《Materials Chemistry and Physics》：Upcycling Used Lottery Tickets: Extraction, Characterization, and Life Cycle Assessment of Cellulose Nanofibers Using a Cradle-to-Gate Approach
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可持续制备彩票废纸纤维素纳米纤维及生命周期评估研究。采用15% H2O2与10% NaOH漂白结合5%草酸酸水解及蒸汽爆破法，成功提取直径16-36nm、结晶度84.5%的纤维素纳米纤维，热稳定性达300℃以上，薄膜拉伸强度4.56MPa。生命周期评估显示其环境负担低于传统农业原料。该绿色工艺为废纸资源化与循环经济提供新方案，适用于可降解包装等环保应用。
阿图利亚·K·马杜（Athulya K. Madhu）| 德瓦尔·桑托斯·罗莎（Derval Santos Rosa）| 苏埃利·阿帕雷西达·德·奥利维拉（Sueli Aparecida de Oliveira）| T.G. 阿吉特库马尔（T.G. Ajithkumar）| 乔蒂什库马尔·帕拉梅斯瓦兰皮莱（Jyotishkumar Parameswaranpillai）| 米歇尔·巴达维（Michael Badawi）| C.D. 米登·多米尼克（C.D. Midhun Dominic）
印度喀拉拉邦科钦市圣心学院（自治机构）化学系，邮编682013
摘要
本研究探讨了一种可持续的方法，用于从废弃彩票中分离、表征纤维素纳米纤维，并对其生命周期影响进行评估。首先使用15%的H?O?和10%的NaOH在80°C下对彩票进行漂白处理，随后通过添加草酸并利用蒸汽爆破技术进行酸水解。所得纤维素纳米纤维的直径范围为16至36纳米，结晶度为84.5%。其ζ电位值为-25.19 mV，表明纳米纤维素悬浮液具有中等程度的胶体稳定性。在N?气氛中，这些纳米纤维素纤维的热稳定性超过300°C。由纳米纤维素纤维制成的薄膜具有4.56 ± 0.90 MPa的拉伸强度。与其它农业材料相比，从废弃彩票中提取纳米纤维素对环境的影响较小。这些发现凸显了废弃物衍生纤维素纳米纤维在可持续应用（如可降解包装）中的潜力，同时促进了循环经济原则和绿色纳米技术的发展，通过废物转化、环保化学和生命周期可持续性实现了资源再利用。
引言
纤维素纳米纤维的尺寸特征为宽度小于100纳米，长度在微米级别[1]、[2]。与天然纤维素相比，纳米纤维素具有更高的机械强度、更低的密度以及更好的生物降解性。由于其多功能性和可再生性，它们被广泛应用于包装、汽车零部件、纺织品、生物医学产品、粘合剂、纳米复合材料、染料吸附、药物输送等领域[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。近期有许多研究报道了从工业和农业废弃物中生产纳米纤维素的方法[10]、[11]、[12]。
大多数研究采用化学、机械、离子液体和酶法从农业废弃物中提取纤维素[13]、[14]。Pradhan等人综述了从不同天然来源提取纳米纤维素的各种化学方法[15]。Liu等人采用多步骤机械提取工艺（微流控技术、蒸汽爆破和微波辅助水解）从小麦秸秆中提取纳米纤维素，处理后纤维素含量从44.8%提高至94%[16]。离子液体也被广泛用于纳米纤维素的提取。Sankhla等人使用离子液体[Bmim]Cl从甘蔗渣中提取出直径小于35纳米的纳米纤维素[17]。Glińska等人证明离子液体是提取玉米秸秆中纤维素的有效介质[18]。TEMPO介导的氧化是一种常用的预处理方法，旨在实现纤维素的纤维化及胶体稳定性[19]、[20]。Ouhammou等人利用TEMPO/NaBr/NaClO体系从咖啡渣中提取纤维素，获得了67%的产率[21]。Souza等人使用不同浓度的H?SO?从狼果皮中提取纳米纤维素，结果表明较低浓度的H?SO?可提高纳米纤维素的热稳定性和分散性，表明其适合用于聚合物生物复合材料的制备[22]。综合来看，化学-机械联合法被认为是最适用的方法，因为它在实验室规模上易于操作且能耗较低。例如，Paul等人利用草酸和蒸汽爆破技术成功从Heliconia psittacorum L.f.叶片中制备出直径在15-40纳米范围内的纳米纤维[23]。然而，从农业废弃物中去除非纤维素成分耗时较长，需要多次预处理和酸水解步骤[24]、[25]。因此，富含纤维素的废弃物通常是提取纳米纤维素的首选。废纸填埋是环境污染的重要原因之一，但废纸经过部分脱木素处理后含有更多纤维素，可作为纳米纤维素的重要来源[26]。
