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(dá)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(jī)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(jìn)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(jìn)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?？梢钥吹剑捎诓ぬ}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(dá)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(shí)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(dá)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(jìn)行同樣的DETA修飾，并與DETA-PF進(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2213343720308733?via%3Dihub
