Неустойчивое движение индустриализации способствовало прямым и масштабным сбросам сточных вод в окружающую среду из различных отраслей промышленности, что в конечном итоге привело к экологическому нарушению разнообразия водной биоты и окружающей среды. Эта эскалация загрязнения воды — питьевой, грунтовой и поверхностной, побудила исследователей уделить первоочередное внимание открытию и разработке эффективных методов очистки. Внедрение химикатов, пластика и токсичных загрязнителей, усиленное коммерциализацией и индустриализацией, опередило способность этих сущностей удаляться от планетарных границ, что привело к образованию вредных и токсичных химикатов, загрязняющих атмосферу и связанные с ней водоёмы. Таким образом, очистка или удаление этих вредных и опасных материалов из системы сточных вод с использованием экологически чистых методов стало более насущной необходимостью.
Адсорбция различными природными и синтетическими системами (двумерными материалами, цеолитами, наноматериалами, полимерами, натуральными волокнами) используется для лёгкого и эффективного удаления токсичных веществ, таких как тяжёлые металлы и органические материалы, из различных сточных вод текстильных и промышленных производств. Однако применение натуральных волокон (НВ), которые известны своей экологичностью и устойчивостью, открывает новый и устойчивый метод очистки воды путём интеграции возможностей природы в области очистки воды с наукой и технологиями. Нановолокна становятся эффективной альтернативой традиционным адсорбентам и синтетическим волокнам в очистке сточных вод от различных загрязняющих веществ.
Многие из материалов, применяемых сейчас для этой цели, не обладают биоактивностью, биоразлагаемостью, биосовместимостью и безопасностью, которые имеют решающее значение в сегодняшнюю эпоху экологического сознания, что ограничивает их полный потенциал. Очистка с использованием биоугля, полученного из различной биомассы путём пиролиза , является одним из самых ранних и наиболее широко используемых методов адсорбции токсичных веществ, поскольку он популярен из-за его обильных поверхностных функциональных групп, большой площади поверхности и катионообменной ёмкости. Существуют также другие пути максимальной эффективности поглощения вредных веществ из воды — например используют некоторые виды водорослей, как Chlorella pyrenoidosa и Scenedesmus obliquus, которые обладают способностью адсорбировать норгестрел, прогестерон, метан, красители и пестициды и широко используются в фиторемедиации.
Другие различные методы устранения примесей из сточных вод включают обратный осмос, ионный обмен, мембранное разделение, химическое осаждение и другие. Но среди них всех всё-таки адсорбция обеспечивает существенные преимущества, включая экономическую эффективность, адаптивность, простоту конструкции, рентабельность и при этом предотвращает образование вторичных загрязнителей. Эффективность адсорбции зависит от выбора абсорбента, поскольку успех этого метода в значительной степени зависит от конкретных характеристик и свойств, присущих выбранному активному фильтру. Однако за последние несколько десятилетий пагубное воздействие различных видов химических адсорбентов на биологический материал стало предметом серьёзной озабоченности общества.
Сейчас внимание учёных направлено на природные и возобновляемые биосорбенты. Понятие «биоразлагаемый адсорбент» охватывает широкий спектр материалов, включая сельскохозяйственные отходы, различную биомассу, микроорганизмы, различные полисахаридные материалы и и даже некоторые промышленные отходы. Но натуральные волокна, как новая категория волокнистых материалов, представляют особые преимущества перед другими адсорбентами из-за высокой удельной экономической эффективности, лёгкости получения и применения, биоразлагаемости, настраиваемых функций и повсеместной доступности.
Свойства сточных вод используются для определения потенциально возможных неблагоприятных последствий воздействия на растения и животных. По этой причине идентификация опасности является первым этапом оценки риска — так как в природу могут попадать ионы металлов, гербициды, органические анионы, различные виды пластика и более агрессивные химикаты, смертельные для всего живого. Например, хром — это ион металла, который полезен как основной минерал для метаболизма глюкозы (физиологическая функция) и в промышленности в основном используется для дубления кожи, окрашивания текстиля и отделки металлических поверхностей. Но его вредное воздействие на флору и фауну включает ингибирование роста растений и цитотоксичность у животных, что приводит к гибели клеток.
Повышенный интерес к натуральному волокну, как эффективному адсорбенту, сопровождался значительным спросом как со стороны рынка, так и различных отраслей промышленности, тем более, что его в основном получают из растений. НВ обладают такими качествами, как возобновляемость, биоразлагаемость, разнообразные характеристики, эратичность, CO2- нейтральность, способность к регенерации. Они подразделяются на два разных основных класса (растительного и животного происхождения).
