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。

©My Luu/Pixabay

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:

  1. 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
  2. National University of Singapore: September 08, 2020, Upcycling pineapple leaves into eco-aerogels.
  3. SciDev.Net: September 08, 2020, Scientists turn pineapple waste into high-value aerogels.
  4. 科技大觀園: June 09, 2006, 最輕的固體–氣凝膠
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