综述：木质素提取研究及其功能复合材料在油水分离中的应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Lignin extraction studies and its functional composites: oil-water separation applications

　　本综述系统阐述了木质素分离膜（LSMs）的原料获取与工程设计新视角，重点分析了通过界面选择性润湿性调控提升膜分离效率的策略。文章详细总结了木质素在吸附分离中的应用途径及其材料/结构设计，为开发具有多种环境应用的高效LSMs提供了创新性指导（涉及界面设计、分离效率>99.46%等关键指标）。

　　

Abstract

木质素分离膜（LSMs）已广泛应用于水处理系统，其性能主要取决于界面设计。界面设计不仅影响接触角，还调节单一组分通过膜的传输速度，从而影响分离效率。尽管LSMs在市场上的应用尚未成为主流，但其出现为油水分离膜的发展提供了创新策略。本综述从新视角总结了LSMs的原料获取和原理工程设计，包括木质素的来源以及在应用中调整界面选择性润湿性的各种指标分析，以提高膜的分离效率，从而细化LSMs的多功能开发。本文概述了木质素的获取方式，并分析了用于实现吸附、分离的策略以及每种策略背后的相关材料/结构设计，为未来具有多种环境应用的LSMs设计和优化提供了指导。

Introduction

木质素是一种复杂的天然芳香族化合物，以苯丙烷为结构单元，常见于木材和草类中，与纤维素和半纤维素统称为木质纤维素，它们是共同构成植物细胞壁的重要有机化合物。它是自然界中含量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，也是工业生产中唯一可从自然界获取的天然酚类聚合物。木质素在植物生长中必不可少，尤其是在茎和树皮中，它们赋予刚性，并能有效抵抗某些微生物并解决暴露于阳光下的问题。它能适应各种气候天气和区域，因此分布广泛，这也是其价格低廉的优势之一。自然界中的多种微生物已进化出降解木质素的能力，从而驱动木质素分解代谢并完成自然碳循环。因此，木质素已广泛应用于现实生活的各个方面。

油污染废水长期以来一直是亟待解决的全球性紧迫问题。采用“以废治废”的原则作为其管理的出发点，是与主流趋势相符的最具前瞻性的方法之一。在复杂环境区域，多种油类往往同时存在，包括轻油、重油和乳液。其中，乳液的分离相对困难。分离膜技术是一种极具前景的水净化生产方法，因为它可以分离各种形式的油类。与难以降解的聚合物复合膜材料相比，木质素可作为掺杂剂、改性剂、还原剂、催化剂或载体，用于制定合成木质素分离膜（LSMs）的策略，以实现含油废水的高效分离。这种分离是利用油和水相对于团聚材料的不同亲和力，使细小的油珠在团聚材料表面变成大颗粒或油膜，从而实现油水分离的过程，是一种有前景的新材料。根据油在水体中存在的形式，含油废水可通过三步过程进行分离和纯化：聚集、相分离和收集。聚集是液体间键合力自发组织在一起的过程，水分子首先会与相邻的极性分子相互吸引形成氢键并结合，但与油分子之间仅存在弱范德华力。由于氢键力强于范德华力且两者密度不同，水和油不仅不会溶解，还会分层。收集是一种易于操作的技术，其效率与复合膜的性质有关，在迄今研究的复合分离膜中，分离效率高达99.46%。目前，许多地区仍面临尚未解决的油污染废水污染这一持久挑战。因此，应推进环境可持续的LSMs材料研究，使其能够便携应用于受油污染的水域，并且必须继续加强相关工作。

去年，He及其团队详细综述了木质素基多孔复合材料的研究进展。该综述详细比较了木质素在气凝胶、纸、海绵和泡沫等分离膜中的最新应用，为深入研究木质素基多孔材料奠定了基础。自然界是一个迷人的舞台，整个生物圈都需要利用其优势生存。如何高效提取木质素这类交联三维网络结构一直是科学家们头疼的问题。因此，木质素及其衍生物的获取在生物质基油水分离膜领域引起了越来越多的关注。

在本综述中，我们通过分离膜的结构设计机制，探索了用于高效油水分离的含油废水分离关键组装位点。从分离膜的结构出发，我们将重点理解如何在界面进行改性、操纵界面结构以及调整孔径的机制，并利用这些原理在木质素功能材料分离膜（LFMSM）中实现高效的油水分离。接下来，对木质素功能材料（LFM）的获取进行了讨论。然后讨论了不同技术下LFM在分离膜构建过程中的应用策略，并分析了实现吸附和分离的策略以及每种策略背后的相关材料/结构设计。最后，展望了下一代LFMSM面临的挑战和方向。

Key Components for Separation Membrane Construction

在典型的分离膜设计中，采用三明治型结构，设计过程类似于三明治的生产。分离膜是一种对固体基底进行表面改性以获得选择性润湿性界面的功能膜。基底表面通常使用硅烷、有机硅或氟化物进行改性，这种改性会导致表面能急剧下降。具体来说，改性剂中烷基链（-R）的存在……

Acquisition of LFM

木质纤维素纳米纤维（LCNFs）作为一种新兴的可再生和可回收材料，受到了科学家们的广泛关注。传统上，科学家们认为木质素在LCNFs的应用中积极作用有限，因此常常通过某些手段完全去除木质素。目前，化学和物理方法广泛应用于实验室研究中的木质素提取，并且经常结合使用以优化提取效率。化学方法……

Application of lignin in oil-water separation

在前一节中，我们讨论了木质素的不同提取方法。众所周知，木质素是一种多环聚合物有机物质，含有紫丁香基丙烷单元（S）、愈创木基丙烷单元（G）和对羟基苯基丙烷单元（H）。由于木质素分子结构中含有醇羟基、共轭双键、芳香环和酚羟基等活性基团，它可以发生氧化、还原等多种化学反应……

Conclusion and Outlook

受仿生学启发，通过模仿仿生表面工程的持续进展，在设计选择性润湿性界面方面取得了重要进展。为了改善日益复杂的废水环境与选择性润湿性界面利用之间的匹配度，有许多领域需要进一步研究。用于含油废水分离的木质素掺杂选择性润湿性界面的设计和开发受到了广泛关注……

CRediT authorship contribution statement

Jibin Song: 审阅与编辑，监督。 Jingyi Sun: 监督。 Jianfei Sun: 验证。 Jiaxin Niu: 监督，形式分析。 Yuhui Jiang: 初稿撰写，软件，方法论，形式分析，概念化。

Declaration of Competing Interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响工作报告。

Acknowledgments

这项工作得到了国家自然科学基金（编号 U21A20377, U22A20348）、国家重点研发计划（编号 2023YFB3810002）、中央高校基本科研业务费（编号 buctrc202235, ZY2424）、山东省科技厅项目（编号 2024TSGC0411, 2025TSGCCZZB0510, 2025TSGCCZZB0531）以及齐鲁理工学院研究计划（编号 QIT24NN002, QIT24TP012）的资助。