变废为宝!菠萝除了吃,还可以这样用!

菠萝是仅次于香蕉芒果的第三大热带水果。2017年全球菠萝产量约为2740万吨。预计到2028年,全球菠萝产量将以每年1.9%的速度增长,达到3100万吨。喜欢吃菠萝的朋友们在购买菠萝的时候,肯定只关心那现切的可口果肉,那有没有人知道那些切下的余料怎么处理呢?在菠萝的收获和去皮过程中,会产生诸如果皮、树冠、叶子和果核等副产品,它们占新鲜菠萝重量的30–35%,即每年全球能够产生约7640万吨的菠萝副产物。尽管菠萝叶中的纤维表现出优异的性能,但由于缺乏突出的应用成果,回收利用菠萝叶废料的工作也难有动力,大多数农民仍将废料丢至垃圾填埋场或在露天场地焚烧,导致了一些环境和健康问题。垃圾填埋场中有机废物的分解会释放出难闻的气味和温室气体,例如甲烷和二氧化碳。因此,寻找可持续的方法来促进菠萝废料的再利用变得极为重要

新加坡国立大学Hai M.Duong等人将从菠萝叶废料中提取的菠萝叶纤维转变成高度多孔的气凝胶,以用于高价值的工程应用,来促进市场对农业废料的重新利用菠萝气凝胶是基于活性炭和二亚乙基三胺来制备和改性的,具有多孔结构,孔隙率为91.1–96.4%,密度为32.2–92.6 mg / cm3。该菠萝气凝胶具有出色的乙烯吸附能力,在大气压下的最大吸附能力为1.08 mmol / g,超过了商用乙烯吸收剂的吸附能力(0.157 mmol / g)。此外,该菠萝气凝胶还显示出良好的镍离子吸附能力,最大吸附容量为0.835 mmol / g。由此可见,该菠萝气凝胶有望应用于食品保鲜中的乙烯捕获以及废水中的镍离子去除。该研究以题为“Functionalized pineapple aerogels for ethylene gas adsorption and nickel (II) ion removal applications”的论文发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上。

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【菠萝气凝胶的制备】

作者采用先将菠萝纤维和聚乙烯醇(PVA)/羧甲基纤维素钠粉末(CMC)共混,然后烘干固化,最后冷冻干燥的方法制备了三种菠萝气凝胶,纯的菠萝纤维气凝胶(PA)、活性炭改性的菠萝气凝胶(AC-PA)以及二亚乙基三胺改性的菠萝气凝胶(DETA-PA)。不同比例尺下的PA和改性PA(AC-PA和DETA-PA)的SEM图像如图1所示。可以看到,由于菠萝纤维之间相互连接,PA展现出了高度多孔的结构。虽然AC-PA由于其交联网络的致密结构,使其无法像PA那样多孔,但在AC-PA的菠萝纤维之间仍然可以发现大量的小孔,这有助于保持其良好的孔隙率(95%以上)。对于用DETA改性的菠萝气凝胶,可以观察到菠萝纤维被DETA层包裹,并通过PVA交联在一起。同时,DETA-PA也存在一定的空隙,孔隙率可以保持在91%以上。

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图1 三种气凝胶的SEM图像

【乙烯吸附能力】

不同菠萝纤维浓度、PVA / CMC浓度对AC-PA的乙烯吸附容量的影响如图2所示。可以看出,AC-PA的吸附容量随着菠萝纤维浓度和PVA / CMC浓度的降低而增加。在最优配比2 wt%的PA,1 wt%的AC和0.1 / 0.1 wt%的PVA / CMC下,AC-PA能达到的最高吸附容量为1.08 mmol / g。图2c表明乙烯的吸附随AC的浓度增加而增加,随PF和PVA / CMC浓度的增加而降低。纯的PA没有表现出对乙烯气体的吸附能力,这可能是由于缺乏环烯烃和AC微孔。在图2d中,作者证实了AC-PA的乙烯吸附-脱附可逆性。随着压力的变化,吸附是完全可逆的。此外,发现通过升高温度可以容易地逆转气体的物理吸附。这表明AC-PA可以通过在减压或升高温度的情况下解吸吸附的乙烯气体来恢复其全部的吸附容量,从而突显出了AC-PA的可重用性优势。作者还将其与目前的商业吸附剂相比,AC-PA也展现出了明显的竞争优势

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图2 菠萝气凝胶用于乙烯吸附

【去除废水中镍离子】

对DETA-PA吸附镍(II)离子容量的影响如图3a所示。作者观察到DETA-PA表现出pH响应的吸附行为,随着pH的增加,吸附量稳定增加。图3(b–c)中显示,在最初的一个小时内,吸附速度很快,并且在2小时后吸收达到平衡。如图3b所示,镍(II)离子的吸收随着菠萝纤维浓度的增加而增加。图3c显示了在不同的DETA浓度下的DETA-PF气凝胶的吸附动力学。可以看到,随着DETA浓度的增加,镍(II)离子的吸附量增加。作者将其他植物纤维和商业材料进行同样的DETA修饰,并与DETA-PF进行对比,发现芋头秸秆的最大吸附量为0.529 mmol / g,天然黏土为0.213 mmol / g,改性的纳米纤维为0.8 mmol / g,改性的石墨烯为0.113 mmol / g。结果表明,相比其他天然或合成的吸附剂,DETA-PA具有明显的竞争优势(0.835 mmol / g)。

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图3菠萝气凝胶应用于废水中镍离子的去除

总结:作者通过使用PVA / CMC交联剂和冷冻干燥法,成功地用AC和DETA对PA进行改性。改性的PA具有高孔隙率、低密度,适用于乙烯气体吸附和镍离子去除。AC-PAs具有出色的乙烯气体吸附性能,在大气压下的吸附容量高达1.08 mmol / g,超过了商用乙烯吸收剂的吸附容量(0.157 mmol / g)。此外,DETA-PAs在水溶液中表现出良好的镍离子吸附能力,吸附容量高达0.835 mmol / g。改性的PA具有高吸附能力和吸附速率,可以成为食品保鲜中捕获乙烯和去除废水中镍离子的潜在候选者。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2213343720308733?via%3Dihub

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