鳳梨葉有了新的用途
鳳梨葉往往被人們當作垃圾進了掩埋場或是焚化爐。現在，科學家為這些刺人的廢棄物找到了全新的用途！以鳳梨葉為原料製成的氣凝膠，除了表現出優秀的乙烯吸附率，還可以吸附廢水中的重金屬。
撰文／鄭琳潔
鳳梨是熱帶國家常見的水果之一，品嚐酸甜的黃色果肉前，需要將鳳梨堅硬的外皮及葉子削掉。據估計，每年大約有七千六百萬噸的鳳梨葉產生，這些鳳梨衍生物往往被當作垃圾掩埋或是焚燒，在這個過程中會產生大量氮氧化物並增加碳排放量。今年九月，新加坡國立大學的研究團隊找到新的方法，升級再造這些鳳梨葉，利用鳳梨葉纖維堅韌、可被生物分解的特性，將它們變成無毒、環境友善、具有高附加價值的氣凝膠（aerogel）。
氣凝膠是世上最輕的孔洞材料，透過將凝膠內的液體置換為氣體生成。因為材料的組成90%以上是空氣，又被稱為「被凍結了的煙」。雖然名字裡有個膠字，氣溶膠的質地卻是堅硬而乾燥的，足夠的外力會使它脆化碎掉。因為密度極低，且有著低熱傳導係數、低折射率，是現今備受矚目的材料。
製作氣凝膠，首先要將回收的鳳梨葉切開，撕成纖細的條狀纖維。加入少量聚乙烯醇（PVA）、羧酸基纖維素（CMC）混合溶液，在80°C下靜置兩個小時，使鳳梨葉的纖維可以充分與聚合物生成鍵結。經過冷凍、真空昇華除去溶劑後就能得到白色的氣凝膠。整個製作過程只需要10-12個小時，非常迅速。成品除了可用於吸附油污染，也可以作為絕熱及隔音材料。
此外，為了進一步增加及測試實用性。研究團隊嘗試在製作的過程中，加入活性碳粉末，生成活性碳改質的氣凝膠。他們發現，改良後的氣凝膠對乙烯具有良好的吸附率，每克可以吸收1.08毫莫耳的乙烯，大於市售的乙烯吸附劑，並且可以進行乙烯的脱附再生。乙烯是一種植物賀爾蒙，水果採收後會自行產生乙烯、催熟果實。透過氣凝膠移除乙烯，可以延長果體的保質期。實驗指出，青香蕉在有氣凝膠的環境下，可以維持14天不會熟成。
由於高孔洞的特性，研究團隊也試著評估，氣凝膠應用到吸附重金屬的可能性。他們在材料中加入螯合劑二乙烯三胺（DETA, Diethylenetriamine），並測試其吸附鎳二價離子的能力。結果顯示含有二乙烯三胺的氣凝膠吸附活性，會受到水質的pH值影響。當水越酸時，配位的胺基可能被質子化，吸附效率較差。此外，氣凝膠所能吸附的鎳離子，會與水中鎳離子濃度成正比，但在接近真實環境，低濃度的條件下，氣凝膠仍有優秀的淨化表現。實驗室中，氣凝膠最高每克可吸附0.835毫莫耳的鎳離子。
利用鳳梨葉製作氣凝膠的成本低廉，面積一平方公尺、厚一公分的氣凝膠只要七美元，但售價卻高達22-37美元。現在，研究團隊已經為這個方法申請專利。他們的下一個目標，是將製程的規模提昇，並與企業合作，尋找商業化的可能。如果成功了，這將是永續農業的一大步，農民也能因此獲利。但如何有效地回收鳳梨葉，並投入生產，將是未來的一大挑戰。
參考資料：
- Functionalized Pineapple Aerogels for Ethylene Gas Adsorption and Nickel (II) Ion Removal Applications J. Environ. Chem. Eng. 2020. 8. 104524. doi: doi.org/10.1016/j.jece.2020.104524
- National University of Singapore: September 08, 2020, Upcycling pineapple leaves into eco-aerogels.
- SciDev.Net: September 08, 2020, Scientists turn pineapple waste into high-value aerogels.
- 科技大觀園: June 09, 2006, 最輕的固體–氣凝膠