从香蕉皮纤维素中提取的聚(酰胺肟)配体，用于从电镀废水中去除重金属

《Sustainable Chemistry One World》：Banana-peel cellulose-derived poly(amidoxime) ligand for heavy-metal removal from electroplating wastewater

　　

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  从废弃的香蕉皮纤维中提取了纯纤维素。
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  基于废弃纤维的纤维素被用于合成聚(酰胺肟)配体。
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  该配体对某些重金属离子表现出优异的吸附能力。
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  这种聚合物配体可用于从电镀废水中回收重金属。

引言

清洁安全的水是每个人都应享有的基本权利。然而，采矿、工业和农业活动增加了由有毒物质和重金属造成的水污染。确保清洁的水资源对健康和可持续发展至关重要。有毒金属（包括重金属）是会对人体健康造成伤害的金属化合物或元素。即使在低浓度下，重金属 auch sehr dicht und gef?hrlich [1]。近年来，大量的有害工业污染物——重金属——进入了自然系统。这些污染物通常来源于电镀和电解沉积等工业活动，并存在于制造废弃物和污水中 [2]。由于这些金属会在生物体内持续积累，因此对人类和环境构成长期风险。重金属不会分解成无害的形式，会破坏水生生物并最终影响人类健康。

有多种常见方法可用于去除水中的重金属，例如植物修复、离子交换、电解、沉淀、超滤和吸附 [3]。然而，大多数方法成本高昂，在低浓度下效率较低，或者会产生二次废物，因此需要更可持续和高效的解决方案。吸附是一种非常有前景的去除重金属的方法。吸附过程中，目标物质（吸附质）被吸附到吸附剂表面上。此外，吸附简单、高效且成本低廉，适用于去除水中的有毒金属。一种潜在的生物吸附剂是经过化学改性的纤维素。对纤维素进行化学转化可以增强其作为高效吸附剂的吸附能力 [4]。这为利用废弃生物质开发基于纤维素的聚合物螯合配体提供了理论依据，因为它们提供了一种环保且经济实惠的去除水中有毒金属的替代方法。

为了应对这些重金属问题，开发出源自天然资源的高效吸附剂对于实现环保的可持续发展进程至关重要。在众多有前景的材料中，源自纤维素产品的吸附剂由于价格低廉、环保且物理性能优异而表现出色 [5]。纤维素是地球上 abundantly 存在的原材料之一，存在于植物、藻类和某些微生物的结构框架中。它经济实惠、可再生且可生物降解。纤维素具有纤维状、高强度和两亲性等特点，这些特性对于维持细胞壁的刚性至关重要。从科学角度来看，天然纤维素由 β-D-葡萄糖单元组成，这些单元通过 β-1,4-糖苷键相连形成线性多糖 [6]。纤维素材料表现出多种关键特性，如亲水性、结构稳定性和机械强度，这些特性使其在多种应用中表现出色。因此，源自环保纤维素衍生物的潜在吸附剂为环境修复提供了理想的解决方案。由于纤维素衍生物具有出色的性质，使其在吸附过程中具备最佳的适应性和高灵敏度 [7]。在这种情况下，需要对纤维素材料进行功能化处理，添加合适的化学基团，以显著增强其对重金属的吸附能力，同时保持低毒性和可生物降解性 [8]。

因此，使用传统化学方法对纤维素材料进行功能化处理可以极大地改善其性能，从而获得所需的功能基团，进一步的接枝和交联可以增强其热稳定性、柔韧性、机械强度和吸附性能 [9],[10]。此外，纤维素已在多种环保应用中得到广泛应用，特别是作为去除水中有毒金属的潜在吸附剂 [11]。这使得纤维素成为改造成功能性生物吸附剂的理想候选材料，符合本研究的目标——利用废弃生物质开发可持续的水净化材料。

接枝共聚技术常用于提高天然和合成聚合物在多个领域的应用效果，包括纺织品、制药、废水处理和造纸 [12]。共聚可以改善纤维的表面性能，增加疏水性，同时保持材料的可降解性 [13]。通过使用新的化学基团和不同的侧链长度进行结构修饰，可以改变接枝聚合物的性质 [14]。接枝还可以提高聚合物的导电性。该过程可以一步或分步使用一种或多种单体完成。根据先前的研究 [15]，接枝共聚可以结合具有多种功能基团的聚合物，其潜力几乎是无限的，这使得结构-性质关系成为聚合物接枝研究的重要课题。在纤维素接枝过程中，合成聚合物通过共价键连接到纤维素上。这些改性的纤维素材料可用于智能产品、作为吸附剂、抗菌剂以及防止蛋白质粘附的材料 [16]。在重塑纤维素结构的各种方法中，接枝技术极其有效地改变了其物理化学性质。单体或聚合物最有可能接枝到每个纤维素单元的 C2、C3 和 C6 原子上的功能重要羟基上，从而获得新的基于纤维素的接枝共聚物 [17]。