多项研究报道了从废纸中成功提取纤维素纳米晶体的方法。Filson等人首次使用不同浓度的内切葡聚糖酶从再生纸浆中制备出高结晶度的纤维素纳米晶体，其ζ电位为-31.37 mV，显示出优异的胶体稳定性[27]。Mohamed等人通过亚氯酸钠漂白和65%硫酸水解从再生报纸的非印刷区域提取了纤维素纳米晶体[28]。Danial等人采用类似方法从整张报纸中提取了纤维素纳米晶体[29]。此外，还有研究专注于从废纸中提取纤维素纳米纤维。Suopaj?rvi等人使用环保的共晶溶剂（氯化胆碱和尿素）从牛奶容器纸板中提取了纤维素纳米纤维[30]。Joshi和Chauhan利用TEMPO介导的氧化和高剪切微流控技术从废纸中提取纤维素纳米纤维，并将其用作木材粘合剂的增强剂[31]。尽管从废纸中生产纤维素纳米材料具有环境效益，但这一过程仍存在环境影响，如使用有毒化学物质、频繁洗涤和能源消耗等。因此，了解提取纳米纤维素对环境的影响至关重要。
生命周期评估是一种评估产品环境可持续性的方法[32]、[33]、[34]、[35]。这包括原材料的使用影响、加工过程、生产成本、能源消耗、用水量、二氧化碳排放以及产品生命周期结束时的环境影响。通常采用ISO 14040和ISO 14044等标准来评估材料对环境的影响[36]。
本研究的假设是：废弃的彩票纸可以通过环保的化学处理方法可持续地转化为高品质的纤维素纳米纤维，这些纳米纤维具有高结晶度、良好的热稳定性和机械性能，且其生命周期环境影响低于传统生物质来源的纳米纤维素。纤维素纳米纤维的生产过程包括漂白、温和的酸水解以及蒸汽爆破。通过表征纤维素纤维的形态和化学变化来评估转化效率。本研究的新颖之处在于首次系统地将预处理的废弃彩票纸通过绿色两步工艺转化为高结晶度、热稳定的纤维素纳米纤维，并结合生命周期评估来证明其较低的环境影响及在可持续包装应用中的适用性。我们进行了详细的从摇篮到大门（cradle-to-gate）生命周期评估（LCA），以评估从彩票中生产纤维素纳米纤维的环境性能，识别关键的环境问题并提出优化策略，以提高废纸衍生纳米纤维素生产的可持续性。
材料
所用彩票来自印度喀拉拉邦Ernakulam的一家彩票店。提取过程中使用的化学品NaOH、H?O?（30% w/v）和H?CO?购自印度Ernakulam的Nice Chemicals Private Limited公司。这些化学品未经进一步纯化直接使用。
样品制备和预处理
将使用的彩票剪成小块，然后使用15% H?O?和10% NaOH（比例为5:1）的溶液对其进行漂白。
纤维素纳米纤维的产率
根据公式1计算，纤维素纳米纤维（CNFs）的产率为72 ± 5%，表明提取过程高效。经过四次连续漂白处理后，成功去除了印刷油墨和非纤维素成分，保留了纤维素。此外，草酸水解选择性地降解了无定形纤维素区域，导致质量损失最小。总体而言，质量损失表明提取过程有效。
结论
本研究建立了一种可持续且高效的方法，通过两步工艺从废弃彩票中提取纤维素纳米纤维（CNFs）：首先使用碱性过氧化氢（15% H?O?、10% NaOH，在80°C下）进行漂白，随后进行草酸水解。所得纳米纤维素的结晶度为84.50%，纤维直径在16至36纳米之间。其ζ电位值为-25.19 mV，表明在去离子水中的稳定性中等。
作者贡献声明
米登·多米尼克（Midhun Dominic）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、方法设计、概念构思。乔蒂什库马尔·帕拉梅斯瓦兰皮莱（Jyotishkumar Parameswaranpillai）：撰写、审稿与编辑、资源准备。米歇尔·巴达维（Michael Badawi）：撰写、审稿与编辑。T.G. 阿吉特库马尔（T.G. Ajithkumar）：资源准备。德瓦尔·桑托斯·罗莎（Derval Santos Rosa）：撰写、审稿与编辑、资源准备。苏埃利·阿帕雷西达·德·奥利维拉（Sueli Aparecida de Oliveira）：撰写、审稿与编辑、资源准备。阿图利亚·K·马杜（Athulya K Madhu）：撰写初稿、实验设计
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，通讯作者（Midhun Dominic C. D.）使用[ChatGpt]工具改进了手稿的语言表达和可读性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
我们感谢印度喀拉拉邦的SAIF、STIC和CUSAT在化学分析方面的支持。同时感谢印度浦那CSIR国家化学实验室的Ankita Shelke在13C固态核磁共振分析方面的协助。
