《Separation and Purification Technology》：Cellulose-lignin/UIO-66 composite filter material with gradient pore structure for synergistic removal of particulates and nicotine
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彭富|建国白|晏晨竹|郑杰竹|法里亚尔·泰穆尔|穆罕默德·瓦吉德·乌拉|王欣|郝仁江苏省造纸科学与技术重点实验室，南京林业大学，江苏省南京市210037，中国摘要本研究开发了一种具有梯度孔结构的纤维素-木质素/UIO-66复合过滤器（Int-CF&Lignin/UIO-66），能
彭富|建国白|晏晨竹|郑杰竹|法里亚尔·泰穆尔|穆罕默德·瓦吉德·乌拉|王欣|郝仁
江苏省造纸科学与技术重点实验室，南京林业大学，江苏省南京市210037，中国
摘要
本研究开发了一种具有梯度孔结构的纤维素-木质素/UIO-66复合过滤器（Int-CF&Lignin/UIO-66），能够同时去除室内烟雾中的颗粒污染物和气态尼古丁，有效解决了过滤效率与空气渗透性之间的权衡问题。通过以不同比例结合高度精炼的纤维和微米级纤维骨架，构建了一种孔径逐渐减小的三层过滤器。同时，还合成了木质素/UIO-66功能纳米填料，并将其均匀沉积在纤维表面。该过滤器保持了较高的空气渗透性（2500 cm3/cm2·d·0.1 MPa），同时有效截留了颗粒污染物。由于静电吸引、氢键作用和配位相互作用的协同效应，木质素/UIO-66显著增强了气态尼古丁的吸附能力。因此，所构建的梯度过滤器具有高达98%的尼古丁过滤效率。此外，该材料还表现出优异的酶促生物降解性、耐湿性和循环再生能力。这项工作通过提供一种可持续、有效的方法来处理复杂烟气，扩展了生物基材料在空气过滤领域的应用潜力。
引言
现代生活方式使得人们超过80%的时间都在室内度过，这使得室内空气质量（IAQ）成为全球公共卫生问题[1]。在各种污染物中，环境烟草烟雾（ETS）尤其危险，因其复杂的成分和高毒性[2]。这些污染物作为动态气溶胶系统，包含数千种化学成分。气相挥发性有机化合物（VOCs），如尼古丁，对健康构成严重威胁[3]，而细颗粒物（如PM2.5）会深入肺部，引发心肺疾病[4]。现有的单一模式净化方法难以同时处理这些污染物的共存及其协同毒性[5]。因此，开发能够同时去除复杂烟气中气态和颗粒污染物的集成过滤材料是非常必要的。
目前，高效颗粒空气（HEPA）过滤器凭借其密集的合成纤维网络在烟气颗粒物净化中占据主导地位[6]。尽管其过滤效率较高，但其密集的结构不可避免地会降低空气渗透性，并在运行过程中产生显著的压力降[7]，从而形成典型的权衡效应。这导致过滤器滤饼迅速形成，增加了能耗并缩短了使用寿命[8]。此外，商用过滤器通常使用不可生物降解的石油基材料，如聚酯和聚丙烯，这些材料在废弃后会加剧微塑料污染和碳排放[9]。为了解决这些问题，最近开发的具有逐渐减小孔径分布的梯度结构在平衡过滤效率和压力降方面显示出巨大潜力。通过分层拦截颗粒——上游的松散结构捕获粗颗粒，下游的密集网络捕获细颗粒——这种配置有效减缓了高阻力滤饼的形成并降低了压力上升的速度[10]。受此启发，使用可降解生物质原料（如植物纤维）制造梯度过滤器有望克服这些问题，利用其灵活的纤维结构和丰富的反应基团。
