纳米纤维素作为一种极具发展潜力的生物化学资料，它比较一般纤维素有机械强度高、比外表积大、高杨氏模量、亲水性强等特色，具有宽广的运用远景。总述了近年来纳米纤维素的研讨进展，具体论说了纳米纤维素的制备、改性的具体作用，并对其作为吸附剂处理废水的各项作用进行了论说。

　　纤维素经酸解后可得到粒径为纳米级其他棒状晶体——纳米纤维素，它比较一般纤维素有许多长处，如机械强度高、比外表积大、高的杨氏模量、有较强的亲水性等，作为纳米复合资料范畴的增强剂运用于许多范畴。

　　纤维素是地球上含量最丰厚的有机资料，其年产值超越7.5×1010t，它广泛散布在高等植物中，除此之外还存在于海洋动物、藻类、细菌、真菌及无脊椎动物中。一般以为纤维素分子是由许多葡萄糖苷单经过β-糖苷键结合起来的高分子链，这些结构单不彻底坐落同一平面上，与葡萄糖苷相同，化学式是由C6H10O5单体聚合而成的高分子资料。此外，每个纤维素链相关于其分子轴的结尾具有方向不对称性：一端具有半缩醛基团，起化学复原功用；另一端具有侧羟基，为非复原端。纤维素链内可构成许多的分子内和分子间氢键。正是因为它们的结构中存在许多的氢键，为其间进行接枝共聚各种不同的功用基团然后赋予共同的化学功用供给了或许。纤维素是结晶不彻底的高分子资料，分子链分为结晶区和无定形区两部分，其结晶度依据来历不同存在很大的差异。而对纤维素的纳米化处理即进步纤维素分子的结晶区所占的份额，使其外表露出出许多的羟基，然后使得一些外表润饰更易进行。可是坚持纳米纤维素天然晶体结构的完整性，使其进行化学改性时结构不产生任何改动依然是一项巨大应战。

　　依据其形状特征的不同，纤维素纤维能够在它们的无定形区沿轴横向解离，构成纳米级其他高结晶度的棒状片段，又被称为纳米晶体纤维素（NCC）；或许经过机械剪切，使纤维素纤维横向分化为其子结构纳米单，产生纳米原纤化纤维素（MFC）；别的一种纳米标准的资料可经过微生物进行生物组成，即咱们熟知的细菌纳米纤维素（BNC）。三者既有差异又有联络，具体分类办法如表1所示。

　　由表1能够看出，不同的制备办法导致纤维素的直径差异不大，但长度却产生不同，微纤化纤维素首要是靠机械压力制得的，其直径是以纳米为单位的，长度却是微米级其他。纳米晶体纤维素一般是棒状或柱状晶体，晶粒直径因为来历不同而不同，由棉花、木材等植物制得的纳米纤维素长度较短，而以高度结晶的海藻和细菌等为质料制备的纳米纤维素长度能够到达几微米。Svagan等发现，依据原资料和纤维素颤抖办法的不同，纤维素的聚合度、形状和纳米纤维的长宽比都会有所不同。

　　一般处理纤维素的办法有机械法和化学法两大类，有时为了进步其处理作用，需求几种处理工艺联合运用。可是，依据不同的原资料和加工程度，一般需求在正式处理之前加上预处理进程，这种预处理是为了去除植物纤维中含有的木质素和半纤维素多糖等杂质，然后得到愈加纯洁的纤维素。第二步化学处理进程一般用酸解法去除纤维素聚合物的非结晶区。

　　关于木材等植物类原资料来说，木质素是阻止其纤维组别离离的首要物质，因而脱木素是出产NCC必要的进程。Siquera等已对造纸工业中的制浆和漂白进程的脱木素进行了具体的描绘。扼要归纳为对原资料切碎以解聚和溶解木质素等生物质的化学处理(制浆)，以及随后用氧化剂NaClO2或O2的漂白处理。

　　蒸汽爆破进程是用于转化木质纤维素生物质的另一种有用的预处理办法，它一直是近二十年以来占有抢手范畴的研讨内容，因为其所得到的质料更易于酶水解。Hayes等首要对生物质样品进行研磨，然后在温度200——270℃下和14——16Pa的压力下进行短时刻(20s至20min)的高压蒸汽。然后经过翻开蒸汽阀使容器中的压力敏捷下降，并将资料露出于正常大气压力下以引起爆破，然后损坏木质纤维素结构。蒸汽爆破使来自木材的半纤维素和木质素被分化并转化为低分子量组分，可经过萃取收回。因而，半纤维素的大部分水溶性组分能够经过此办法除掉，其余部分可经过化学处理进一步去除。

