1. 前言

随着人口的增加和工业化城市化进程的加速，城市废水排放量大幅增加，其中以氮(N)、磷(P)为代表的污染物，对自然水体的富营养化构成严重威胁，引发水质恶化和水生态系统的严重退化 ‎[1] 。为了应对水体富营养化带来的挑战，传统的水处理方法已无法满足不断提升的排放标准，这促使深度处理逐渐成为至关重要的环节。其中，水葫芦因其繁殖迅速、温度不敏感、对氮磷的去除率高等特点，被广泛应用在废水的深度脱氮除磷工艺中。有研究表明，水葫芦的最低生长温度为14℃，并可以承受35℃以上的温度范围，在最佳条件下总氮去除率可达400 kg N/ha/yr，总磷去除率可达65 kg P/ha/yr ‎[2] ‎[3] 。Qin等人研究发现，即使在极端降雨事件中水葫芦仍然展现出优异的脱氮除磷能力，且针对不同浓度梯度范围的氮磷污染均保持了高效的去除效率 ‎[4] 。Singh等在对玻璃工业废水中氮磷进行深度处理时发现水葫芦对总磷的去除率可高达87.43%，对氨氮的去除率更是可达到93.86% ‎[5] 。

然而，如何针对上述工艺中的水葫芦开发高值化利用方法，也已成为目前国内外研究的热点，主流的高值化利用方法有堆肥、饲料制备等。但是，在深度处理过程中，水葫芦在保持对污水中氨氮和总磷的高效去除的同时，也吸收了污水中存在的其它污染物质，如重金属等，并通过生物富集现象逐渐积累在其根茎叶中，从而限制了其在上述方法中的应用 ‎[6] ‎[7] ‎[8] 。因此，为了解决水葫芦中其他污染物质含量较高而难以进行有效利用的问题，一些研究人员提出了将废弃的水葫芦用于生物乙醇生产的方法 ‎[9] 。然而，与一些其他植物如玉米秸秆相比，水葫芦的生物乙醇生产效率相对较低 ‎[10] 。有趣的是，相关文献表明水葫芦的组成特点是富含纤维素，而相对而言，木质素的含量却很低，仅占总成分的约不到10% ‎[11] ‎[12] 。这促使本文提出一种水葫芦高值化利用方案，即通过TEMPO (2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物)氧化作用及其后续的超声空化过程，使从水葫芦中高效地提取具有优良形态的纳米纤维晶(CNC)和纳米纤维素(CNF)成为可能性。

近年来，国内外对于CNC和CNF的研究热度呈现持续上升的趋势，这主要源于它们具备出色的生物相容性和可降解性、高比表面积、卓越的机械强度以及官能团可调控性等突出优势 ‎[13] ‎[14] 。CNC因其优异的电学和光学性能，在能源、环境等领域具有广泛的应用前景。在环境领域，Boruah等人利用CNC的亲水性和良好的机械强度以及出色的生物相容性，制备了CNC/聚偏二氟乙烯(PVDF)高性能薄膜。通过添加CNC，成功地提高了PVDF膜的防污能力和水通量 ‎[15] 。Xi等人利用CNC的大比表面积、官能团的可调控性制备了CNC-PEI-Fe (III)吸附剂，显示出了对As (III)/As (V)的高效去除 ‎[16] 。在能源领域，Fan等人利用CNC的光学和电性能，成功制备了彩色纤维素纳米晶(CNC)/聚苯胺(PANI)薄膜。这种薄膜的颜色随湿度、pH值和有机溶剂的变化而变化，可应用于数据加密的电致变色器件 ‎[17] 。而CNF因其卓越的高韧性、高机械性能以及显著的高比表面积，在包装薄膜、食品稳定剂等领域具有广泛的应用前景 ‎[18] 。在包装薄膜领域，Li等经过研究证实，通过将玉米秸秆芯(CSC)与CNF结合制备的CSC/CNF复合材料，在力学性能方面表现出色，具有有效的水蒸气阻隔性能、卓越的紫外线阻隔性能以及令人满意的细菌阻隔性能 ‎[19] 。在食品稳定剂领域，以Costa等人的研究为例，他们发现从香蕉皮麸皮中提取得到的CNF能够通过强颗粒吸附作用结合到油滴界面，从而抑制脂质的消化过程。由于形成较大的油滴，这有助于减少三酰基甘油分子暴露于脂肪酶的作用。此外，在稳定乳液方面，与壳聚糖或纤维素晶体稳定的乳液相比，CNF稳定的乳液表现出最低的脂质消化情况 ‎[20] 。这些研究的成果为未来在不同领域进一步研究和应用CNC与CNF提供了坚实的理论基础。此外，CNC及CNF可以来源于多种植物，其物理化学性质易受其来源影响，纤维素的结晶度越高，长径比越大，会使其刚性和强度更好 ‎[21] ‎[22] ‎[23] 。例如从棉花中提取CNC的长度为70~300 nm，宽度为5~11 nm，结晶度为74~91% ‎[24] 。从硬木中提取CNC的长度为140~150 nm，宽度为4~5 nm，结晶度为43~65% ‎[14] 。从松针中提取CNF的宽度为30~70 nm，结晶度为61.9%~61.4% ‎[25] 。

