综述：木质整体材料在可持续水处理技术中的最新进展

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Wood-based monolithic materials: recent progress in sustainable water treatment technologies

本综述系统阐述了木质整体材料（WMMs）作为可持续水处理平台的最新进展。文章重点介绍了WMMs在染料去除、油水分离、重金属离子去除及太阳能驱动海水淡化等领域的应用，强调了其可再生、可生物降解及独特分级多孔结构等优势。作者在总结性能与挑战的同时，为未来开发实用、高效的WMMs提供了重要见解与方向。

　　

木质整体材料：可持续水处理技术的新星

随着气候变化和工业化进程的加剧，水资源污染已成为全球性的重大环境挑战。据估计，约80%的工业废水未经处理便被直接排放，其中含有染料、农药、重金属离子等各类污染物，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统水处理技术所依赖的合成膜和化学吸附剂大多源自不可再生资源，存在二次污染风险且成本较高。因此，开发绿色、低成本、可再生的功能性材料对于实现可持续水处理至关重要。

天然木材作为地球上最丰富的生物质资源之一，因其低成本、可再生性、可生物降解性和生物相容性而备受关注。更为重要的是，木材具有独特的³分级多孔结构，其内部无数中空细胞和显著的各向异性形成了多尺度取向通道，为水、营养物和离子的传输提供了理想路径，使其成为过滤和吸附等水处理应用的绝佳候选材料。通过去除木质素和半纤维素等“自上而下”的加工方法，可以进一步制备出超轻质的木质整体材料（WMMs），如气凝胶和泡沫。这些材料不仅保留了木材的固有结构，还因纤维素纳米纤维（CNFs）之间丰富的交联网络和分子间氢键而表现出良好的机械抗压性和韧性。

木材的化学组成主要为纤维素、半纤维素和木质素。其分级结构从纳米尺度的纤维素微纤维束到宏观尺度的细胞排列，决定了木材在机械强度、热导率和流体渗透性等方面的各向异性。这种各向异性与排列的微通道相结合，实现了快速、低曲折度的流体传输，是WMMs应用于水处理的核心优势。

功能化改性策略

为了赋予WMMs特定的性能，研究人员开发了多种改性策略。溶剂辅助法（如脱木质素处理）可以选择性地溶解木质素-半纤维素基质，增加孔隙率和比表面积，同时暴露内部纤维素支架及其丰富的羟基，为后续功能化提供锚定位点。碳化处理则通过热分解将木材前驱体转化为多孔碳整体材料，显著增强其光吸收能力和化学稳定性，但也可能增加材料脆性。此外，通过浸渍、接枝等方法，可以将金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、贵金属纳米颗粒（如Au NPs, Ag NPs）等功能性材料负载到木材的三维多孔结构中，从而引入催化、抗菌或光热转换等特性。

化学改性还可以在木材表面引入特定官能团，如羧基（-COOH）、氨基（-NH₂）、磺酸基（-SO₃H）和巯基（-SH），从而增强其与污染物的化学相互作用。例如，酯化或TEMPO氧化可以引入丰富的羧基，用于高效吸附重金属离子。同时，通过化学处理或聚合物浸润，可以有效地调控木材表面的润湿性，使其从亲水性转变为超疏水性，适用于油水分离。

染料去除的高效能手

有机染料是工业废水中的常见污染物，其结构稳定且具有潜在毒性。WMMs在染料去除方面展现出巨大潜力，其分级多孔结构有利于染料分子的快速扩散和传质，而负载的纳米颗粒（如Pd NPs, Ag NPs）或MOFs则能提供催化降解活性位点，实现吸附-催化的协同效应。

例如，通过原位生长法在木材通道内合成UiO-66 NPs制成的UiO-66/木材膜，对多种有机污染物（如Rh6G、双酚A等）的去除效率高达96%，水通量可达1.0 × 10⁴ L m^-2 h^-1。这得益于MOFs颗粒在木材腔体内的均匀分布以及木材结构带来的延长接触时间。另一种策略是制备磁性木材衍生碳复合材料（WC-Co），其对刚果红（CR）和亚甲基蓝（MB）的最大吸附容量分别达到1117.03和805.08 mg g^-1，并且可通过简单的燃烧实现再生，避免了溶剂再生带来的二次污染问题。

