水，作为生命之源，对于人类的生存和发展至关重要，是我们最不可或缺的自然资源之一。但遗憾的是，目前全球约四分之一的人口正面临“极端缺水”这一严峻挑战。更加引人关注的是，预计到2025年，将有高达35亿人口面临水资源短缺的困境。这一迫在眉睫的问题凸显了联合国可持续发展目标6（SDG 6）中，对清洁水源和卫生设施的迫切需求。虽然淡水资源在很多情况下是存在的，但由于悬浮固体（SS）的污染，使得这些水资源无法安全利用。尽管先进的水净化设备和超滤技术存在，但它们往往受制于高昂的成本、对电力的依赖以及运输上的困难，限制了它们的广泛应用。因此，亟需开发一种简便、通用且高效的技术，以净化受SS污染的水。
近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授和中国东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室的陈文帅教授联合开发了一种创新的注射驱动过滤系统。这一系统结合了可生物降解的全生物质基纳米纤维水凝胶膜和注射器，专门用于去除超微小的悬浮固体，实现了便携式且可持续的水净化。该水凝胶薄膜由密集堆叠的纳米纤维网络构成，其截留超细SS的能力接近100%，截止尺寸约为10纳米，远超商用滤纸和微孔滤膜。在水净化过程中，这一过滤系统的水通量高达90.6克每平方厘米每小时，是商用聚碳酸酯超滤膜的7.2倍。此外，这一过滤系统不仅成本低廉，而且具有良好的扩展性和可重复使用性，同时兼顾了环境友好和可持续性。它能够从包括土壤污染水、河水、融化的污浊雪水以及含纳米塑料的污染水等多种难以净化的水源中成功提取清洁水，进一步证明了其多功能性。相关文章以“A bio-based nanofiber hydrogel filter for sustainable water purification”为题发表在Nature Sustainability上。
图文解读
受到水凝胶独特结构和功能的启发，该研究团队开发出了一种全新的注射驱动生物质基纳米纤维水凝胶过滤器（BNHF）。这种过滤器巧妙地将纳米纤化纤维素（NFC）的水凝胶膜与注射器相结合，专门用于去除悬浮固体（SS），以便收集清洁水。与传统使用滤纸或超薄纳米多孔滤膜的过滤器相比，BNHF展现了多项独特优势：它不仅过滤效率卓越，而且具有高效且稳定的水通量，操作简单易行。此外，这种过滤器在环境可持续性、可扩展性、可重用性、颗粒回收以及成本效益方面也表现出色，成为一种前景广阔的水净化技术。
图1. BNHF的组成和其过滤SS污水的机理
BNHFs的设计巧妙，其核心构建单元不仅易于获取，而且组装使用简便，且因其轻巧的质量而便于携带。通过一个简易的注入过滤程序，BNHF能够高效地从分散液中移除超细SS，从而产生清洁水。水凝胶膜HF-5-10采用了一个相互交织的纠缠网络结构，这一结构使得它能够在整个厚度范围内拦截超细SS，从而实现了高效的颗粒拦截。HF-5-10内部独特的通道结构不仅有利于水流的快速通过，还能在高压环境下保持高通量。其由纳米纤维和纳米束交错形成的非均质孔隙结构，有效避免了颗粒堵塞孔隙的问题，保证了其在持续过滤过程中的稳定性和效率。
图2. BNHF系统的组装和各组成部分的形貌表征