目前，针对CNC的提取主要为硫酸水解法，但这种酸性提取法可能对环境造成污染，主要是因为处理废酸相对困难。此外，因为降解过度，CNC的产率非常有限，通常小于30% ‎[26] 。而在CNF的提取方法方面，目前主要采用机械法，即在高剪切力或高压力的条件下对纤维素原料进行处理，以实现纤维素纤维的分散和分离。然而，在这种处理方法在加工过程中，可能会导致纤维素的内部结构遭到破坏，导致其长度和直径减小 ‎[27] 。TEMPO介导氧化法是一种通过使用TEMPO自由基将额外的羧酸(COOH)基团引入纤维，从而使单个纤维在水中形成分散体的方法。通过将纤维素纤维暴露于TEMPO和NaClO的氧化条件下，分离出CNC和CNF。这种方法能够高效地分离出尺寸均匀的CNC、CNF，同时不需要使用有毒害的化学试剂和高温高压反应条件，具有绿色环保和经济性的优点 ‎[28] 。然而，TEMPO氧化在去除或分解无定形区域方面无效，因其仅专注于氧化纤维素结构中的羟基 ‎[29] 。因此，本文采用了超声辅助TEMPO介导氧化方法，通过空化效应创造了高温高压的局部区域，促进了纳米纤维的分离，为纤维束分解的无定形区域提供了一种温和的机械分解方式。这种将有效的机械处理与TEMPO介导的氧化相结合，可以促进纤维素纤维分解成更小的片段，增加CNC与CNF的产率并提高其结晶度 ‎[30] 。

本研究利用TEMPO-超声偶联法，成功制备了CNC与CNF。为了确定产物的形态、结晶度和表面官能团，本研究运用了多种表征方法，包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和红外光谱(FTIR)。此外，本文还对CNC的产率、羧基含量和热稳定性进行了分析。实验结果表明，通过TEMPO超声偶联法成功高效地从水葫芦中提取出了针状的CNC和网状的CNF。结果表明，CNC和CNF的产率为别为63%和31%，结晶度分别为87.1%和81.2%。此外，本研究还成功地将纤维素分子中C6位置的羟基转化为羧基。上述结果证实，TEMPO-超声偶联法可同步高效地提取出品质优异的CNC和CNF，并克服深度处理后的水葫芦中因其他污染物质的生物富集而带来的应用限制，使水葫芦的高值化利用得以实现。

2. 实验

2.1. 材料与药品

水葫芦(Eichhorniacrassipes)在阳光下干燥。在进行化学处理之前，用蒸馏水多次清洗粗茎，以去除其中的杂质，切碎并磨成小块，在60℃下完全干燥，记为水葫芦原纤维(WHF-R)以备用。氢氧化钠、次氯酸钠溶液和溴化钠粉末、TEMPO颗粒、亚氯酸钠粉末均购于中国阿拉丁公司。化学品均为分析级，无需进一步纯化即可使用。

2.2. 碱处理过程

取干燥的水葫芦并将其置于4%浓度的NaOH溶液中，在75℃的温度下处理3小时。使用去离子水(DW)对过滤后的纤维进行洗涤并重复两次，以除去任何残留的提取物和杂质，直到洗涤后的含纤维水溶液的pH值达到7。最后，对处理后的纤维进行干燥处理，得到碱处理后的水葫芦纤维(WHF-A)。这一过程有助于净化和准备纤维以进行后续的处理。