COFs因其高比表面积和可调孔径，在膜分离技术中备受关注。将亚胺基COFs（TpPa）负载于醛改性轻木（BW）上制成的TpPa-木材膜，其平均孔径约1.8 nm，能实现基于尺寸筛分的染料和抗生素高效去除，对MB的去除率高达97%，水通量达600 L m^-2 h^-1。

智能应对油水分离挑战

含油废水对水生生态系统破坏巨大。WMMs凭借其高孔隙率、轻质和可调控的润湿性，成为油水分离的理想材料。通过脱木质素处理可以获得超亲水性的木材膜，其在水下形成水化层，表现出超疏油特性，从而能高效分离水包油乳液，分离效率可达99.43%。

赋予木材超疏水性是另一条重要途径。通过化学气相沉积（CVD）技术沉积聚二甲基硅氧烷（PDMS）或氟化硅烷，可以制备出超疏水-超亲油的木材气凝胶，用于选择性吸附油类。更有趣的是，Janus膜（具有不对称润湿性）表现出智能的单向液体输送行为，无需额外能量即可实现乳液的高效分离。例如，一种由脱木质素木材和喷涂₁H,₁H,₂H,₂H-全氟辛基三氯硅烷/SiO₂ NPs构成的Janus木材膜，对油包水和水包油乳液均能实现超过99%的分离效率。

对于高粘度原油，WMMs的光热或电热效应大显身手。通过负载还原氧化石墨烯（rGO）或碳纳米管（CNTs），木材海绵在太阳光或焦耳热作用下表面温度迅速升高，从而降低原油粘度，显著提高吸附和回收速率。例如，OTS-rGO-WS复合材料在太阳照射下能在20分钟内主动收集50 mL原油。

精准捕获重金属离子

重金属离子的毒性、持久性和生物累积性使其成为水处理的重点难点。WMMs的高比表面积和多孔结构为重金属离子的吸附提供了优越平台。通过化学改性引入羧基、氨基、巯基等官能团，可以通过络合作用高效捕获Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺等离子。

例如，利用琥珀酸酐或柠檬酸酐对山毛榉木进行酯化，引入丰富羧基，对低浓度Cu²⁺（100-500 ppm）的去除率超过95%。通过TEMPO氧化和机械压缩制备的纳米结构木材气凝胶，其Cu²⁺吸附容量可达115 mg g^-1，双层过滤装置对Cu²⁺的去除效率高达99.63%。巯基功能化木材膜（SH-wood）则利用巯基与金属离子的强配位作用，对Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺的最大吸附容量分别达到169.5, 384.1, 593.9, 和710.0 mg g^-1，组装成三层过滤装置处理实际废水，出水可达世界卫生组织（WHO）饮用水标准。

将聚乙烯亚胺（PEI）接枝到WMMs表面，可利用其高密度氨基增强对重金属离子的吸附。例如，PEI改性的多孔木材吸附剂（PGPW）对Cu²⁺的吸附容量为188.68 mg g^-1，在50次吸附/解吸循环后仍保持87%的吸附效率。此外，半互穿聚合物网络（semi-IPNs）技术可用于增强木材的机械性能和引入功能基团，如聚酰亚胺/N,N'-1,4-苯基二马来酰亚胺 semi-IPNs 组装的WMMs在酸碱性介质中均能保持结构完整，对Cu²⁺的最大吸附容量为296 mg g^-1。

多功能化是另一个发展趋势。通过将碳量子点（CQDs）或金纳米簇（Au NCs）锚定在脱木质素木材上，可以制备出既能检测又能吸附重金属离子的传感器。例如，β-CD-WS@CQDs材料在紫外光下发出蓝色荧光，其荧光强度随Cu²⁺浓度增加而猝灭，实现了对Cu²⁺的灵敏检测和有效捕获。

