胡萝卜渣木质纤维素吸附剂增强聚乳酸基膜去除阳离子染料的性能

《Biomass and Bioenergy》：Lignocellulosic adsorbent from carrot pomace for enhancing the performance of polylactide-based membranes in the removal of cationic dyes

　　

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  一种 PLA 膜负载了由胡萝卜渣制备的天然吸附剂。
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  该膜水通量为 870?L/m²·h，去除了 99% 的 MB。
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  带负电荷的膜通过静电吸引选择性地结合阳离子染料。
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  在 10 次运行中，该膜去除了高比例的亚甲基蓝。

引言

每年产生大量来自农业和食品过程的植物源性废物。这些废物通常用作动物饲料和肥料，或丢弃在垃圾填埋场或通过焚烧处理。尽管这些废物可生物降解，但处置管理不善导致了严重的环境和健康问题 [1]。植物基废物主要含有木质纤维素材料，如纤维素、半纤维素和木质素，其包含可创建增值产品的官能团 [2]。将这些废物转化为石油衍生材料的替代品为植物源性废物的管理提供了可持续的解决方案 [2]。

木质纤维素生物质已通过热化学改性用于制造吸附剂，生产基于碳的吸附剂材料 [3,4]。这些基于碳的吸附剂具有大的表面积、孔隙率和多样的官能团，能够高效吸附污染物，但基于碳的吸附剂的生产消耗大量能量。碱预处理是一种传统的化学改性方法，可改善木质纤维素生物质的吸附能力，同时避免某些其他化学方法中典型复杂、昂贵且危险的化学过程 [5]。从木质纤维素生物质中去除非纤维素组分（如木质素和半纤维素）增加了表面积并暴露了官能团，增强了对污染物的反应性 [6]。用氢氧化钠（NaOH）对黄色羽扇豆皮粉（YLPP）进行碱处理，使其对亚甲基蓝（MB）的吸附容量（q）比未处理的 YLPP 高出约 11 倍 [7]。与未处理的麦穗相比，NaOH 处理的麦穗对 MB 的 q 值增加了 74% [8]。木质纤维素衍生的生物吸附剂通常呈微小颗粒或粉末状，以提供大表面积从而增强吸附效率。然而，吸附后从溶液中回收此类吸附剂具有挑战性，需要额外的分离步骤。

将粉末吸附剂掺入聚合物中以获得复合吸附剂克服了这一局限性。可以多种形式制造有效的掺入生物质的复合吸附剂。在间歇吸附过程中，源自花生壳的聚乙烯砜（PES）负载生物炭珠子在初始 MB 浓度为 5?mg/L 时，60 分钟内吸附了 90% 的 MB [9]。PES/活性炭（AC）/纤维素纳米晶须薄膜在 180 分钟内吸附了 96% 的碱性艳蓝 16 [10]。聚乙烯醇（PVA）和源自玉米芯的活性炭的电纺复合纤维在 240 分钟内去除了 96.02% 的罗丹明 B [11]。然而，吸附过程受到吸附剂中速率慢和内部扩散阻力大的限制 [12]。

吸附膜的使用可以通过将吸附和过滤功能集成到单一步骤中来克服这一局限性 [12]。污染物溶质通过吸附剂上的活性官能团与膜发生物理化学相互作用而被吸附，同时液相通过膜的孔隙 [12]。这种简单技术实现了高去除率，在低压下操作，且吸附剂易于再生 [12]。开发的吸附膜结合了聚偏二氟乙烯（PVDF）中的氧化石墨烯 [13] 以及聚丙烯腈（PAN）[14] 和聚砜（PSf）[15] 中的金属有机框架。使用可生物降解聚合物代替石油基聚合物提供了显著的环境效益，包括减少化石燃料使用和降低塑料污染 [16]。

