De utmaningar som vi ställs inför på grund av den begränsade tillgången på rent vatten och de globala vattenföroreningarna har ökat behovet av nya och effektivare vattenreningstekniker. Dessutom har vårt ökade miljömedvetande uppmuntrat till en utveckling av miljövänliga och förnybara material och processer. Arbetet i denna avhandling har därför fokuserats på att utveckla effektiva adsorptionsmaterial, ifrån förnybara råvaror, för att eliminera organiska lösningsmedel, färgämnen och metalljoner ifrån olika vattenströmmar. Vi har valt att använda cellulosa, naturens vanligaste biopolymer, som basråvara i de nya material som utvecklats. Cellulosans utmärkta fysikaliska och kolloidala egenskaper, i form av nano-cellulosa, i kombination med en kontrollerbar ytkemi, har varit en grundförutsättning för att styra och kontrollera effektiviteten hos de utvecklade materialen.
Det primära syftet med den första delen av avhandlingen var att utveckla en molekylär skikt-för-skikt-modifieringsmetodik för att styra ytfunktionaliteten hos cellulosaaerogeler på ett jämt och kontrollerat sätt. Genom att sekventiellt belägga aerogelen med molekylära skikt av trimesoyl klorid(TMC) and m-xylylen diamin (MXD) skapades ytterst tunna polyamidbeläggningar på cellulosaaerogelerna, vilket omvandlade ytorna ifrån att vara hydrofila till att vara hydrofoba. De modifierade materialen visade sig väl lämpade att separera olja ifrån blandningar av vatten och olja.
Efter detta utvecklades en biohybridaerogel bestående av dels cellulosananofibriller (CNF) och dels av amyloidnanofibriller (ANF) som kunde prepareras genom en enkel värmebehandling av β-laktoglobulinprotein. Dessa aerogeler har en ytladdning som enkelt kan styras genom en pH-ändring och som beror av amfifiliteten hos det protein som används för att tillverka de ANF som används. Detta, i sin tur, gör det möjligt att adsorbera både katjoniska och anjoniska föroreningar och den mängd som kan adsorberas går att styra genom att ändra lösningarnas pH. Dessutom visade aerogelerna en anmärkningsvärd selektivitet för bly (II)-joner. Det visade sig också vara möjligt att regenerera och återanvända aerogelerna efter varje adsorptionscykel utan någon större förlust av deras adsorptionsförmåga. Grunden till detta var den utmärkta våtstabiliteten hos aerogelerna som skapdes genom att tvärbinda CNF:erna via en enkel frysning och smältning av vattenfasen, vilket eliminerade behovet av en kostsam frystorkning. För att minska inverkan av kapillärkrafterna under torkningen och för att undvika kollaps av aerogelerna visade det sig emellertid nödvändigt att använda ett lösningsmedelsutbyte till aceton efter smältningen. I en efterföljande undersökning utnyttjades skumningsegenskaperna hos det värmebehandlade β-laktoglobulinsystemet för att skapa mycket stabila sk. Pickering-skum genom att använda CNF:er som stabilisatorer och för att fysiskt låsa skummet genom en kontrollerad pH-sänkning. Intressant nog visade det sig också vara möjligt att ugnstorka dessa Pickering-skum utan att kollapsa strukturen, vilket resulterade i skummer med lågdensitet. Det visade sig också vara möjligt att kovalent låsa skummet genom att inkorporera kemiska tvärbindare i skum-formuleringen eller genom att förse den CNF som användes med dialdehydfunktionalitet. Denna tvärbindning gav också våtstabilitet åt de ugnstorkade skummerna.
Slutligen utvecklades en innovativ och miljövänlig metod för att öka laddningen hos cellulosarika fibrer och för att samtidigt skräddarsy fibrerna för en följande ymppolymerisation av akrylsyra till demodifierade fibrerna. Detta gjorde det möjligt att preparera fibrer med en exceptionellt hög laddning av 6,7 mmol/g. Med hjälp av denna höga laddningstäthet visade det sig att fibrerna hade en utmärkt förmåga att adsorbera metylenblått, som modellfärgämne, och bly (II), koppar (II) och zink (II) joner som modellmetalljoner. Detta visar också på den enorma användarpotential dessa högmodifierade fibrer har i olika typer av adsorbentapplikationer.