将碱性处理过的纤维浸泡在2 wt%的NaClO₂溶液中，加入醋酸(CH₃COOH)调节pH为3.8~4.5，在80℃下连续机械搅拌120 min漂白。经过过滤得到漂白的水葫芦纤维(WHF-B)，并用去离子水(DW)彻底冲洗直到pH = 7。为了确保完全去除杂质，在相同条件下重复上述过程三次后干燥储存。

2.3. CNC的提取

首先，将经预处理的1 g WHF-B、0.016 g TEMPO、0.16 g NaBr和15 mL NaClO混合于500 mL烧杯中，在25℃下搅拌反应8 h，加入0.5 M的NaOH溶液以保持pH = 10。反应结束后，向烧杯中加入15 mL乙醇以停止氧化反应。接下来，为去除多余的酸、无机盐和TEMPO等杂质，使用离心分离机在10000 rpm/min下进行离心分离15 min，重复3次，以将固体沉淀物分离出来。随后进行超声处理，持续90 min，以将其重新分散在水中。使用离心分离机在3500 rpm/min下对超声后的部分进行离心操作，持续30 min，使上清液中的CNC与底部的CNF分离。最后，对样品进行冷冻干燥处理。

2.4. CNC和CNF的产量及羧基官能团丰度检测

CNC的产量是通过重量分析法进行测量的。具体而言，将最终干燥的CNC样品的重量标记为M₂，将最初干燥的水葫芦纤维的干重确定为M₁。为了进行误差分析，通过对三次平行测量的平均值进行计算，得出了CNC的最终产量。下面列出了CNC样品的产量数据：

$\text{yield}\left(\%\right)=\frac{M2}{M1}\times 100\%$(1)

为了测定CNC的羧基含量，首先将含有0.1 wt%的CNC悬浮液10 g与1 mol/mL的NaOH溶液10 mL混合，在室温下搅拌30 min。然后，使用1 mol/mL的盐酸(HCl)溶液滴定混合物。羧酸含量可以使用以下公式计算：

$\text{COOHContent}==\frac{10\times C\left(NaOH\right)-\left(V\times C\left(Hcl\right)\right)}{W}\left(\text{mmol/gCNC}\right)$(2)

其中C代表了NaOH和HCl的浓度(以mol/L为单位)，V代表了达到滴定终点所需的HCl体积(以mL为单位)，W代表了干燥样品的质量(以g为单位)。最终结果由三次平行测量的平均值计算得出。

2.5. 表征

本研究使用了SEM (德国ZEISS Gemini SEM 300)对WHF-R和WHF-B进行表面观测。首先，将称重前的样品放置在干燥器中，在室温条件下过夜，以确保样品的干燥。接着，将样品安装在导电碳带上，进行金层涂覆处理。最后，在10 kv的束流条件下对样品进行了扫描电子显微镜图像的拍摄。

为了对T-CNF和T-CNC表面形貌进行观察，本研究使用了TEM (jeol_1230)。首先，将悬浮液滴(浓度为0.01% w/v)滴在碳涂层的电子显微镜网格上，并让其自然干燥。接着，对样品进行磷钨酸染色处理(染色剂浓度约为2 wt%)，染色时间为30秒。为了得到样品尺寸的测量结果，本文直接从TEM显微照片中进行测量，并对50次测量的结果进行平均，以获得更加可靠的数据。

本文通过使用FTIR美国(Thermo Nicolet 380)对WHF的表面官能团转化情况进行了分析，在4000至650 cm⁻¹波长范围内对T-CNC和T-CNF的化学成分进行了衰减全反射模式下的扫描，并在吸收模式下记录光谱。每个样本进行了32次扫描。

本研究使用XRD (日本理学SmartLab-SE)来测定水葫芦纤维，T-CNC和T-CNF样品的结晶度(CrI)，这是一种非常常见的技术。XRD通过测量样品中的晶格衍射峰的强度和位置来确定结晶度，目前已被广泛用于纤维素材料的结晶度分析 ‎[31] 。在进行XRD测试时，使用Cu Kα射线(λ= 1.5406Å)进行衍射，扫描范围为2θ= 5−50˚。根据(002)晶格衍射峰的最大强度(I002)和样品非晶部分的最小强度(IAM)之间的比率来计算CrI。如下所述：

$CrI\left(\%\right)=\frac{I002-IAM}{I002}\times 100\%$

为测试水葫芦纤维和T-CNC和T-CNF的热稳定性，本研究使用了TGA (德国Netzsch TG 209 F3 Tarsus)进行热重分析。样品重量约为20 mg，测试温度以10℃/min的加热速率从环境温度到600℃在氮气氛围下进行测试，氮气流速为20 mL/min。

