南京林业大学卞辉洋/戴红旗团队AFM：竹纤维基复合泡沫材料高效捕获微塑料

摘要：全球塑料污染问题日益严峻，尤其是微塑料（MPs）对水体生态和人类健康的威胁，已成为亟待解决的环境问题。传统的水处理技术（如膜过滤或絮凝沉降技术）虽能捕捉微塑料，但普遍存在能耗高、效率低、易造成二次污染等瓶颈。因此开发既能高效捕获微塑料，又绿色、低成本、可大规模

全球塑料污染问题日益严峻，尤其是微塑料（MPs）对水体生态和人类健康的威胁，已成为亟待解决的环境问题。传统的水处理技术（如膜过滤或絮凝沉降技术）虽能捕捉微塑料，但普遍存在能耗高、效率低、易造成二次污染等瓶颈。因此开发既能高效捕获微塑料，又绿色、低成本、可大规模应用的过滤材料成为水中微塑料治理的关键挑战。

近日，南京林业大学卞辉洋副教授/戴红旗教授研究团队开发出一种基于竹纤维和微米纤维素（BF/MFC）的泡沫材料，该材料通过长短纤维的多尺度结构和阳离子淀粉（CS）赋予的表面正电荷实现高效微塑料捕获（99.4%的过滤效率、7257.4 L m-2h-1高通量以及720.4 mg g-1的高吸附容量），为水体环境微塑料治理提供了全新的绿色解决方案。相关论文以“Scalable Bamboo Fiber/Microfibrillated Cellulose Foam via Solvent-Exchange-Assisted Ambient Drying for Highly Efficient Microplastics Capture”为题发表在Advanced Functional Materials上,论文第一作者为Feng Yufan。

该研究利用天然竹纤维与微纤化纤维素，通过机械搅拌发泡组装形成多级孔结构，并借助溶剂置换策略，在常压干燥下成功构建出具备高机械强度、正电荷表面和丰富活性位点的泡沫材料（图1a）。整个过程无需高温冷冻干燥，也无需使用有毒化学交联剂，极大降低了能耗与环境污染。利用天然丰富的纤维素和多尺度设计，实现了超轻（112.4±2.8 mg cm-3）、机械坚固（承受自身重量的1000倍）和大尺寸泡沫（21×18×3 cm333），协同促进捕获MPs（图1c）。

图1 BF/MFC泡沫捕获微塑料的制备流程及机理。a) BF/MFC泡沫的制备工艺。b) BF/MFC泡沫的光学图像，显示其重量轻，机械强度高，可大规模生产。c) BF/MFC泡沫捕获MPs的主要机制（物理拦截、静电吸引和分子间相互作用）。

通过机械发泡和溶剂交换干燥实现了BF/MFC泡沫多孔隙自组装（图2a）。阳离子淀粉的引入不仅有利于保持泡沫干燥过程中的结构完整，还赋予了泡沫正电荷表面（图2b-e）。随着浆料浓度从2%增加到4%，泡沫的“骨架”越来越密实，使得它的力学强度提升了约300%（图2f-g）。扫描电镜（SEM）图像显示，4%浓度的泡沫孔隙结构最规整、纤维分布最致密（图2h-j），表面3D形貌分析进一步表明，随着浆料浓度的提高，泡沫内部结构呈现出更高的粗糙度，从而形成了更为丰富的捕获位点和结合界面，显著增强了其对微塑料的滞留和捕获能力。

图2 BF/MFC泡沫的制备途径、结构及化学特性。a) 氢键重排及溶剂交换干燥法制备BF/MFC泡沫的自致密化结构示意图。b) PVA、MFC、BF、CS和BF/MFC泡沫的FTIR曲线。原料和BF/MFC泡沫中c) O 1s和d) N 1s的XPS光谱。e) 原料和BF/MFC泡沫的Zeta电位。不同浆料浓度下BF/MFC泡沫的f) 应力应变曲线、g）杨氏模量和最大应力。h) 2 wt%, i) 3 wt%, j) 4 wt%浆料浓度下BF/MFC泡沫的SEM图像。浆料浓度分别为k) 2 wt%、l) 3 wt%和m) 4 wt%的白光干涉三维剖面仪图像。

