科学家让海鲜垃圾变身新型环保材料！近日，yl6776永利集团张建明教授团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表了突破性成果——他们将餐桌上常见的鱿鱼骨"变废为宝"，提取出直径为1.2纳米的超细β-甲壳素天然纤维（相当于人类头发丝的六万分之一）。由这种超级材料制成的滤膜展现出惊人性能：纯水通量高达46,207 L·h^-1·m^-2·bar^-1。该滤膜可通过厚度调节实现纳米级过滤——100纳米塑料微粒截留率高达100%，对尺寸仅为1.5纳米的罗丹明B染料分子（

相当于新冠病毒尺寸的1/50）仍保持99.2%的超高截留率。该工作又结合纳米材料工程、数学模型和可持续性评估（生命周期评估LCA和技术经济评估TEA），为传统膜提供了一种可扩展且环保的替代方案，为可持续水净化技术设立了新标准，为全球水污染治理提供了革命性的绿色解决方案。从海洋深处到实验室：背后的自然密码藏在鱿鱼骨内部的纳米纤维中。经APS氧化剥离工艺激活的负电荷网络（zeta电位-49mV），将膜孔隙率推至74.8%，形成水流超高速通道。更突破认知的是：当膜厚度减至124纳米时，通量增益突破传统线性模型，实现跃升。环保与商业价值同样耀眼：基于gate-to-gate生命周期评估，单张膜碳足迹仅6.19×10⁻⁴kg CO₂（≈生产0.00107 度电）；6克废骨即可转化14,000张膜（单张≈17 cm²）。

图1：从鱿鱼骨生物废物到过滤系统的路径。A) 全球鱿鱼年捕获重量。B) L-鱿鱼和O-鱿鱼及其相应骨骼的照片。C) β-相几丁质纳米纤维（β-ChNF）与骨骼之间关系的示意图。D) β-ChNF的化学结构。E) 生物废物来源的超渗透过滤器（BUF）的示意图和照片，以及相应的注射器装置（比例尺，1 cm）。F) 不同ChNF负载质量的BUM性能（比例尺，1 cm）。

图1展示了从鱿鱼骨生物废弃物到高性能过滤膜的全流程。首先通过全球鱿鱼年捕捞量数据（约450万吨）说明原料来源的充足性（图1A）。随后对比了枪乌贼科（L-squid）和柔鱼科（O-squid）骨骼的形态差异（图1B），并解析了其核心结构——β-甲壳素纳米纤维（β-ChNF）被蛋白质外壳包裹的特征（图1C）。图1D进一步展示了β-ChNF的化学结构，其平行排列的N-乙酰葡糖胺链减少了分子内氢键，增强了化学修饰潜力。最终通过示意图和实物照片（图1E-F）呈现了生物废弃物超渗透滤膜（BUM）的制备过程，并证明通过调节ChNF负载量可精确控制膜厚度（124 nm至1.8 μm）与污染物截留率（如100 nm纳米塑料100%截留）。

 图2：来自不同生物来源（分别来自墨鱼科和枪乌贼科）的ChNFs构建块。A,B) ChNFs悬浮液在不同超声间隔时间下的透射率A)和丁达尔效应B)。C,D) L-ChNFs C)和O-ChNFs D)的AFM图像（比例尺，1 μm）。E) 通过小提琴图对ChNF厚度分布的统计分析。F,G) L-ChNFs F)和O-ChNFs G)的TEM图像（比例尺，100 nm）。H) 通过小提琴图对ChNF宽度分布的统计分析。I) L-和O-ChNFs的Zeta电位及其相应的羧酸盐浓度。J) 不同浓度的L和O-ChNF悬浮液的粘度。K) L-和O-ChNFs的FTIR光谱。

图2系统比较了两种鱿鱼骨（L-与O-）提取的ChNF性能差异。光学测试显示，L-ChNF分散性显著优于O-ChNF，超声6分钟后悬浮液透光率达99.4%（O-ChNF为95.1%），且丁达尔效应更弱（图2A-B）。AFM和TEM分析（图2C-H）证实L-ChNF具有超薄特性（平均厚度1.2 nm，宽度2.2 nm），其中25%纤维仅由2分子层构成，创下纤维材料厚度新纪录。化学表征表明，L-ChNF因更高效的APS氧化而具有更高的羧基含量（1.49 mmol/g vs 0.85 mmol/g），使其在碱性环境中zeta电位绝对值达49 mV（图2I），粘度提升超100 mPa·s（图2J）。FTIR光谱（图2K）进一步揭示L-ChNF具有更发达的氢键网络，这与其优异的胶体稳定性密切相关。

图3：由 ChNF 构建块构建的 BUM 的结构和水通量。A–C) 纤维素支撑体的横截面 SEM 图像 (A; 比例尺, 10 μm)；由纤维素支撑体和 ChNF 膜组装的 BUM 的照片 (B; 比例尺, 0.5 cm)；ChNF 膜的横截面 SEM 图像 (C; 比例尺, 100 nm)。D,E) L-ChNF 膜 D) 和 O-ChNF 膜 E) 的 AFM 图像 (比例尺, 200 nm)。F) L-ChNF 和 O-ChNF 膜的厚度和孔隙率之间的关系。G) 本工作中的 BUFs 与其他报道的薄过滤器的纯水通量比较。