3. 结果与讨论

3.1. 水葫芦纤维的表面形貌表征

图1显示了对未经处理和处理后的水葫芦纤维表面微观形态的结果。WHF-R主要由微原纤维构成，在纤维长度方向上表面相当粗糙，含有半纤维素、木质素以及其他非纤维素物质和萃取物，呈现出各种小颗粒和薄片(图1(a, b))。经过化学处理后，纤维被纯化，并形成了宽度约为15~25 μm的良好均匀结构，相比原始纤维，表面更加光滑(图1(c, d))。这一处理结果有助于半纤维素和萃取物的溶解，以及木质素的氧化降解，以有效地去除非纤维素物质。值得注意的是，在这碱处理和漂白处理后过，纤维素分子均未发生溶解。

通常情况下，纤维素纤维主要存在于植物细胞壁中，其中纤维素与其他非纤维素物质(如木质素、半纤维素和提取物)紧密结合，形成纤维素–木质素–半纤维素复合材料。各种纤维的化学成分受到其类型、种类和栽培环境等因素的显著影响 ‎[32] 。由于其灵活性和快速的生长速度，相较于其他农作物如菠萝叶、甘蔗渣和柳枝稷，水葫芦含有较少的木质素和更多的纤维素 ‎[33] 。

3.2. CNC和CNF的形貌表征

本文采用TEM技术对WHF-R制备的T-CNF和T-CNC的形貌特征进行了测量和验证。如图2所示，CNF和CNC均呈现出良好的分散状态，没有出现团聚现象。这一现象可以归因于CNC和CNF中引入的羧基，增加了它们的电负性，从而增强了相互间的斥力效应 ‎[34] 。图2(a)和(b)展示了CNF的纤维网状结构，而图2(c)和(d)则显示了针状的CNC，其具有单独的纳米晶体结构。结果表明，TEMPO介导氧化后经过超声，导致更多的氢键断裂，从而释放纤维素结构中更多的晶体，产生尺寸更小的CNC，并且同时得到了CNF。图2(a)和(c)的插图显示，0.1 wt%的CNF和CNC悬浮液是均匀且稳定的。TEMPO氧化后，CNF和CNC水性分散体的稳定性取决于纤维素表面羧化的程度。

3.3. 红外表征分析

图3展示了WHF-R、WHF-A、WHF-B以及CNC的FTIR光谱。在光谱分析中，各波段在3337、2923、1630、1430、1320、1035 cm⁻¹附近都展现了相似的波段，这种现象与天然I型纤维素的特性密切相关 ‎[35] ‎[36] 。在原纤维的1750 cm⁻¹和1250 cm⁻¹位置，观察到的波峰分别对应木质素和半纤维素中的羰基单元(C=O)的伸缩振动以及木质素中芳香醚键的C-O-C振动。而在1030~1160 cm⁻¹范围内出现的波段，可以归因于Pyranose环骨架的C-O拉伸和C-H摆动振动。同时，在1430 cm⁻¹和1320 cm⁻¹范围内的波峰，可以归因于CH₂的对称弯曲以及多糖分子中芳香环的C-H和C-O基团的弯曲振动。3337 cm⁻¹和1630 cm⁻¹区域的波段分别可以归因于纤维素O-H的拉伸振动和弯曲振动。最后，2923 cm⁻¹的波峰对应于C-H键的拉伸振动。值得注意的是在CNC的光谱中1750 cm⁻¹出现了一个波段，这一现象源于TEMPO氧化反应引入的羰基基团，从而导致所观察到的波段。这个结果明确显示了纤维素分子中C6位置的羟基被转化为羧酸盐离子。通过在光谱中仅观察到一个小峰，可以推测这一反应仅对C6伯羟基进行了有选择性的氧化 ‎[37] 。