　　最早是用硫酸水解纤维素纤维制备出纤维素晶体的胶体悬浮液，Beck-Candanes等的研讨发现经过硫酸水解制得的纤维素悬浮液具有较高的安稳性。水解进程中纤维素的无定形区优先产生酸解反响，而结晶区对酸有较强的抵抗性。但因为酸解法产率较低，且出产耗时较长，所以很少用于规模化的商业出产。

　　（1）在必定的时刻、温度、拌和速度及其他操控条件（酸的性质和浓度及纤维素和酸的份额）下用纯酸水解纤维素资料。

　　Xue等对酸解法制备纳米纤维素进行了具体的论说，包含对温度、反响时刻、超声处理对纳米晶体性质的研讨。他们还特别指出了在温度45℃下，反响时刻从10min延长到240min时，微晶的外表电荷添加，但其晶体长度减小且外表趋于平整。

　　NCC的制备是对其进一步开发和加工成高功用的组成资料的中心，因而寻求高功率低本钱的制备办法是现在研讨的要点范畴，将从以下几个方面临NCC制备进程中的问题进行论说。

　　NCC的来历首要会集在森林或农业残余物方面，因为它们本钱较低，来历广泛及处理进程简略然后得到大规模运用。制备NCC的原资料首要有菠萝叶纤维、稻草、小麦秸秆、椰子皮纤维和桑树皮等。因为以植物为质料出产的纳米纤维素比细菌纤维素粒径更小，研讨人员已对从植物纤维中提取纳米纤维素进行了广泛的研讨。但因为植物纤维之间杂乱的层间结构和纤维间氢键的相互作用，经过惯例办法（高压均质化、研磨、冷冻破碎）取得的原纤维是粒径较宽的的集合纤维束。Abraham等最近研讨了一种以各种木质纤维素为质料出产纤维素纳米纤丝的水性安稳胶体悬浮液的低本钱办法，经过比较香蕉（假茎）、黄麻（茎）和菠萝叶纤维三种质料的性质，发现黄麻纤维中纤维素含量高达60%——70%，且质料本钱低价，是一种极具潜力的出产NCC的质料。Fortunati等以秋葵韧皮纤维为质料出产微晶纤维和纳米纤维素，为了进步纳米纤维素的结晶度和热安稳性，先用强碱预处理随后用硫酸水解别离出NCC，别离从形状学、热力学及机械功用上对产品进行了测验，成果标明秋葵作为原资料显现出杰出的生物潜能。

　　在规划和加工纳米纤维素基复合资料的进程中，有必要把NCC悬浮液的标准、纵横比、外表化学性质等目标操控在必定规模内，以便得到更均匀的产品。现在常用的下降NCC多涣散性的办法有过滤、差速离心、超速离心等。研讨发现运用硫酸水解较长时刻后可产生粒径较小且涣散性较低的纳米短纤维。有必要开发出产具有特定标准、纵横比、特定外表化学性质的办法，且这种办法是可重复操作的。Hamad等最近测验从漂白的软木牛皮纸浆顶用酸解法提取出NCC，并对其结构、工艺和产值之间的相互关系进行研讨，他们的成果显现硫酸化在很大程度上决议了提取的NCC的产率，且在结晶度和聚合度方面赋予NCC重要特征。

　　进步NCC产值可下降出产本钱，具有很高的经济和环境效益。Hamad等对商业软木牛皮纸浆中提取的NCC的特性进行了体系研讨，成果标明运用64%硫酸水解纸浆纤维可取得产率在21%——38％之间的具有高结晶度(80%)的NCC，当将反响时刻缩短至5min，反响温度为65℃时可取得最高收率。为了进一步下降出产本钱和减轻废液对环境的污染问题，需求对废液进行降解处理，废液的首要成分是一些单糖或低聚糖和废酸。

　　因为NCC的比外表积大，外表有许多的羟基，冷冻干燥后粒子之间很简单产生聚会现象，然后使其很难涣散在有机溶剂中，别的它的亲水性较强，这种亲水倾向约束了其在复合资料中的运用。为了进步它在有机溶剂中的涣散性，一般运用外表改性的办法在其外表引进安稳的电荷或对其外表的小分子进行润饰，例如参加外表吸附剂等。但一般参加的外表改性剂要确保纳米纤维素的晶体结构不产生损坏。

