超支化纳米纤维素从水环境中快速去除硼

尽管硼是一种必需的微量营养素，在植物、动物和人类的生物过程中起着至关重要的作用，但过量摄入硼会对我们的健康产生不利影响。硼是一种自然存在的元素，来自水圈和岩石圈，它以硼酸阴离子和硼酸的形式出现在海洋中，沉积岩和煤通过风化作用释放到土壤中，而大气中的硼主要来自海洋。此外，在制造清洗剂、半导体和玻璃材料的过程中，高浓度的硼废物被排放到水环境中。水中具有潜在毒性的电中性硼和小种类硼在使用常规膜技术去除时面临重大挑战，在水环境中引入脱硼技术具有十分重要的意义。

多级热蒸馏或膜脱盐工艺已有效去除水中溶解的硼，但由于运行处理厂的巨大能源消耗而受到阻碍。其他可能的方法包括吸附法、螯合、化学沉淀法、电凝和电渗析，其中吸附法和螯合法均显示出较高的成本效益和处理效率]。常用的吸附剂有粘土矿物、层状双氢氧化物、碳纳米管、功能化聚合物、共价有机框架(COF)和金属有机框架(MoF)。到目前为止，它们令人不满意的吸附能力和达到吸附平衡所需的时间是普遍关注的问题，因此没有用于实际水处理。此外，人们普遍认为这些材料的生产成本往往很高。因此，这些挑战要求科研工作者们继续努力，开发具有高性价比的吸附剂，从自然资源中获得高可用性，并采用简单的改性策略，以提高其处理效果和可回收性。

纤维素是一种显著的天然生物聚合物，是存在于木质纤维素生物质的细胞壁中的可持续材料。它由β-1,4-糖苷连接的葡萄糖单元组成，其中p-吡喃葡萄糖环单元含有三个活性羟基官能团。纤维素的巨大产量已广泛应用于食品包装、造纸、传感器、增强复合材料等领域。此外，对丰富的羟基的高度可及性允许为许多商业应用方便地制备纤维素衍生物。具体来说，在水处理方面，通过引入酯化、表面电荷改性或表面接枝等方法，生产出纤维素衍生物来去除有机物、农药、重金属、染料等污染物。然而，迄今为止，对开发纤维素基吸附剂脱硼却很少有研究。

新加坡国立大学人文科学学院化学系Sam Fong Yau Li成功地证明了纤维素纳米晶体与氨基多元醇的易功能化，并产生了必要的羟基和胺官能团，用于与硼的强相互作用。在303 K条件下，氨基多元醇CNc (AP-CNC)对硼的最大吸附量为71.9 mg/g，吸附量在1 min内达到90%以上。合成后的AP-CNC在pH值7 ~ 9之间表现出优异的硼去除性能，这是由于硼与邻近的二醇和胺的主要二络合作用。此外，超支化聚合物的聚集物越大，化学吸附位点就越容易接近，这就解释了硼的超快吸收动力学。在这种形式下，可再生AP-CNc优于所有其他报告的吸附剂材料，可以用作膜或吸附剂车的纳米填料，用于水净化和海水淡化应用。鉴于AP-CNC在水净化和海水淡化中的有益适用性，这些快速吸附硼的发现具有重要意义。

图. 功能化CNC和AP-CNC合成的总体方案，以及吸附剂示意图

文献来源：Liang Ying Ee, Sean Yi Rong Chia, Kai Xue, Sze Yuet Chin, Chloe A. Hae Cho, Xin Yi Tan, Sam Fong Yau Li*. Chemical Engineering Journal, 2023, 454, 140218.