由于其独特的三维多孔纳米纤维网络结构和水凝胶膜的超亲水性，BNHF成为去除超细SS的理想选择，能够通过简单的注射挤压方式快速获得洁净水。其使用方法与注射器注射药物相似，BNHF过滤系统能够迅速处理大约10毫升含SS的水分散液。在手动产生的压力下，水快速流过HF-5-10膜，同时有效拦截SS，确保获得的水质洁净。BNHF在拦截尺寸大于或等于10纳米的超细颗粒方面，与市面上截止尺寸相同的聚碳酸酯超滤膜相媲美，几乎达到100%的拦截效率。值得一提的是，手动加压的HF-5-10的水通量高达90.6 g/cm2h，是同样方式下聚碳酸酯超滤膜的7.2倍，以及真空过滤HF-5-10的4.4倍左右。此外，HF-5-10还具备可重复使用的特性，可用于去除水中的TiO2纳米颗粒。即使在300毫升的分散体经过30次过滤后，BNHF仍然保持着接近100%的颗粒去除效率。
图3. 经BNHF过滤过的SS污水
BNHFs具有实用性和通用性，可以从土壤污染水、脏河水、融雪污染水和纳米塑料污染水中获得干净的水。
图4. BNHF在实际中的应用
为了应对大规模净化污水的挑战，研究团队特别设计了一款大型的BNHF，其容量约为1.5升，有效过滤面积达到1164平方厘米。这一设计的亮点在于，尽管过滤器体积增大，但在外部压力的作用下，水依然能够持续流经过滤器并被有效净化。这保证了即便在处理大量水源的情况下，过滤器仍然能够高效地产出干净的水。
图5. 大尺寸BNHF净化脏的河水
在BNHF的过滤过程中，水中一些具有价值的SS也可以被有效回收，这增加了过滤系统的实用性。更为重要的是，生物降解实验证实了HF-5-10水凝胶膜具有完全生物降解的能力，而市面上其他两种商用纳米多孔膜几乎没有降解能力。这一特性使得NFC水凝胶膜成为一种真正可持续的环保材料。使用后的水凝胶膜可以被埋入土壤中，自然降解，不会造成环境污染。此外，在净化SS污染水方面，BNHF使用的水凝胶膜相比于商用滤纸、商用微孔膜以及其他NFC水凝胶膜，具有显著的优势。它在工艺简单性、颗粒去除效率、水流速度、环境友好性（包括生物降解性）、低成本（小型BNHF成本约1.70美元）以及广泛的应用潜力等多个方面，均优于现有的其他技术。
图6. 颗粒回收、生物降解与价值对比
总结展望
本研究提供了一种功能强大且价格合理的工具来获取清洁水。该便携式滤水器由注射压力驱动，并通过纳米纤维素水凝胶膜与注射器集成组装，为长期存在的水源SS污染问题提供了可持续的解决方案。BNHF符合可持续发展目标6的目标，并具有多种优势：1）拦截能力。尺寸大于10 nm的SS几乎100%被拦截。2）速度快。BNHF能够高通量的净化SS污染水。3）可持续的原材料。NFC的原材料全部来自可持续和生态友好的植物资源。它们的可再生性和丰富性保证了充足的原材料供应。4）制作操作工艺简单。该过滤器的制作和使用都很方便。几乎所有的成年人和老年儿童在接受简短的培训后都可以使用它，其过程类似于使用注射器。5）可携带性。该过滤器重量轻，不需要电力和其他设备，便于运输。6）可扩展性。该过滤器可以批量生产和扩大规模，以增加在一次操作中净化脏水的体积。7）可重用性。水凝胶膜可多次使用。8）资源回收。如果拦截的SS是昂贵的或有用的，它们可以在过滤后被回收。9）可生物降解性。与塑料过滤器相比，BNHF中使用的水凝胶膜是可生物降解的。10）成本低。BNHF的成本很低。该水凝胶膜至少可使用30次。多次使用后，只需重新注入NFC水悬浮液，生成新的水凝胶膜即可继续使用。未来，对过滤系统进行改进和增强，以满足不同群体的多样化要求是必不可少的。同时，可以利用多尺度分子模拟来加速可持续过滤材料的开发。最后，期望这项工作可以为通过可持续战略解决水污染问题的创新研究提供更多灵感。
论文DOI：10.1038/s41893-023-01264-9