　　TEMPO氧化改性是将纳米纤维素外表的羟甲基氧化为羧基然后添加它的水溶性，经氧化处理后的纳米纤维素外表附在了许多的负电荷然后使其悬浮液愈加安稳。TEMPO氧化法反响条件简略，改性后的产品在较高的pH下仍能安稳存在。程正亮指出TEMPO氧化改性后的纤维素依然坚持着纤维素晶型I的结构，成果标明：添加NaClO的用量、升高温度、增大反响时刻都能够在不同程度上进步纳米纤维素外表的羧基含量、氧化程度，进步其涣散性，但会使纳米纤维素的产率下降。Oun等牛角瓜种子作为纤维素资料的新来历，别离把硫酸水解和水解后TEMPO氧化改性处理制备的纳米纤维素进行比照，发现经过酸水解法制备的CNC显现针状结构，产率为79%，结晶指数为0.7，而经过TEMPO氧化改性处理后的CNF显现网状纤维形状，产率为98％，结晶度指数为0.59，但氧化处理后的热分化温度由之前的240℃下降到200℃。Huang等的研讨标明用浓度为5%的甲酸在20℃下预处理24h能使纳米纤维素外表羧基含量进步15%左右。研讨发现氧化温度的进步会对纤维素的结晶度产生影响，跟着氧化温度由25℃进步到45℃时，纳米纤维素的结晶度从57.9%下降到42.3%，这是因为纤维素外表的纤丝部分在处理进程中遭到腐蚀，跟着氧化温度的升高这种腐蚀程度随之加重。

　　接枝共聚改性也是对纳米纤维素进行外表润饰的一种常用办法，它是经过引进化合物的侧链基团，接枝到纤维素的羟基上，既能够改进纳米纤维素的缺陷，又保存了其原有的性质，有目的性的增强纤维素的某些功用。Agustin等在1943年初次运用接枝共聚改性成功组成出了纤维素的共聚产品—马来酸酯共聚物，随后纤维素的接枝共聚改性得到了广泛的重视。 现在国内外对纳米纤维素接枝共聚的办法研讨也适当老练，常用的办法大体分为三大类：传统自由基聚合、活性自由基聚合及离子和开环聚合。其间最常用的是活性自由基聚合，它具有对反响条件要求低，适用单体规模广泛，更易于操控和组成有特别结构的聚合物等长处。Benkaddour等用聚己内酯乙二醇（PCL）作为改性化合物别离研讨了两种不同的接枝思路，一种酯化法是直接将PCL接枝到NCC上，而且经过PCL的羟基和NCC的羧基之间进行酯化反响，第二种均相点击化学法是根据叠氮化物和炔端基部分之间的1,3-偶极环加成反响，以在PCL和TONC之间构成环。与酯化反响比较，第二种办法因为距离分子的刺进，从纳米纤维的外表移走反响性官能团而使它们更简单被PCL接枝。

　　外表硅烷化改性广泛运用于纳米纤维素的外表润饰，硅烷的化学式为SiH4，经过水解反响生成的硅醇能与纤维素外表的羟基产生反响，生成安稳的化合物附着在其外表。经过硅烷化改性后的纳米纤维素描摹产生了改动，分子内部产生了溶胀现象。Eyley等的研讨说明晰硅烷基化合物可用于在纤维外表制备功用基，而且在纳米纤维素晶体上引进硅烷基团制备出的复合资料功用得到了进步。因为纳米纤维素外表的负电荷与许多呈阴离子的染料产生静电斥力，经过用含有不同活性基团的（如环氧基、乙基氧化物）的氨或反响性阳离子改性预处理，消除纳米纤维素外表的负电荷效应，可增强其在一些化合物中的吸附才能。改性后的NCC外表葡萄糖单上羟基数目显着削减，使纳米颗粒能安稳涣散于水溶液中，表现出杰出的触变功用。Zaman等用环氧丙基三甲基氯化铵与NCC反响，确认了最佳反响条件，得到了外表带正电荷的改性NCC；并发现经过操控反响体系的含水量可进步NCC的外表电荷密度,且因为其外表电荷密度的增大，这种改性NCC可在水溶液中安稳涣散。

