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随着人们饮食习惯的改变,畜牧业得以快速发展。不过,牛、羊、猪等大型家畜的粪便,早已超出环境负荷。英国科学家为了解决这一问题,开发出从牛粪中提取纤维素制成纺织材料的新技术,并将其应用于日常用品的生产。
有研究显示,全球养殖业产生的粪便数量,在短短20年间快速增长超过40%,总重量约50亿吨。这导致庞大的动物粪便无法完全被有效利用,常被排入水道、河川和大海中,不仅严重影响当地的生态环境,还可能把疾病传给人类。
先前,人们将动物粪便用于作物肥料、燃料、房屋隔热材料。随着人们对动物废弃物研究的深入,科学家开始从粪便中提取纳米纤维素等高价值物质,将其提炼成具有高价值的产品。
这次英国伦敦大学机械工程系的研究团队开发了一项新技术,从收集的牛粪中提取纤维素,再将其制造成外科口罩、食品包装等各类产品。这项研究成果于4月中旬发布在《清洁生产杂志》上,并获得英国研究与创新署的资助。
纤维素是目前世界上最常使用的材料之一,它存在于植物的细胞壁,于19世纪中叶工业革命起被广泛提取,做成合成材料。如今它已广泛用于制造保鲜膜、医用口罩、纸制品、纺织品、食品和药品等产品中。
该团队首先将含纤维素(1.6-23.5%)、半纤维素(1.4-12.8%)和木画质(2.7-13.9%)的生牛粪样本晾干,再放入烘箱进行烘干消毒。
随后,他们把干燥的牛粪研磨,并筛分成较小的颗粒,再通过冰醋酸、次氯酸钠溶液、氯化钠(NaCl)、氢氧化钠(NaOH)等化学药品,去除牛粪里面的蛋白质、脂肪、碳水化合物等非纤维素的物质,再通过机器提取里面的纳米纤维素。
实验人员采用改良过的“湿式水平喷嘴加压纺丝技术”(NPS),是通过高速旋转和压力将纳米纤维素从喷嘴喷出,再将纤维素接触水后形成带状、网状物和薄膜纤维。这种新技术是一种节能工艺,无需静电纺丝等其它纤维生产技术所需的高电压。
实验人员表示,研究仍处于早期阶段,但这些不同型态的纤维可用于包装、储能、电子和生物医药等领域上,因此相当的有潜力。
研究团队表示,改造现有加压纺丝机以适应新制程相对简单。不过,目前最大的挑战是牛粪的回收、运输物流与储藏。他们目前正在寻找与酪农合作,希望扩大生产规模,实现环境与商业双赢,让废弃物质能够循环再利用。
研究的资深作者、伦敦大学学院机械工程系教授莫汉?埃迪里辛哈对该校的新闻室说,“我们最初的问题是,是否有可能提取牛粪中存在的纤维素微小碎片(牛粪是动物食用植物后留下的),并将其制成可用的纤维素材料。”
埃迪里辛哈教授接着说,“从粪便中提取碎片相对简单,只需温和的化学反应和均质化,将其转化为液体溶液。然而,我们尝试使用过去的加压纺丝技术,却无法将这些碎片正常转化成纤维。”
他进一步解释,团队通过反复试验,发现使用带有表面喷嘴的水平容器(而非垂直容器),能成功把液体喷射至静止或流动的水中形成纤维素,还可通过改变液体的稠度,创造出例如网状、薄膜或带状纤维素,将它们运用到不同的场景。
埃迪里辛哈接着说,“我们还不太清楚这个过程为何有效,但它确实有效弄出我们要的纤维素。这种改良过的湿式水平喷嘴加压纺丝技术,其设备、容器是由本校设计和制造,因此扩大其规模相当容易。”
这项研究的第一作者、伦敦大学学院机械工程系的戴艳琪女士则表示,“奶牛场的牛粪等废弃物,因为污染人类水源、释放温室气体及传播病原体,已经对环境和人体构成威胁。若要妥善处理这些废弃物产生的成本,也会给农民带来负担。”
她接着说,“现在改良过的湿式喷嘴加压纺丝技术,不仅能充分的利用这些牛粪废弃物,甚至还可能为养殖业创造新的收入来源。”
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