生系统还会引发富营养化现象[7]，表现为藻类大量繁殖形成的缺氧区域，进而破坏生物多样性并影响渔业发展[8]。
与此同时，农业生物废弃物若处理不当也会给生态环境带来巨大压力[9]。根据联合国粮食及农业组织的数据，全球每年产生的农业废弃物高达9.98亿吨，其中包括农作物残余、牲畜粪便以及农业加工副产品[10]。其中很大一部分废弃物被错误地以露天焚烧或随意倾倒的方式处理，从而导致甲烷和一氧化二氮等温室气体的释放[11]，据政府间气候变化专门委员会统计，这类气体占全球温室气体总排放量的10%至12%[12]。此外，管理不善的农业废弃物中的养分会渗入水体，加剧富营养化，打破水生系统的生态平衡[13]。在陆地生态系统中，过量积累的有机碎屑会导致土壤酸化及养分失衡，进而降低土壤肥力，影响长期农业生产力[14]。
在众多农业生物废弃物中，纤维素作为木质纤维素生物质的主要成分，虽然未被充分利用，但却是一种极具价值的资源[15]。农作物秸秆、玉米棒壳以及植物茎秆等农业废弃物中，纤维素约占其干重的30%至50%[16]。尽管全球范围内有数十亿吨的纤维素蕴藏在这些废弃物中，但大部分仍未得到有效利用，往往只能通过露天焚烧或厌氧分解等方式处理，这些方式会显著增加碳排放和甲烷释放，进一步加剧气候变化。回收农业废弃物，尤其是富含纤维素的废弃物，为解决这些问题提供了可持续的途径，同时也符合循环经济的发展理念[18]。通过将纤维素用于生物燃料、生物聚合物及工业中间体等高价值领域，我们可以有效减轻环境破坏，降低温室气体排放，提升资源利用效率，从而助力实现可持续发展目标[19]。
将纤维素用于上述应用时的主要障碍之一是其溶解性较差，这主要是由于纤维素具有结晶结构以及强氢键，这些特性不仅赋予了它较高的机械强度，也使其难以被溶解[20]。离子液体作为一种在较低温度下仍保持液态的有机盐，被视为突破这一限制的理想溶剂。离子液体能够有效破坏纤维素中的氢键，使其变得可溶，进而将其转化为生物燃料和可生物降解塑料等有用产品[21]。然而，尽管离子液体具有巨大潜力，但在大规模应用过程中仍存在诸多问题。其高昂的生产成本，源于复杂的化学合成过程以及昂贵的原材料，限制了其经济可行性[22]。此外，许多离子液体还具有较高的粘度，这会增加加工过程中的能耗，降低其使用效率。再加上某些离子液体对水生和陆地生态系统具有毒性，给环境带来风险，这些都使得离子液体的大规模、可持续应用面临困难[23]。这些局限性凸显出需要开发出更经济、更环保的解决方案，以便充分挖掘纤维素作为可再生宝贵资源的潜力[24]。
本研究探讨了一种可持续的膜制备策略，即利用从农业生物废弃物中提取的纤维素与聚醚砜结合，通过环境友好的溶剂制成混合基质膜。该策略避免了传统依赖离子液体的处理方法，能够直接将生物废弃物衍生的纤维素融入到坚固的聚合物基质中。所制成的膜在物理化学性质、传输性能、对盐类和染料的筛选能力以及抗污染性能等方面都经过了系统分析。此外，还通过长期过滤实验以及在实际工业废水处理中的应用，进一步评估了这些膜的运行稳定性，测试对象包括制革厂废水和糖蜜废水。该研究为评估在复杂废水处理场景中由农业生物废弃物衍生出的纤维素-聚醚砜膜的技术路线及性能标准提供了依据。
内容节选
材料
溴化钾由印度Sigma-Aldrich公司提供。N,N-二甲基亚砜（浓度为90%）、甲醇、氯化钠（纯度为95%）、七水合硫酸镁（纯度为99.0%）、海藻酸钠、腐殖酸（纯度为92%）以及刚果红染料则由印度SDFCL公司提供。孔雀石绿、靛蓝黑T、甲基橙、亚甲蓝以及氯化钾则购自印度NICE Chemicals公司。红棕色染料则来自印度Avra Chemicals公司，而
结果与讨论
由于构成纤维素线性聚合物结构的葡萄糖单体上含有大量的羟基（–OH）群，因此所提取的纤维素具有极高的亲水性。在β-1,4-糖苷键连接的链结构中，每个葡萄糖单元的C2、C3和C6位置上都存在羟基，这些位置可作为氢键形成的活性位点[20]。在提取过程中，木质素、半纤维素以及其他杂质等非纤维素成分会被去除，从而暴露出更多富含羟基的
结论
本研究提出了一种可持续且可规模化的方法，通过绿色提取技术将农业生物废弃物转化为高性能的纤维素基混合基质膜（C-PS-4）。将纤维素引入聚醚砜基质后，所制成的膜展现出优异的纳滤性能，其纯水通量可达1021?L.m?2.h?1，对MgSO?的阻隔率为45.56%，而对于不同电荷特性的污染物，其阻隔率也可超过90%。这些膜
利益冲突声明
所有作者均确认，他们不存在可能影响本研究结果的任何财务或个人利益冲突。
致谢
SKN衷心感谢多家资助机构提供的财政支持，其中包括Jain大学管理研究项目（编号：JU/MRP/CNMS/18/2022）、印度科技部的NANOMISSION计划（编号：SR/NM/NT-1073/2016）、DST INSPIRE教师奖（编号：IFA12-CH-84）以及DST技术任务部门（编号：DST/TMD/HFC/2?K18/124G），这些资助极大地推动了本研究的进展。Aditya D. S.还特别感谢CSIR颁发的SRF奖学金。