　　乙酰化改性是指将乙酰基引进到纳米纤维素外表，使NCC外表由亲水性变为疏水性，常见的便是NCC酯化反响的增塑作用，常用的试剂有氯乙酰、无水醋酸等，其反响机理如下：

　　Lin等经过乙酸酐与NCC外表上的羟基反响，所制得乙酰化纤维素纳米晶体（ACN）与未改性的NCC比较，在有机溶剂中表现出杰出的涣散性。随后将这些ACN引进聚乳酸（PLA）基质中，以产生彻底可生物降解的纳米复合资料，这种复合资料显现出了优异的机械功用和热安稳性。Ifuku等经过对细菌纤维素（BNC）的外表进行乙酰化润饰，以增强丙烯酸树酯的光学功用，取得了替代度为0——1.67的产品，研讨发现纤维素的折射率跟着乙酰化程度的增大而下降，而且还发现乙酰化使BNC片材的热膨胀系数从3×10-6/K下降到1×10-6/K以下。Kim等经过纤维乙酰化法对细菌纤维素进行部分改性，一起保存微原纤维形状，得到了替代度为0.04——2.77的产品，扫描电镜图显现低替代乙酰化BNC依然坚持者网状结构。

　　纳米纤维素具有很大的比外表积、高结晶度、高机械强度、高透明性等优秀功用，可与其他天然高分子或人工组成资料复合，用作纳米复合资料中的填料，以改进资料的机械和隔绝功用。最近的研讨首要会集在彻底生物基和生物可降解体系，“绿色生物资料”这一概念正是根据聚合物基质和填料都是生物可降解资料而提出的。纳米纤维素资料巨大的外表积使其广泛运用于污水处理范畴，其丰厚的外表羟基能够吸附水中的重金属离子，且可经过接枝共聚等改性赋予其更多优异的功用。

　　现在的研讨首要涉及其在重金属及染料的吸附方面的运用。纳米纤维素被以为是极具潜力的污水处理产品，它既具有根本纤维素特性，例如亲水性、广泛的官能化才能；也具有纳米级粒径的优异特征，例如大外表积，高纵横比，量子标准效应以及化学可及性。与微原纤维素比较，纳米纤维素对水中的污染物有更高的铲除才能，Singh等的研讨标明纳米纤维素对Cr3+和Cr6+离子的吸附才能别离到达了62.40%和5.98%，而微原纤维素对Cr3+和Cr6+离子的吸附才能仅为42.02%和5.79%。

　　对纳米纤维素改性后用作吸附剂是特殊立异性的研讨，当在纳米纤维素上进行琥珀酸酐改性后，能构成有用的、安稳的和可再循环的改性吸附剂。Yu等用琥珀酸对纳米纤维素晶体进行改性处理，并用于废水溶液中Pb2+和Cd2+的去除，研讨发现琥珀酰化的CNCs对Pb2+和Cd2+的吸附容量高达366mg/g和256mg/g。这些值远高于未改性的CNCs所显现的吸附值，未改性的NCCs对Pb2+的吸附容量只要25mg/g，且对Cd2+的吸附容量仅为2mg/g。另一种琥珀酸酐改性的CNC吸附剂用于废水中Cr3+离子的去除，该物质对Cr3+的去除才能为94.84%，它显着高于未改性的对应物，其显现去除功率仅为62.4%。Hokkanen等的研讨标明在纳米纤维素的琥珀酸酐化改性之前的丝光处理比直接的琥珀酰化产生更多的OH基团和更大的外表积。丝光处理改性后的吸附剂用在批量实验中对Zn2+、Ni2+、Cu2+、Co2+和Cd2+的去除。成果标明对Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+和Cd2+的吸附容量别离为1.338mmol/g、0.744mmol/g、1.900mmol/g、1.610mmol/g和2.062mmol/g。

　　纳米纤维素的羧化改性已广泛运用于对有害污染物的吸附研讨，特别是对重金属离子的吸附。羧化用于强化COO-基团并使吸附剂有用地从水中吸收有毒金属离子。NCC中羧酸盐基团的存在能够有用铲除铀酰离子(UO22+)，Ma等的研讨指出NCC外表上的羧酸根基团的负电荷对铀酰离子的吸附容量约为167mg/g，这比惯例的吸附剂如蒙脱石、聚合物粒子等至少大2倍。Srivastava等运用丙烯酸或马来酸或衣康酸经过接枝共聚合对从稻草取得的纳米纤维素进行化学改性，改性后的纳米纤维长度为微米标准，而直径在40——80nm的规模内，接枝共聚后添加了COO-基团的浓度，COO-基团和重金属离子之间的离子交流进程将导致对重金属吸附的增强。用改性后的CNF吸附重金属杂质如Cr3+、Ni2+、Pb2+和Cd2+，成果标明NCF的重金属去除功率高达90%。