自由基聚合在多个领域广泛用于通过自由基形成聚合物链。光照或热处理会激活自由基引发剂，产生自由基，这些自由基随后传输到基底并与单体反应生成接枝共聚物。在这个过程中，纤维素与双键单体结合，需要一个引发剂 [15]。根据先前的研究 [18]，使用 Ce⁴⁺ 离子来引发纤维素与丙烯腈的自由基链反应进行接枝。Ce⁴⁺ 离子还原为 Ce³⁺ 离子后与丙烯腈反应，从而开始接枝过程，生成自由基并维持化学反应的进行。纤维素的聚合物链通过反应终止，实现接枝效果。

本研究专注于从可再生资源合成聚合物螯合配体。Musa sapientum（即香蕉）属于芭蕉科草本植物，是世界上消费量最大的水果，也是全球市场上最重要的热带水果。香蕉皮（有时也称为香蕉外皮）是香蕉果实的外层。香蕉皮通常被作为固体废物丢弃，造成大量有机废物。本研究中使用了一种来自 Musa acuminata Colla（Ambon Lumut）的香蕉皮废物，通过与壳聚糖和纤维素纳米纤维结合制备复合水凝胶 [19]。这项研究还旨在提供一种环保解决方案，利用经济实惠且可再生的材料（如纤维素）高效地结合和去除水中的有毒金属，从而推动绿色化学技术的发展并促进更安全的环保实践。像 Fe2?、Ni2? 和 Zn2? 这样的重金属常见于电镀、金属表面处理和合金制造等工业废水中。尽管其中一些金属是必要的微量元素，但过量浓度会导致毒性失衡和环境问题。因此，从水中去除这些金属对于环境保护具有重要意义。本研究旨在通过利用香蕉皮废物这种可再生资源合成聚合物螯合配体，开发一种环保的吸附剂，以高效去除有毒金属，从而支持绿色化学技术的进步，并推动更安全的环保措施。

本文的创新之处在于纤维素的来源——它是从香蕉皮这种农业废弃物中提取的。尽管香蕉皮已在许多领域得到应用，但尚未被用作聚(酰胺肟)吸附剂的前体来去除重金属。香蕉皮在全球范围内大量产生，是食品和农业行业的低价值废弃物，是一种丰富、易于获取且几乎免费的原材料。与其它可能更难获取、处理成本更高或产量较低的生物质来源相比，这种纤维素具有优势。

章节片段

化学品

香蕉皮废物来自当地市场（沙巴州哥打基纳巴卢）。使用的化学品包括：硝酸铈(IV)铵（98.5%）、硫酸铜(II)五水合物（Merck，99.8%）、硫酸亚铁(II)七水合物（Systerm，99.5%）、硫酸镍(II)六水合物（Systerm，99.5%）、硫酸锌(II)七水合物（Systerm，99.5%）、甲醇（RCI Labscan，99.8%）、冰醋酸（EAM，99.7%）、过氧化氢（Systerm，30%）、氢氧化钠（Bendoson，99.1%）、硫酸（Bendoson，99.0%）等。

纤维素的来源

香蕉皮废物来自当地市场。香蕉皮经过清洗后，在 50°C 下烘烤至足够干燥，以便使用搅拌机研磨。从烘烤后的香蕉皮粉末中提取纤维素。将干燥的香蕉皮粉末与氢氧化钠一起煮沸四小时，以去除半纤维素和木质素。在煮沸过程中进行了脱木质素处理。

结论

本研究采用自由基聚合工艺，利用单体从香蕉皮基纤维素制备了聚(丙烯腈)接枝纤维素。通过将香蕉皮废物转化为功能性重金属吸附剂，这项工作为可持续废物管理和循环经济做出了重要贡献，提供了一种实用、低成本且环保的途径来生产有效的吸附剂材料。此外，这种方法支持了废物转化价值的策略。

CRediT 作者贡献声明

Shaheen M. Sarkar: 数据调查与数据分析。R. Yuvaraj A.: 文章撰写与审稿。Sandeep Kumar: 方法验证与监督。Nur Alyia Batrisyia Chu: 方法研究。Md Lutfor Rahman: 原稿撰写。Mohd Hafiz A. Majid: 数据管理。Mohd Sani Sarjadi: 资金筹措。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了 UMMS 研究资助（SDK: SDK0204-2020）的支持。

利益冲突

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知财务利益或个人关系。

Md Lutfor Rahman|Nur Alyia Batrisyia Chu|Mohd Sani Sarjadi|Mohd Hafiz A. Majid|Shaheen M. Sarkar|Sandeep Kumar|A.R. Yuvaraj