除了颗粒污染物外，净化小分子气态污染物（如尼古丁）仍然具有挑战性[11]。由于气态尼古丁分子与纤维网络微米级孔径之间的尺寸差异较大，物理拦截方法本质上无法有效捕获它们[12]。此外，尽管纤维素富含羟基，但其相对较弱的极性和缺乏特定的活性位点限制了其与尼古丁的强效、靶向相互作用。纤维素羟基与尼古丁分子之间形成的单一、不稳定的氢键无法提供足够的结合能来克服气流的动能，导致捕获效率低和结合稳定性差。尽管活性炭等吸附剂被广泛使用，但它们依赖于弱的分子间范德华力，导致选择性低、结合亲和力弱，并容易受到湿气的影响而发生竞争性脱附[13][14]。为了解决这些问题，引入具有特定活性位点的疏水材料是一个可行的解决方案。金属有机框架UIO-66因其高孔隙率和活性金属位点而具有优异的吸附能力[15]。木质素作为一种天然聚合物，具有丰富的活性功能基团，也表现出强吸附性能[16]。其含氧基团（包括酚羟基和羧基）通过氢键和酸碱反应与碱性尼古丁分子建立特定相互作用[17][18]。将UIO-66的物理吸附能力与木质素的化学捕获能力结合起来，可以克服单相拦截的局限性。实现对多相烟气中复杂成分的深度净化需要一种协同的物理化学方法。刚性的UIO-66框架因其结构稳定性而受到重视[19]，而木质素的疏水苯丙烷结构本身具有优异的耐湿性[20]。因此，将UIO-66整合到木质素基质中为克服竞争性水吸附提供了理论基础，即使在高湿度条件下也能确保长期的过滤稳定性。
基于上述分析，我们提出了一个核心假设：使用可再生竹纤维素构建梯度孔结构可以通过分层拦截颗粒来有效解决过滤效率与空气渗透性之间的权衡问题。进一步假设，将UIO-66整合到木质素基质中可以创建一个协同的双吸附界面。该界面结合了金属有机框架的高孔隙率和木质素的特定化学相互作用（包括氢键和酸碱反应），从而在潮湿条件下显著增强气态尼古丁的选择性捕获。此外，预计木质素微球会暴露出丰富的羟基，促进与纤维素框架的强氢键结合，确保木质素/UIO-66功能填料在纤维表面的稳定固定。为了验证这些假设，设计并制备了一种生物基复合过滤器（Int-CF&Lignin/UIO-66）。本研究旨在阐明梯度网络的结构-性能关系，并评估其对复杂烟气处理的协同净化机制。
章节摘录
材料
木质素原料（UPM Ltd., BioPivaTM190，高纯度云杉硫酸盐木质素，SKL，90%）；甲醇和无水乙醇（分析级）从无锡的雅生公司购买。
竹浆纤维的预处理
为了制备漂白化学竹浆（KBP），从柳州采购的黄色竹子通过硫酸盐法处理，并用冰醋酸-亚氯酸钠进行漂白，具体步骤见文本S1[21]。制备的竹浆的化学成分见表S1。所得KBP经过机械
纤维基质微结构控制与过滤性能优化
竹浆纤维网络的微结构决定了复合过滤介质的空气渗透性和物理拦截效率[24]。在本研究中，竹浆经过盘式精炼和脱纤维处理，形成了具有高比表面积和适宜孔径分布的基质网络。高精炼度的微/纳米级纤维（KBP-PFI30K）被用作桥接单元，以控制微米级初级骨架的孔结构。图2展示了
结论
本研究开发了一种梯度孔隙度的Int-CF&Lignin/UIO-66复合过滤材料，用于高效去除烟气中的尼古丁。通过以不同比例和高精炼度将细分散的纤维整合到微米级纤维素骨架中，构建了一个孔径沿气流方向逐渐减小的三层拦截网络。该结构保持了2500 cm3/cm2·d·0.1 MPa的高空气渗透性，同时有效
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
该项目得到了中国国家重点研发计划（2017YFD0601005）和国家自然科学基金（51203075）的支持。