　　根据生物可降解资料的新式功用资料用于污水净化对可持续发展有重大意义，生物复合资料自身有许多长处如低密度、高韧性和高吸附才能，一起也是生物相容的、可生物降解的和环境友好的。纳米复合资料/聚合物吸附剂因为其极高的去除功率和自发去除水污染物的特性而遭到高度重视。现在现已研讨了用于废水处理的各种类型的根据纤维素的纳米复合资料，例如磁性纤维素纳米复合资料，纤维素半硅氧烷纳米复合资料，纤维素黏土纳米复合资料和纤维素聚合物纳米复合资料。

　　磁性纤维素纳米复合资料：最近研讨的在纳米纤维素复合资料中引进磁性粒子有期望成为新式的改性办法，磁性粒子在自然界中丰厚，且纤维素资料被以为是磁铁矿(Fe3O4和Fe2O3)的抱负涣散资料。经过对聚合物施加外部磁场能够简单地产生磁性纤维素纳米复合资料，因而他们现已引起越来越多的重视。Nata等运用1,6-己二胺对细菌纤维素基磁性纳米复合资料进行胺改性，并研讨对砷酸根离子的吸附才能，胺官能团和掺入的磁铁矿资料协同作用以去除As5+离子。该复合资料对As5+的吸附容量为90mg/g，约为胺化磁铁矿吸附剂的15倍。该办法的吸附容量是经过运用医用棉和Fe2O3前体的共沉淀组成的纤维素-Fe2O3纳米复合资料的吸附容量的3倍。四亚乙基五胺官能化的磁性纤维素复合物可用于重金属离子如Hg2+、Cu2+和Ag+的去污染，这种吸附剂对Hg2+、Cu2+和Ag+的去除才能别离为2mmol/g、1.5mmol/g和1.2mmol/g。当用其对含有Al3+，Cu2+，Ni2+，Zn2+和Cr3+的废电池污染样品进行测验时，复合资料的吸附功率为65——100%。

　　活性炭(AC)浸渍的磁性纤维素可用于废水中有机染料的去除。在研讨磁性纳米纤维素复合资料对重金属去除的实验中，Anirudhan等用2-巯基苯甲酰胺改性的衣康酸接枝磁铁矿纳米纤维素复合资料吸附氯碱污水中的Hg2+，这种新式复合资料经过多重吸附进程吸附Hg2+，其吸附容量为240mg/g，吸附进程起先为离子交流，然后是络合机制。

　　纤维素黏土纳米复合资料：现阶段对黏土作为染料吸附剂已展开了相关的研讨，蒙脱土(MMT)等黏土因具有较大的外表积和阳离子交流才能已被用作印染废水的净化，但它处理阴离子染料如刚果红时却达不到预期的作用。纳米膨润土接枝到纳米纤维素基质上可用于处理重金属废水，用含有羧基的聚甲基丙烯酸接枝纳米纤维素/膨润土复合物来测定模仿核工业用水中Co2+离子的去除作用。实验成果标明此吸附办法不只适用于模仿废水，对流出的实践核污染废水相同适用，其间担任从污水中吸取Co2+的首要为复合资料中的羧基。

　　总述了纳米纤维素的制备改性和在废水处理中的运用，纳米纤维素因为机械强度高、比外表积大、可彻底降解等长处而越来越多的遭到人们的重视。但纳米纤维素自身的一些性质如亲水性强、易产生聚会等约束了其在某些范畴的运用，所以本文中给出了几种改性及复合办法用来处理纳米纤维素使其发挥出更多的优秀功用。但纳米纤维素的商业化运用仍存在一些亟待解决的问题：(1)高效的去除纤维中的非纤维素成分有助于纳米标准颗粒的减小及纳米纤维基质的吸附性；(2)酸解法出产NCC进程中的废液应得到有用处置；(3)对NCC的改性进程中应确保纳米晶体结构不产生损坏。