Растительные волокна обычно состоят в основном из целлюлозы и демонстрируют различные характеристики, включая гидрофильные свойства, технологичность, нерастворимость в многочисленных растворителях из-за водородных связей и кристалличности, а также нетоксичность, а основной компонент натурального волокна включает лигнин, пектин, целлюлозу (α-целлюлозу), гемицеллюлозу и воски. Натуральные волокна для обработки воды получают из таких растений, как как хлопок, сизаль, джут, бамбук, кенаф, бананы и других. Поглощение воды зависит от уровня влажности окружающей среды. Степень кристалличности и чистоты целлюлозы оказывает влияние на изотерму целлюлозного материала. Вода может взаимодействовать с гидроксильными группами в аморфной фазе, поскольку только ограниченная часть воды взаимодействует с гидроксильными группами на поверхности кристаллической фазы.
Клетчатка животного происхождения, как правило, состоит из белка. Эти белки естественным образом образуются у животных в результате конденсации альфа-аминокислот, и они образуют повторяющиеся полиамидные звенья на альфа-углероде, которые имеют разные заместители. Животные белки обладают умеренной прочностью и гибкостью, отличной адсорбционной способностью, некоторой кислотостойкостью и антистатическими свойствами — благодаря всем этим качествам их используют при очистке сточных вод. Они подразделяются на шерстяное, шёлковое или птичье волокно.
По сравнению с традиционными, использование натуральных материалов в качестве адсорбирующего агента значительно помогает решить важнейшую проблему загрязнения воды. Использование их для сбора из воды красителей, тяжёлых металлов, токсинов, нанопластиков и различных загрязняющих веществ из промышленных стоков, обладает многочисленными преимуществами, заслуживающими внимания. Они широко доступны, и их можно собирать экологическим способом, снижая воздействие на окружающую среду, связанное с их производством и утилизацией. Высокое соотношение размеров и пористость, которые являются важными свойствами для процессов адсорбции, обеспечивают более тесное взаимодействие между волокнами и загрязнителями, повышая эффективность очистки. Кроме того, наличие различных функциональных групп, таких как аминные (-NH2), карбоксильные (-COOH) и гидроксильные (-OH) группы, которые могут выступать в качестве мест связывания загрязняющих веществ, способствует адсорбции широкого спектра загрязняющих веществ.
В настоящее время инновационных технологий, с помощью мощных серверов и искусственного интеллекта, исследуются различные эффекты от комбинации нескольких агентов на натуральной основе, для применения в промышленных системах фильтрации для вредных производств. Например, такими методами была исследована потенциальная возможность применения функционализированных волокнистых материалов с использованием модифицированного PAN (полиакрилонитрилом) и люффы (Luffa cylindrica) для эффективного адсорбирования урана из концентрированной опреснённой морской воды, демонстрируя перспективность их практического применения.
Для извлечения токсинов, продуцируемых бактериями, исследователи использовали активированное углеродное волокно, комбинируемое с использованием натурального волокна, полученного из скорлупы орехов макадамия, жома сахарного тростника, остатков сосновой древесины, высушенного эндокарпа кокосовой скорлупы и незрелого мезокарпа кокосовой пальмы. Всего за 10 минут времени контакта с водой, такой абсорбер удаляет 98% загрязняющих веществ.
Уже создаются целлюлозные волокна с поверхностной функционализацией , используемых для удаления пластиковых частиц из воды. Эти волокна проявляют наивысшее сродство к различным полимерным распространённым материалам, демонстрируя исключительную эффективность адсорбции 97%, 98% и 99% для наночастиц полиметилакрилатов, пластиков ПВХ и PVA соответственно. Также с использованием химически модифицированных натуральных волокон (неацетилированного и ацетилированного лигноцеллюлозного волокна) начинают очищать воду, загрязнённую сырой нефтью. Очень перспективным представляется инновационное использование натуральных волокон, извлечённых из отходов скорлупы каштанов, для разделения масла и воды и адсорбции красителей, подчёркивая их потенциал как экономически эффективного и экологически чистого решения. Волокна скорлупы каштана, по своей природе гидрофобные и олеофильные, получают из отходов, образующихся при переработке каштана — они уникальными химическими и физическими свойствами, которые делают их идеальными для вышеуказанных процессов.
Применение натуральных волокон для очистки сточных вод представляет собой убедительную стратегию, которая обеспечивает множество преимуществ благодаря их присущим адсорбционным свойствам. Этот метод признан чрезвычайно эффективным для устранения широкого спектра сточных вод, включая органические загрязнители, тяжёлые металлы и красители. Хотя нановолокна в настоящее время используются для очистки воды, необходимы дальнейшие усилия по исследованию комбинированного метода, который повышает эффективность удаления сточных вод путём сочетания адсорбента из натуральных волокон с дополнительным методом очистки. Кроме того, следует проанализировать экономическую целесообразность технологии переработки натуральных волокон для увеличения промышленного производства и изучить неизвестные натуральные волокна, которые могут обладать адсорбционными свойствами.