青岛科技大学张建明教授AM：鱿鱼骨变身高性能过滤膜

随着纳米塑料、有机染料和无机颗粒等新兴污染物激增，传统水净化技术面临严峻挑战。当前研究聚焦于一维和二维纳米材料，但蚕丝、纤维素纳米纤丝等材料受限于生产效率低、成本高及可持续性不足等问题。例如，蚕丝产量有限，纤维素膜需昂贵原料和溶剂，而合成二维材料成本高昂且不符合可持续发展目标。纳米纤维素水凝胶虽有潜力，但其保质期短且难以截留10纳米以下的染料分子。联合国可持续发展目标6（清洁饮水与卫生）的紧迫性催生了创新过滤方案的探索。

青岛科技大学张建明教授、Li Boxiao团队在《

Advanced Materials

从废弃物到过滤系统

全球每年捕获约450万吨鱿鱼，其骨骼作为生物废弃物被转化为过滤材料（图1A-B）。鱿鱼骨由蛋白质外壳包裹甲壳素核心构成（图1C），其中β-相甲壳素平行链结构（图1D）降低了分子内氢键，提升化学修饰潜力。通过过硫酸铵（APS）氧化剥离蛋白质并羧基化，团队获得稳定分散的ChNF，经真空过滤制成生物废弃物超渗透膜（BUM）（图1E）。通过调节ChNF负载量（0.05–2.25毫克），膜厚度可在124纳米至1.8微米间精准调控，实现不同尺寸污染物的高效截留（图1F）。例如0.05毫克负载膜对100纳米塑料100%截留，通量高达46,207 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。

图1：从鱿鱼骨生物废弃物到过滤系统的路径 A) 全球鱿鱼年捕捞量。 B) 枪乌贼（L-squid）和柔鱼（O-squid）及其骨骼照片。 C) β-甲壳素纳米纤维（β-ChNF）与骨骼结构关系示意图。 D) β-ChNF的化学结构。 E) 生物废弃物超渗透过滤器（BUF）示意图及注射器装置照片（比例尺：1厘米）。 F) 不同ChNF负载量下BUM的性能（比例尺：1厘米）。

纳米纤维特性与膜结构

研究对比枪乌贼（Loliginidae）和柔鱼（Ommastrephidae）来源的ChNF（图2）。L-ChNF经2分钟超声透光率达89.3%，纤维更细（平均厚1.2±0.4纳米，宽2.2±0.5纳米），25%纤维仅0.8纳米厚，创纤维材料最薄纪录（图2A-H）。其羧基含量（1.49 mmol·g⁻¹）和zeta电位（-49 mV）更高，增强了胶体稳定性和静电斥力（图2I-K）。由此制备的L-BUM孔隙率达74.8%（O-BUM仅33.6%），表面粗糙度仅1.5纳米（图3D-F）。超高孔隙率推动纯水通量突破46,207 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，超越所有已报道纳米滤膜10倍以上（图3G）。

图2：不同生物源（枪乌贼与柔鱼）的ChNF结构单元 A,B) ChNF悬浮液在不同超声时间下的透光率（A）和廷德尔效应（B）。 C,D) L-ChNF（C）和O-ChNF（D）的AFM图像（比例尺：1微米）。 E) 小提琴图统计ChNF厚度分布。 F,G) L-ChNF（F）和O-ChNF（G）的TEM图像（比例尺：100纳米）。 H) 小提琴图统计ChNF宽度分布。 I) L/O-ChNF的zeta电位及羧酸盐浓度。 J) 不同浓度L/O-ChNF悬浮液的粘度。 K) L/O-ChNF的FTIR光谱。

图3：ChNF构建的BUM结构与水通量 A–C) 纤维素基底的截面SEM（A；比例尺：10微米）；BUM组装照片（B；比例尺：0.5厘米）；ChNF膜截面SEM（C；比例尺：100纳米）。 D,E) L-ChNF膜（D）和O-ChNF膜（E）的AFM图像（比例尺：200纳米）。 F) L/O-ChNF膜厚度与孔隙率关系。 G) 本研究BUF与已报道滤膜的纯水通量对比。

污染净化性能与可持续性

BUM与真空过滤系统结合（BUF）对多种污染物展现卓越性能（图4）。1.8微米厚L-BUF对罗丹明B通量达615 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹（截留率99.2%），对50纳米塑料100%截留（图4A-F）。连续57小时过滤10纳米氧化镁实验中，通量稳定在55 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹且截留率保持100%（图4I）。生命周期评估显示，单片膜（含0.15毫克ChNF）碳足迹仅6.19×10⁻⁴ kg CO₂当量（图5B-D），技术经济分析证实毛利率达54.93%，投资回收期仅0.97年（图5E-G）。6克鱿鱼骨可生产14,000片膜，真空过滤环节占83.5%环境成本，规模化生产可进一步优化。

图4：BUF水净化性能 A–C) 2.25毫克ChNF膜对罗丹明B的紫外光谱（A）、截留效果照片（B）及通量/截留率（C）。 D–F) 0.15毫克ChNF膜对50纳米聚苯乙烯颗粒的紫外光谱（D）、截留效果照片（E）及L-BUF通量/截留率（F）。 G) 0.05毫克ChNF膜对50/100纳米颗粒的截留性能。 H,I) 0.5毫克ChNF膜对10纳米氧化镁的紫外光谱（H）及长期通量/截留率（I）。

图5：L-BUM的可持续性评估 A) 单片BUM的"门到门"生命周期评估边界示意图。 B–D) 碳排放（B）、能耗（C）和生态损害潜力（D）的不确定性分析。 E) 实验室规模BUF生产流程。 F) 单批次生产（6克鱿鱼骨→14,000片BUM）设备占用时间。 G) BUM生产的经济效益报告。

总结与展望

该研究将海鲜废弃物转化为超渗透膜，以创纪录通量和近全污染物截留率突破传统纳米过滤瓶颈。通过揭示生物源差异对纤维性能的影响，并结合数学模型优化孔隙设计，团队为可持续水处理提供了新范式。生命周期与技术经济双重验证表明，该技术有望推动先进材料与循环经济的融合，引领绿色水净化革命。

来源：高分子科学前沿

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