图3揭示了BUM的多尺度结构特征与性能机制。SEM图像显示，商业纤维素基底具有微米级孔隙（图3A），而ChNF涂层使其表面形成致密网络（图3B-C）。AFM分析表明，L-ChNF膜因纤维更细且电荷排斥更强，其表面粗糙度（RMS=1.5 nm）显著低于O-ChNF膜（5.4 nm），并形成更开放的孔隙结构（74.8%孔隙率 vs 33.6%）（图3D-F）。性能测试中，L-BUM在124 nm厚度时纯水通量高达46,207 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，超越所有已报道的纳米过滤膜（图3G）。通过建立模型（结合Hagen-Poiseuille，孔隙率与迂曲度），研究证明超薄膜的通量提升源于厚度减小导致的孔隙率非线性增加（d(lg f)/d(lg T) < -1），突破了传统线性理论的预测。

图4：BUF 用于水净化的过滤性能。A–C) 具有 2.25 mg ChNF 膜的 BUFs 的罗丹明 B (RhB) 进料溶液和滤液的 UV-Visible 光谱 A)；显示 RhB 在 L-BUF 上的截留、进料溶液和相应滤液的照片 (B; 比例尺, 1 cm)；BUFs 的通量和截留性能 C)。D–F) 具有 0.15 mg ChNF 膜的 BUFs 的 50 nm 聚苯乙烯 (PS) 颗粒进料悬浮液和滤液的 UV-Visible 光谱 D)；L-BUF 上 RhB 截留、进料悬浮液和滤液的照片 (E; 比例尺, 1 cm)；L-BUF 的通量和截留性能 F)。G) 具有 0.05 mg ChNF 的 L-BUF 对 50 nm 和 100 nm PS 悬浮液的过滤性能。H) 具有 0.5 mg ChNF 膜的 BUFs 的 10 nm MgO 颗粒进料悬浮液和滤液的 UV-Visible 光谱。I) L-BUF 对 0.01% 10 nm MgO 悬浮液的长期通量和截留性能。

图4全面评估了BUM对不同尺度污染物的截留能力。对于1.5 nm罗丹明B染料，1.8 μm厚L-BUM通量达615 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹（截留率99.2%），其滤液透明度明显高于O-BUF（图4A-C）。在纳米塑料过滤中，0.15 mg ChNF负载的L-BUM对50 nm颗粒实现100%截留（通量762），而100 nm颗粒因堵塞减少，通量跃升至8,132（图4D-G）。加速老化实验采用10 nm MgO悬浮液连续过滤57小时（图4H-I），初始通量490 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹虽随污染物吸附逐渐降至55，但全程保持100%截留，累计处理734.5 mg污染物，证明其工业应用潜力。值得注意的是，这些污染水通量甚至超过多数商业膜的纯水通量。

图5：L-BUM 的 LCA 和 TEA 评估。A) 从门到门（红色虚线，系统边界）生命周期评估 (LCA) 的示意图，用于 1 个产品（1 片 BUM）。B–D) 碳足迹 B)、能源需求 C) 和环境损害潜力 D) 的不确定性分析。E) 实验室规模 BUF 生产的 TEA 建模的示意图工作流程。F) 单批次 BUF 生产期间的设备占用（从 6 g SPW 到 14 000 片 BUMs）。G) BUM 生产的经济评估报告 (EER)。

图5通过生命周期（LCA）和技术经济分析（TEA）量化了BUM的环境与商业价值。LCA边界涵盖从鱿鱼捕捞到实验室成膜的"门到门"流程（图5A），结果显示单膜（含0.15 mg ChNF）碳足迹仅6.19×10⁻⁴ kg CO₂-eq，主要能耗来自真空过滤步骤（占比83.5%）（图5B-D）。TEA模型（图5E）指出，6克鱿鱼骨可生产14,000片BUM。实验室规模年运营成本$52,000（人力占74%）。尽管单批次耗时69.34小时（60小时用于逐片过滤），但经济指标亮眼：毛利率54.93%，投资回报率103.51%，净现值$230,000（图5F-G）。模拟表明，工业化放大后通过并行过滤设备可大幅提升效率，进一步强化其可持续竞争优势。

本研究成功将海鲜废弃物转化为全球性能领先的水净化膜，不仅刷新了过滤技术的极限，更开辟了一条“变废为宝”的可持续发展路径。通过精准调控鱿鱼骨衍生的β-甲壳素纳米纤维（ChNF），我们开发的超薄膜（124 nm）实现了46,207 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹的惊人水通量，同时保持对100 nm的纳米塑料100%的截留。当其厚度为1.8μm时，对和染料分子的截留为99.2%。这一性能远超现有商用膜技术，而其原料成本近乎为零——仅需6克鱿鱼骨即可生产14,000片滤膜，完美诠释了循环经济的核心价值。自然赋予灵感，科技重塑未来——从海洋废弃物到生命之源，我们正书写净水革命的新篇章。

该工作第一作者为永利官网黄莎莎博士，通讯作者为yl6776永利集团的张建明教授和其团队青年老师李柏霄。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508514