利用生物质进行可持续的水净化

从生物质化学处理中获得的纳米纤维素材料是去除水中有毒物质（包括重金属离子）的非常有效的药剂。本杰明教授。Hsiao和他在斯通布鲁克大学的合作者开发了一种简单、廉价和环境友好的方法来制备用于水净化的纳米结构纤维素，这是基于对不同来源生物量进行的硝基氧化反应。除了使纤维素对溶解的有毒离子具有优越的亲和力外，这一过程还产生了富氮盐作为副产品，可以回收并用作肥料。

快速、有效、低成本地清除污染物的能力是人类在各种环境和情况下利用水的基本必要条件。例如，在许多发展中国家，清洁水仍然是一种稀有和珍贵的商品，因为现有的(而且往往非常有限)水源经常含有细菌来源的人类病原体，与人类消费不相容。在工业化社会中，金属污染物也对健康和环境构成严重威胁。

肖博士的团队在化学修饰纳米结构纤维素(纳米纤维素)用于净水的研究上一直处于前沿，他们最近展示了一种简单、创新的、以及从几乎无处不在的低成本自然资源中开发纳米纤维素用于水净化的环保方法。

水中重金属污染物
重金属离子是现代社会中最常见的饮用水中最常见的污染物。例如，铅离子是强大的神经毒素，它们在全球范围内构成最普遍的重金属水污染形式。已经在2016年报告了超过十万种归因于铅中毒的死亡。铅中毒也与出生和癌症的出现有关。铅通常用于世界各地的水运和供应的基础设施中，并且由于基础设施的逐步腐蚀，溶解在饮用水中的金属量随着时间的推移而增加。此外，最近在水处理设施中添加氯胺的实践已经导致饮用水中含有更高浓度的铅离子，因为氯在国内管中的铅反应，这促进了金属溶解。

生物质是纳米级纤维素的一个巨大来源，可以通过化学方法对其进行改性，使其成为一种有效的生物材料
净水材料。

另一种主要污染物是镉，广泛用于电子电路、电池、太阳能电池、油漆和颜料，可通过工业废物和径流进入水源。饮用受镉污染的水或食物可导致严重的肠胃不适，并可能导致死亡。在非洲、亚洲和南美洲的一些地区，最近的研究报告显示镉污染水平不断上升，尽管这个问题绝不仅限于这些地区。

铀也是一种常见的水污染物。不仅在核废料中观察到高水平的铀盐，而且观察到来自地区的水源（包括新墨西哥州，澳大利亚，奥地利，哈萨大，加拿大，印度和捷克共和国），其中该元素存在于基岩中的大浓度和在地下水中。摄入后，铀可以迅速进入血液并结合红细胞，形成铀酰 - 白蛋白复合物，其可以在肾脏和骨骼中积聚。

通过利用合适的官能度（例如活化的木炭或合成聚合物）来结合污染物的材料的能力来除去重金属离子或来自饮用水的细菌病原体，或者可以通过利用材料的能力来实现。结合后，它们形成次级污染物，需要除去。由纳米纤维素和重金属离子的相互作用（以及细菌病原体）形成的絮状物可以通过重力驱动的过滤或倾析容易地除去，从而避免增加昂贵的装置。纳米纤维素是鉴于其可用性，丰度和低的环境影响，是水净化的最有前途的净水类别之一，因为它可以从诸如树木，植物和杂草的任何生物质中提取。

羧纤维素:一种净化水的功能材料
纤维素是地球上最丰富的有机聚合物，是植物中细胞壁的主要成分。它由通过桥接氧原子连接的D-葡萄糖单元的长链组成。它在天然纤维中丰富（例如，其棉花的含量大约为90％）和木材（40-50％），它是重要材料的大规模生产的原料，包括纸，玻璃纸和人造丝.通过原料纤维素的化学处理获得的纤维素衍生物也可以用水中的金属离子有效地结合。

萧博士的工作重点是羧纤维素，它是由纤维素链经过化学修饰，包括羧酸基(-COO)^–)在他们的结构中。纳米切削羧纤维素有两个关键特性，这使得它作为一种离子结合材料具有很高的吸引力。首先，它的纳米级结构来源于生物质原料细胞壁中存在的积木（纤维素微纤维），而不是溶解纤维素链的重组。因此，纳米结构羧纤维素的生产不一定需要能源密集型工艺。其次，纤维素基质的化学修饰（通过氧化、羧甲基化、磷酸化、乙酰化和硅烷化等过程）在纤维素结构中引入负电荷，从而促进纳米纤维在水中的分散，并为溶解物种的吸附提供功能分子位置。例如，羧纤维素纳米纤维提供了非常大的表面积和化学活性官能团，这使得它们非常适合用于水处理的过滤膜和吸附介质。

生物质制备纳米结构羧纤维素
羧基纤维素纳米纤维可以通过几种方法获得。最有效的方法之一是节奏介导的氧化反应，其在轻度条件下将纤维素聚合物中的-OH基团转化为羧酸盐基团。这促进了大纤维素聚集体的纤维化，而在保持长纤维长度（亚微米到微粒）。然而，该方法作为几个步骤的序列进行，并且需要产生危险自由基物质的特种化学品（例如次氯酸钠，溴化钠和凝汽剂试剂）。因此，其可持续性作为生产纳米结构羧基纤维素的大规模过程仍然有限。还基于醚化，氧化，酯化和羧甲基化的纤维素的含量，这仅提出了替代方法，这仅对具有小浓度木质素和半纤维素的纤维素样品有效，并且需要用碱和漂白剂等化学物质进行初步处理，以及机械处理，将纤维素基质完全纤维酸盐纤维素纤维素纤维素。

用硝基氧化法得到的羧纤维素纳米纤维具有极高的亲和力
对于几种常见的水污染物。

硝基氧化：功能性纳米纤维素的清洁途径
升议员及其同事基于使用硝酸的混合物（HNO_3.）和亚硝酸钠（纳米_2.)是唯一需要的化学品。这一过程已被证明对各种来源的未处理(原始)生物物质(如黄麻、刺草和竹纤维素)非常有效，而且关键的是，它是一个严格的单步处理。与其他方法相比，这大大减少了电能和水的消耗。有人假设HNO_3.在混合物中，通过去除非纤维素组分来引发未处理的生物质的原纤化过程。HNO的反应_3.和纳米_2.产生硝酸亚鎓离子（没有⁺）在多余的酸存在下，其可以在纤维素中攻击羟基并产生羧酸盐基团。所得羧基纤维素纤维具有相对较低的结晶度和基本上更高的纤维长度和纵横比，而不是纤维素纳米晶体。此外，可以使用（廉价的）氢氧化钠或氢氧化钾获得作为副产物的流出物，得到富含氮的盐，可用作农业的肥料。

通过硝基氧化得到的纤维素纳米纤维提供优异的吸附剂材料，用于去除重金属离子，包括铅，镉，汞，铬，铀酰和砷以及水的细菌。对于重金属离子，已经报道了吸附能力高于文献中最有效的吸附剂的吸附能力。使用简单且廉价的重力驱动的微滤或倾析可以容易地除去金属吸附的纳米纤维素絮凝物。

影响
大量的生物质来源，包括农业废物，杂草和灌木，低或零成本可用，所有这些都提供了硝基氧化过程的理想原料。教授发育的方法是朝着利用生物质等利用资源开采的巨大一步，以开发高效的方法，以便从饮用水中除去水性病原体，特别是在发展中国家和外网社区中。