聚乳酸（PLA）是膜应用的一种潜在可生物降解候选材料，其无毒、耐化学性、易于生产且价格低廉 [16,17]。此外，PLA 在有机溶剂中的溶解性有助于膜的制造。非溶剂诱导相分离（NIPS）技术常用于聚合物膜的制造 [18]。NIPS 简单、通用，并能生产具有多种特性的膜 [18]。很少有研究报告在 NIPS 过程中使用掺入木质纤维素生物质的 PLA 制备吸附膜。使用 NIPS，开发了用纤维素纳米纤维增强的聚醚砜（PES）/PLA 膜。该膜表现出 399.12?L/m²?h 的纯水通量（J_w），高于未增强膜的 J_w（210.8?L/m²?h）[17]。生产了一种复合膜，将 PLA 与 3?wt% 的氨基改性活性炭红树林颗粒结合，在 pH 10 时分别表现出 2306.6?±?97.1?L/m²?h?bar 的水通量，并去除了 99.95%、100% 和 99.95% 的 Cu²⁺、Pb²⁺ 和 Ni²⁺ [16]。在先前的一项工作中，我们制备了一种由聚丁二酸丁二醇酯 - 共 - 对苯二甲酸丁二醇酯与马来酸酊改性纤维素微纤维负载的 PLA 共混的复合膜，该微纤维提取自废弃油棕空果串。该复合膜去除了 97% 的 MB，水通量为 1214?L/m²?h [19]。尽管膜的性能令人满意，但从木质纤维素制备活性填料的过程并不简单，且需要多种化学品。

胡萝卜榨汁留下的副产品占初始胡萝卜质量的 30% 到 50% [20]。这种胡萝卜渣（CP）通常作为废物丢弃，没有经济价值，尽管它主要由纤维素组成，且提取纤维素所需的能量少于从木材中提取纤维素所需的能量 [20,21]。这种丰富、可再生、无毒的食品废物是吸附剂制造的可持续替代材料。

本工作的目的是使用简便且可持续的方法制备一种有效的全生物基膜。使用单步 NaOH 处理即可实现从 CP 制备活性吸附填料。在环境温度下评估了 CP 处理条件的优化，使用稀 NaOH 溶液短时间处理，以最大化处理后的 CP（tCP）的吸附效率。通过 NIPS 从负载 tCP 的 PLA 和 N-甲基 -2-吡咯烷酮（NMP）的铸膜液中制备了生物复合膜。研究了 tCP 和负载不同含量 tCP 的生物复合膜的特性。使用不同 pH 值和初始浓度的 MB 溶液研究了膜的性能。还研究了膜的可重复使用性和选择性。

章节片段

材料

胡萝卜渣（CP）采集自泰国宋卡府的一家超市。聚乳酸（PLA 4043D）由 NatureWorks LLC（美国明尼苏达州明尼阿波利斯市）提供。N-甲基 -2-吡咯烷酮（NMP，99.5%）、甲基橙（MO，100%）和盐酸（HCl，37%）购自 RCI Labscan（泰国曼谷）。亚甲基蓝（MB，95%）和结晶紫（CV，88%）购自 Loba Chemie（印度孟买）。氢氧化钠（NaOH）购自 Fisher Chemical。罗丹明 B（RhB，95%）、活性黑 5（RB5，55%），

CP 和经处理的 CP（tCP）的特性

为了将 CP 转化为高效生物吸附剂，研究了 NaOH 浓度（C_NaOH）和预处理时间对吸附的影响。在环境温度下，使用吸附剂剂量为 0.3?g/L 和初始 MB 浓度（C₀）为 100?mg/L 的条件，研究了用各种浓度 NaOH 处理的 CP 的吸附效率，时间为 2h。CP 仅去除了 62% 的 MB，吸附容量（q）为 204?mg/g（图 2a）。在 C_NaOH?=?0.1%w/v 下处理的 CP 去除了约 82% 的 MB，q 值为

结论

采用相转化技术，利用 PLA 和 NaOH 处理的胡萝卜渣（tCP）制备了一种用于去除水中阳离子染料的吸附膜。在 PLA 中掺入 tCP 增加了亲水性和孔隙率，增强了渗透率和染料去除率。tCP 含量的增加在膜中形成了大孔洞，改善了渗透率但降低了拉伸强度。PLA 膜仅去除了 30% 的 MB，而最佳的 PLA/tCP 膜去除了约 99%

CRediT 作者贡献声明

Putri Nabilah: 写作 – 原稿，调查，数据整理。 Mallika Keawbanjong: 调查，数据整理。 Kroekchai Thongtae: 调查。 Watchanida Chinpa: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，项目管理，方法论，数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由宋卡王子大学（编号：SCI6801376S），泰国科学与创新局（TSRI） [项目编号 FRB690047/0230]，以及国家科学、研究与创新基金（NSRF）支持。Putri Nabilah 女士获得宋卡王子大学研究生奖学金支持，年份为 2024 年（合同编号：PSU_GSS 2567-030）。我们也感谢 Thomas Coyne 先生在英文文本编辑方面提供的帮助。

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