3.4. X射线衍射分析

图4展示了WHF-R、WHF-A、WHF-B、CNC以及CNF的XRD图。研究结果清晰地显示了所有样品在15.2˚和22.7˚位置上都呈现出两个显著的主峰，这些峰分别位于(110)和(200)晶体面，进一步印证了纤维素I型晶体结构的关键特征 ‎[38] ‎[32] 。本研究中，原始纤维的结晶度(CrI值)较低，约为45.3%。而在经历了碱处理的纯化纤维中，CrI值提升至63.2%。随着经过漂白处理，CrI值增加至71.9%。这种显著的提升主要源于成功地减少了由半纤维素和木质素化合物所构成的大量无定形成分 ‎[39] 。通过TEMPO及其后续超声空化方法制备的CNC和CNF，利用超声波的作用以及水合氢离子，得以渗透至纤维素的无定形区域，从而引发糖苷键的断裂，进一步释放出更多的单一晶体 ‎[23] 。由此，CNC和CNF的结晶度显著提升至87.1%和81.2%。因此，CNC、CNF结晶度的提升预示着纳米纤维素的潜在力学行为和增强能力有望得到提升 ‎[40] 。

3.5. 材料的热重分析

图5展示了WHF-R、WHF-A、WHF-B，CNC的热重(TG)和微分热重(DTG)曲线。如图5(a)，在约100℃左右，由于吸收的水分蒸发，所有样品的重量都略微下降 ‎[23] 。由于WHF-R中含有蜡、果胶、半纤维素和木质素等成分，它们的分解温度相对较低，导致在主峰前出现了一个肩带。所有纤维素样品的起始分解温度都高于原始纤维，因为经过处理后除去了热稳定性较低的非纤维素物质。对于TEMPO法提取的CNC表现出相似的曲线。其热稳定性显著下降，这可以归因于引入不稳定的羧酸钠基团 ‎[41] 。此外，在600℃下，由于纤维素的纯化，纤维素提取后的残留率降低。CNC的高残留率是由于在低温下形成脱水和交联反应，使CNC容易碳化 ‎[42] 。

在DTG图像中，还有一个值得注意的现象(图5(b))，CNC的导数曲线都很宽，且在250℃和350℃附近各有两个峰。在约250℃附近的峰可能是由于不稳定的无氢葡萄糖酸钠单元的分解 ‎[43] ，而在约350℃附近的峰则是由于纤维素分子链的分解。

3.6. CNC和CNF的产率及羧基官能团含量分析

表1中列出了使用TEMPO-超声偶联法提取CNC和CNF的产率以及羧基含量。研究结果表明，在TEMPO与超声结合的方法中，CNC的产率显著提高至63%，同时还得到了31%的CNF。此外，CNC的羧基含量为1.27 mmol/g，CNF的羧基含量为1.21 mm/g。这表明TEMPO成功地将纤维素分子中C6位置的羟基转化为羧基。

图6展示了CNF和CNC的长度(L)和宽度(D)分布情况。我们采用数字图像分析，利用至少130个纳米原纤维的TEM图像来确定相应纳米原纤维的尺寸。数据显示，CNF的长度相对较长，分布在140~650 nm之间，而宽度分布在3~9 nm之间。平均长度为437.8 nm，平均宽度为5.7 nm。至于CNC的结构，长度分布在100~375 nm之间，宽度分布在0.6~5 nm之间，平均长度为214.4 nm，平均宽度为2.72 nm。与传统的硫酸水解法相比，TEMPO法制备的CNC具有更大的长径比 ‎[44] 。这种高长径比将为纳米纤维晶的复合材料应用提供有前景的增强能力，进一步拓展其应用前景。

4. 结论

本研究设计了一种简单且环保高效的方法，利用经过深度处理的水葫芦作为原料，经过TEMPO氧化和超声空化等步骤，高效地分离出CNC和CNF。本研究制备的CNC产率为63%，羧基含量1.27 mmol/g，CNF的产率为31%，羧基含量为1.21 mmol/g。其中CNC呈现出针状结构，平均长度(L)为214.4 nm，平均直径(D)为2.72 nm，因此其长径比(L/D)约为78.8。其羧酸盐含量达到1.27 mmol/g。CNF则呈现出网状结构，平均长度(L)为437.8 nm，平均直径(D)为5.7 nm，长径比(L/D)为76.8，预示着纳米纤维素的潜在力学行为和增强能力有望得到提升。X射线衍射分析表明CNC和CNF均具有I型纤维素的晶体结构，其结晶度分别为87.1%和81.2%。TGA的结果与水葫芦纤维的理化性质及其在SEM、FTIR和XRD的分析结果相一致。综上所述，本方法不仅成功地实现了水葫芦资源的有效利用，同时也实现了高产率的CNC和CNF的制备，这些纳米纤维富含羧基官能团。这为未来CNC产业化生产提供了潜在的途径。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献