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《Nature》子刊:利用植物基纳米纤维素网络捕获微纳米塑料颗粒!

2022-05-12  材料科学网   |  转藏
   
微塑料,在各种水生生物中积累,造成严重的健康问题,并通过进入我们的食物链,引发了对人类健康的担忧。最具挑战性的胶体组分的回收技术是有限的,即使是用于分析目的。

在此,来自芬兰VTT技术研究中心有限公司的Suvi Arola & Tekla Tammelin等研究者展示了吸湿性纳米纤维素网络是如何作为理想的微塑料捕获材料,即使是最小的纳米塑料颗粒。相关论文以题为“Capturing colloidal nano- and microplastics with plant-based nanocellulose networks”发表在Nature Communications上。

论文链接:
/articles/s41467-022-29446-7

塑料污染,正以越来越快的速度进入我们的环境,这是一个重大问题,特别是在海洋环境中。据估计,每年有880万吨塑料垃圾流入海洋。侵蚀引起的塑料碎片破碎导致塑料颗粒更小,即次生微纳米塑料。用于化妆品的初级微塑料和纳米塑料颗粒,可以直接进入环境。对于不同尺寸范围的微塑料和纳米塑料颗粒的术语,仍然存在争议。微塑料一词,通常用于各种尺寸的微塑料(1µm-5mm),官方对微塑料的尺寸没有下限。直到最近,科学家才引入了纳米塑料这个术语,用来描述小于几微米的颗粒。有些研究将纳米塑料的上限设定为1000纳米,有些则设定为100纳米。

在此,研究者认为100 nm的颗粒为纳米塑料颗粒,≥1µm的颗粒为微塑料颗粒。由于纳米塑料体积小(难以捕获,可进入细胞)、表面积大(能够结合如毒素)和胶体性质(定量和鉴定手段有限),因此特别有害。到目前为止,还没有办法从环境样品中回收纳米塑料进行显式定量或定性分析,因为现有的方法是基于不同的过滤和洗脱技术,只适用于更大尺寸的微塑料颗粒(ø> 50µm)。在最好的情况下,可以通过密度浮选和基于迁移速度差异的方法,提取粒径从几微米到几十微米的颗粒。这些限制为亚微米胶体塑料颗粒(ø<1µm)的回收、定量和鉴定留下了盲点。植物源纤维素纳米纤维(CNF)是胶体水平的物体,横向尺寸为3-10纳米,长度可达微米。它们对水的响应性、自组装和其他独特的特性直到最近才被发现。更具体地说,它们可以有效地从废水中回收金离子,并与纳米颗粒相互作用。在纳米尺度的材料领域,除了亲水性和丰富的性质,组件是高度吸湿。与水的强烈相互作用使纳米纤维素在大表面积和高纵横比方面,有别于其他许多具有类似性质的纳米材料。

在此,研究者表明,纳米纤维素网络可以用来捕获和量化,甚至是最具挑战性的胶体塑料的部分。研究者通过跟踪塑料颗粒,在微流控装置中的荧光强度,或简单地使用纳米纤维素薄膜,作为元素从水分散体中收集颗粒来证明其捕获能力。在这些研究中,研究者利用模型聚苯乙烯(PS)粒子(ø = 1.0 mø = 100 nm),阴离子和阳离子表面电荷和明确的尺寸分布,来揭示促进捕获效率的基本机理。研究者用更大的聚乙烯(PE)颗粒,证明了纳米纤维素基捕获过程的通用性,这些颗粒具有更大的粒径分布(ø= 38-45µm)。通过研究纳米塑料在不同pH值和NaCl浓度下的结合,阐明了环境参数对颗粒吸附行为的影响。最后,与完善的模型PS纳米粒子系统,研究者引入一个界面方法,粒子吸附数据加上图像分析和随机顺序吸附模型,因此,研究者能够量化的纳米塑料吸收动力学信息,为纳米颗粒检测提供了新方法。

图1 天然纤维素纳米纤维(CNF)水凝胶网络捕获纳米和微塑料颗粒。

图2 自立膜对不同尺寸和电荷的荧光纳米和微塑料颗粒的定量评价。

图3 采用表面敏感方法、带耗散监测的石英晶体微天平(QCM-D),结合图像分析和随机序贯吸附(RSA)模型,定量评价纳米塑料聚苯乙烯(PS)颗粒(稳定/纯化PS(ø100 nm))的表面结合。

综上所述,研究者介绍了一种通用和通用的纳米纤维素基溶液,该溶液收集和结合微纳米塑料颗粒的效率,不依赖于任何特定的物理或化学相互作用。相反,从水分散中捕获的颗粒是纳米纤维素网络提供的双重协同特性的结果:高吸湿性与高活性表面积相结合。这些属性使得胶体塑料颗粒——无论大小、表面化学或塑料类型——能在纤维素网络中通过利用毛细血管力和扩散的特殊的水传输特性来传递和捕获。一旦进入网络,大的表面积和有利的表面相互作用增强了粒子和材料表面之间的凝聚力,从而实现高效捕获。

研究者表明,通过将表面敏感方法与纳米显微镜、图像分析和建模相结合,研究者能够定量评估纳米塑料颗粒在界面上的行为。这类纳米塑料颗粒吸附数据以前从未收集过,在设计用于定量分析目的的材料时,以及在从废水到纳米和微塑料生产地点的不同环境中收集和回收时,这是至关重要的。纳米纤维素来源于自然资源,它是可再生和无毒的,这是设计下一代功能材料的关键方面,减少对合成材料的依赖。今天,纳米纤维素可以通过各种方式生产和改性,以制备水凝胶、自立膜、多孔气凝胶和低温凝胶,这使其成为未来许多高吸湿性解决方案的理想材料。(文:水生

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