使用荧光聚苯乙烯微塑料（PS MPs）作为模型污染物，系统评估了BF/MFC泡沫的微塑料过滤性能，重点研究浆料浓度、PS MPs特性（类型、尺寸和浓度）和环境pH（图3a）等因素。性能数据显示，泡沫对微塑料的过滤效率达到99.4%，水通量达到7257 L m-2h-1。多方法验证了BF/MFC-4%泡沫具有优异的过滤效果。流式细胞仪检测结果显示，过滤后PS MPs颗粒数量显著减少（图3b-c），荧光显微镜显示过滤后PS MPs几乎完全消失（图3d）。此外，BC/MFC-4%泡沫在过滤微塑料过程中同时存在吸附作用。带正电的表面（+18.7 mV）和功能活性位点（-OH/-N + (CH332、PS-COOH）和尺寸（500 nm-10 μm）的PS MPs的电荷选择性吸附行为（图3e-g）。

图3 BF/MFC泡沫对PS MPs的捕获性能。a) BF/MFC泡沫浆料浓度、PS MPs（类型、大小、浓度）和ph的过滤性能示意图。流式细胞仪测定的PS MPs数量b) 处理前和c) 处理后。d) PS MPs悬浮液滤过前后的荧光图像。e) 不同时间、f) 不同初始浓度、g) 不同温度条件下BF/MFC泡沫对PS MPs的吸附量。

研究还深入揭示了BF/MFC泡沫“物理拦截+静电吸附+氢键作用”三重捕获机制。XPS揭示了泡沫与MPs的次级键作用（图4a-b）。SEM图像揭示了泡沫的多层结构，其中交织的竹纤维和微纤化纤维素形成了具有弯曲微通道的三维多孔网络，PS MPs通过物理截留机制在纤维中被有效捕获（图4c）。为了量化动态过滤行为，标准孔隙堵塞模型（R2=0.99）占主导地位，其通量-时间曲线表现出典型的指数衰减，表明PS MPs逐渐被捕获在粗糙的孔壁上，而不是团聚在表面（图4d-g）。显微CT（Micro-CT）给过滤后的泡沫做了个“全身扫描”，三维图像呈现了微塑料在泡沫内部的分布与滞留行为，微塑料（图中绿点）并不仅仅停留在泡沫表面，而是渗透到泡沫内部的多孔通道中（图4h-j）。这进一步证实了标准孔阻塞是主要的过滤模型，为后续材料设计提供了理论依据。

图4 BF/MFC泡沫对PS MPs的去除机理。过滤PS MPs前后BF/MFC泡沫中a) N 1s和b) O 1s的XPS光谱。c) 捕获PS MPs后BF/MFC泡沫的SEM图像。d) 完全孔隙堵塞，e) 标准孔隙堵塞，f) 中间孔隙堵塞和g) 饼过滤的堵塞模型。h) BF/MFC泡沫过滤后PS MPs的Micro-CT扫描三维形貌i) 横截面，j) 纵剖面结构。

此外，通过12次循环过滤实验监测泡沫的过滤性能，泡沫的过滤效率始终保持99%以上（图5a）。团队设计了一个柱状水处理系统过滤含有荧光PS MPs 的样本（900 mL）材料保持稳定的过滤性能（图5b-c）。此外，通过过滤不同微塑料（PP、PE、PET）与不同地区的实际水样（长江、黄河、玄武湖）来验证BF/MFC泡沫捕获MPs的通用性（图5d-f）。SEM图像揭示多次过滤后泡沫孔隙逐渐被颗粒堵塞，但其多尺度结构仍保持完整，在重复压力下表现出优异稳定的过滤能力（图5h）。通过对比已报道的生物质基过滤材料，BF/MFC泡沫材料的通量显著高于其他过滤材料（图5i）。此外，团队提出“捕获-回用”一体化策略，使用后的泡沫可通过热压成型转化为高附加值复合材料，用于包装、建材等领域，真正实现从竹纤维捕获微塑料到资源化利用的完整绿色治理链条（图5j）。

图5 BF/MFC泡沫的通用性及可持续利用。a) 12次循环下BF/MFC泡沫对2 μm PS MPs的过滤效率。b)过滤含PS MPs水样的水处理装置的光学照片，c) 过滤性能。d) BF/MFC泡沫对PE、PET、PP MPs的过滤性能。e) BF/MFC泡沫对黄河、长江、玄武湖水样的过滤性能。f) 不同类型MPs在进料液和滤液中的浊度。g) BF/MFC泡沫对含PS MPs的黄河水样的12次循环过滤效率。h) 黄河水过滤1、6、12次后BF/MFC泡沫的SEM图像。i) BF/MFC泡沫与其他报道材料过滤能力的比较。j) MPs-BF/MFC泡沫可持续利用示意图。

这项工作不仅为微塑料污染治理提供了可靠且低成本的技术路径，也凸显了生物质材料在环境修复领域中的巨大应用潜力，为绿色低碳水处理技术的创新发展提供了新的参考方向。