菠蘿是僅次于香蕉和芒果的第三大熱帶水果。2017年全球菠蘿產(chǎn)量約為2740萬噸。預(yù)計到2028年,全球菠蘿產(chǎn)量將以每年1.9%的速度增長,達到3100萬噸。喜歡吃菠蘿的朋友們在購買菠蘿的時候,肯定只關(guān)心那現(xiàn)切的可口果肉,那有沒有人知道那些切下的余料怎么處理呢?在菠蘿的收獲和去皮過程中,會產(chǎn)生諸如果皮、樹冠、葉子和果核等副產(chǎn)品,它們占新鮮菠蘿重量的30–35%,即每年全球能夠產(chǎn)生約7640萬噸的菠蘿副產(chǎn)物。盡管菠蘿葉中的纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,但由于缺乏突出的應(yīng)用成果,回收利用菠蘿葉廢料的工作也難有動力,大多數(shù)農(nóng)民仍將廢料丟至垃圾填埋場或在露天場地焚燒,導(dǎo)致了一些環(huán)境和健康問題。垃圾填埋場中有機廢物的分解會釋放出難聞的氣味和溫室氣體,例如甲烷和二氧化碳。因此,尋找可持續(xù)的方法來促進菠蘿廢料的再利用變得極為重要。
新加坡國立大學(xué)Hai M.Duong等人將從菠蘿葉廢料中提取的菠蘿葉纖維轉(zhuǎn)變成高度多孔的氣凝膠,以用于高價值的工程應(yīng)用,來促進市場對農(nóng)業(yè)廢料的重新利用。菠蘿氣凝膠是基于活性炭和二亞乙基三胺來制備和改性的,具有多孔結(jié)構(gòu),孔隙率為91.1–96.4%,密度為32.2–92.6 mg / cm3。該菠蘿氣凝膠具有出色的乙烯吸附能力,在大氣壓下的最大吸附能力為1.08 mmol / g,超過了商用乙烯吸收劑的吸附能力(0.157 mmol / g)。此外,該菠蘿氣凝膠還顯示出良好的鎳離子吸附能力,最大吸附容量為0.835 mmol / g。由此可見,該菠蘿氣凝膠有望應(yīng)用于食品保鮮中的乙烯捕獲以及廢水中的鎳離子去除。該研究以題為“Functionalized pineapple aerogels for ethylene gas adsorption and nickel (II) ion removal applications”的論文發(fā)表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上。
【菠蘿氣凝膠的制備】
作者采用先將菠蘿纖維和聚乙烯醇(PVA)/羧甲基纖維素鈉粉末(CMC)共混,然后烘干固化,最后冷凍干燥的方法制備了三種菠蘿氣凝膠,純的菠蘿纖維氣凝膠(PA)、活性炭改性的菠蘿氣凝膠(AC-PA)以及二亞乙基三胺改性的菠蘿氣凝膠(DETA-PA)。不同比例尺下的PA和改性PA(AC-PA和DETA-PA)的SEM圖像如圖1所示??梢钥吹?,由于菠蘿纖維之間相互連接,PA展現(xiàn)出了高度多孔的結(jié)構(gòu)。雖然AC-PA由于其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的致密結(jié)構(gòu),使其無法像PA那樣多孔,但在AC-PA的菠蘿纖維之間仍然可以發(fā)現(xiàn)大量的小孔,這有助于保持其良好的孔隙率(95%以上)。對于用DETA改性的菠蘿氣凝膠,可以觀察到菠蘿纖維被DETA層包裹,并通過PVA交聯(lián)在一起。同時,DETA-PA也存在一定的空隙,孔隙率可以保持在91%以上。
圖1 三種氣凝膠的SEM圖像
【乙烯吸附能力】
不同菠蘿纖維濃度、PVA / CMC濃度對AC-PA的乙烯吸附容量的影響如圖2所示??梢钥闯?,AC-PA的吸附容量隨著菠蘿纖維濃度和PVA / CMC濃度的降低而增加。在最優(yōu)配比2 wt%的PA,1 wt%的AC和0.1 / 0.1 wt%的PVA / CMC下,AC-PA能達到的最高吸附容量為1.08 mmol / g。圖2c表明乙烯的吸附隨AC的濃度增加而增加,隨PF和PVA / CMC濃度的增加而降低。純的PA沒有表現(xiàn)出對乙烯氣體的吸附能力,這可能是由于缺乏環(huán)烯烴和AC微孔。在圖2d中,作者證實了AC-PA的乙烯吸附-脫附可逆性。隨著壓力的變化,吸附是完全可逆的。此外,發(fā)現(xiàn)通過升高溫度可以容易地逆轉(zhuǎn)氣體的物理吸附。這表明AC-PA可以通過在減壓或升高溫度的情況下解吸吸附的乙烯氣體來恢復(fù)其全部的吸附容量,從而突顯出了AC-PA的可重用性優(yōu)勢。作者還將其與目前的商業(yè)吸附劑相比,AC-PA也展現(xiàn)出了明顯的競爭優(yōu)勢。
圖2 菠蘿氣凝膠用于乙烯吸附
【去除廢水中鎳離子】
對DETA-PA吸附鎳(II)離子容量的影響如圖3a所示。作者觀察到DETA-PA表現(xiàn)出pH響應(yīng)的吸附行為,隨著pH的增加,吸附量穩(wěn)定增加。圖3(b–c)中顯示,在最初的一個小時內(nèi),吸附速度很快,并且在2小時后吸收達到平衡。如圖3b所示,鎳(II)離子的吸收隨著菠蘿纖維濃度的增加而增加。圖3c顯示了在不同的DETA濃度下的DETA-PF氣凝膠的吸附動力學(xué)??梢钥吹?,隨著DETA濃度的增加,鎳(II)離子的吸附量增加。作者將其他植物纖維和商業(yè)材料進行同樣的DETA修飾,并與DETA-PF進行對比,發(fā)現(xiàn)芋頭秸稈的最大吸附量為0.529 mmol / g,天然黏土為0.213 mmol / g,改性的納米纖維為0.8 mmol / g,改性的石墨烯為0.113 mmol / g。結(jié)果表明,相比其他天然或合成的吸附劑,DETA-PA具有明顯的競爭優(yōu)勢(0.835 mmol / g)。
圖3菠蘿氣凝膠應(yīng)用于廢水中鎳離子的去除
總結(jié):作者通過使用PVA / CMC交聯(lián)劑和冷凍干燥法,成功地用AC和DETA對PA進行改性。改性的PA具有高孔隙率、低密度,適用于乙烯氣體吸附和鎳離子去除。AC-PAs具有出色的乙烯氣體吸附性能,在大氣壓下的吸附容量高達1.08 mmol / g,超過了商用乙烯吸收劑的吸附容量(0.157 mmol / g)。此外,DETA-PAs在水溶液中表現(xiàn)出良好的鎳離子吸附能力,吸附容量高達0.835 mmol / g。改性的PA具有高吸附能力和吸附速率,可以成為食品保鮮中捕獲乙烯和去除廢水中鎳離子的潛在候選者。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2213343720308733?via%3Dihub