利用太阳能实现海水淡化

面对全球淡水短缺，太阳能驱动界面蒸发技术为海水淡化提供了可持续的解决方案。WMMs固有的低热导率（尤其是径向）和定向输水通道，使其成为理想的太阳能蒸发器材料。

碳化是增强木材光热转换能力的常用方法。简单的表面碳化（如500°C热板加热30秒）即可制备出双层全木结构蒸发器，其表面碳层能吸收99%的入射光，底部天然木材层则负责从海水或土壤中泵水。这种器件在10倍太阳光强下蒸发速率可达12.2 kg m^-2 h^-1，效率为90%，且产生的冷凝水能满足WHO和美国环境保护署的清洁水标准。

盐积累是蒸发器长期运行的主要挑战。通过在木材表面钻孔（~1 mm）再碳化，可以制造自再生太阳能蒸发器。钻孔通道与木材通道之间的水通量差异形成了面内浓度梯度，促使盐分自发交换回本体溶液中，从而实现了在20 wt% NaCl溶液中连续100小时无盐积累的稳定运行。

除了碳化，在木材表面涂层高吸收性材料（如CNTs、石墨烯、MXene、等离子体金属NPs）也是提升性能的有效手段。例如，CNT@WS蒸发器利用木材海绵独特的层状结构，实现了更快的输水速度和更低的蒸发焓，在高盐度盐水（20 wt%）中连续7天脱盐性能稳定。等离子体木材（如装饰有Ag, Au, Pd NPs）则利用等离子体效应和木材微通道的波导效应，实现了宽波长范围（200-2500 nm）99%的光吸收，在10倍太阳光强下蒸发速率高达11.8 kg m^-2 h^-1，并具备盐自清洁能力。

分子级设计为蒸发器带来了新思路。利用化学稳定的配位聚合物Ni-二硫代草酰胺（Ni-DTA）作为光热纳米材料构建的蒸发器，在1倍太阳光强下蒸发速率为2.75 kg m^-2 h^-1，效率达82%。模拟表明，Ni-DTA优异的水化能力降低了蒸发界面附近水分子的氢键密度，从而降低了等效蒸发焓。

挑战与未来展望

尽管WMMs在水处理领域展现出巨大潜力，但其大规模工业应用仍面临诸多挑战。首先，天然木材中木质素的存在限制了化学改性潜力，而当前的脱木质素过程往往涉及高化学品消耗和潜在二次污染，开发绿色、高效的脱木质素策略至关重要。其次，木材的生物可降解性在长期水环境中可能导致肿胀或腐烂，需要通过致密化或疏水化等处理增强其稳定性，并在实际环境条件下系统评估其长期性能。第三，目前WMMs的性能评估多在实验室使用模拟废水进行，真实水样的复杂性（如多种污染物共存、低浓度）会显著影响性能，需要在工程相关环境下进一步评估其韧性和耐久性。

规模化应用则受限于高质量均质木材的可得性、复杂天然孔结构带来的加工不一致性，以及对化学改性和功能化的严格要求。寻找合适的市场切入点（如偏远地区水处理、小型社区和应急供水系统）或许是解决可扩展性挑战的可行方案。此外，当前WMMs的再生方法效率低下且可能损伤结构，开发更耐用的材料（通过改进制备工艺或添加增强材料）和优化再生流程（降低能耗和成本）是未来的重点。最后，尽管木材本身是可再生资源，但其功能化过程可能耗能且成本高，功能改性剂（如纳米颗粒、化学品）的环境归宿也尚不明确。因此，进行全面的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），将WMMs与现有工业材料进行公平比对，对于推动其实际应用至关重要。

总之，木质整体材料凭借其独特的结构和性能优势，为开发下一代可持续水处理技术提供了充满希望的平台。通过持续的材料创新、性能优化和系统的可持续性评估，WMMs有望在应对全球水安全挑战中发挥越来越重要的作用。