الإنتاج التكاليف منخفضة الخضراء ومستقر حراريا وCarboxylated السليلوز البلورات النانوية وNanofibrils عن طريق إعادة التدوير درجة عالية من الأحماض ثنائي الكربوكسيل
Summary
نحن هنا لشرح طريقة جديدة لإنتاج الخضراء والمستدامة من البلورات النانوية العالية حراريا مستقرة وcarboxylated السليلوز (CNC) وnanofibrils (كنف) باستخدام الأحماض ثنائي الكربوكسيل الصلبة القابلة للتدوير للغاية.
Abstract
نحن هنا لشرح يحتمل أن تكون منخفضة التكلفة ومنتجات خضراء عالية البلورات النانوية مستقرة وcarboxylated حراريا السليلوز (CNCs) وnanofibrils (كنف) من العجينة المبيضة الكافور (أفضل الممارسات البيئية) والألياف غير مقصور الصلبة المختلطة كرافت اللب (UMHP) باستخدام ثنائي الكربوكسيل قابلة لإعادة التدوير للغاية الأحماض الصلبة. كانت ظروف التشغيل العادية تركيز الحمض من 50-70٪ بالوزن عند 100 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة، و 120 درجة مئوية (أي الغليان عند الضغط الجوي) لمدة 120 دقيقة، لأفضل الممارسات البيئية وUMHP، على التوالي. وCNCs الناتجة لديها درجة حرارة تدهور أعلى الحرارية من الألياف تغذية المقابلة، ومحتويات المجموعة حمض الكربوكسيلية 0،2-0،4 مليمول / ز. نتج من الأحماض العضوية أيضا في CNCs مع كل أطوال أطول من ما يقرب من 239 – قوة منخفضة (3.0 عالية الباكاف الحمضية من 1.0) – 336 نانومتر، وأعلى التبلور من CNCs المنتجة باستخدام الأحماض المعدنية. وكانت خسارة السليلوز إلى السكر الحد الأدنى. وقد استخدم ليفية بقايا صلبة السليلوزية (FCSR) من التحلل حمض ثنائي الكربوكسيل لإنتاج CNFs carboxylated من خلال الرجفان الميكانيكية لاحق مع المدخلات المنخفضة الطاقة.
Introduction
وتتطلب التنمية الاقتصادية المستدامة ليس فقط باستخدام المواد الأولية التي هي قابلة للتجديد وقابلة للتحلل ولكن أيضا تستخدم تقنيات التصنيع ودية الأخضر والبيئية لإنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات الحيوية والمواد الكيميائية الحيوية من هذه المواد الأولية المتجددة. المواد النانوية السليلوز، مثل البلورات النانوية السليلوز (CNC) وnanofibrils السليلوز (كنف)، التي تنتج من lignocelluloses المتجددة القابلة للتحلل ولها خواص ميكانيكية وبصرية فريدة من نوعها مناسبة لتطوير مجموعة من المنتجات الحيوية 1، 2. للأسف، التقنيات الحالية لإنتاج المواد النانوية السليلوز إما استهلاكا للطاقة عند استخدام الرجفان الميكانيكية نقية أو غير مستدامة بيئيا بسبب عدم إعادة تدوير أو إعادة التدوير كافية من المواد الكيميائية المعالجة، مثل عند استخدام عملية التحلل حمض المعدنية المركزة 3-8 أو الأكسدة طرق 9- 11. وعلاوة على ذلك، قد طرق الأكسدة أيضا إنتاج كومبو السامة للبيئةجهاز الأمم المتحدة الإنمائي من خلال التفاعل مع lignocelluloses. لذلك، وتطوير تقنيات التصنيع الأخضر لإنتاج المواد النانوية السليلوز من المهم للغاية أن تستفيد استفادة كاملة من المواد وفيرة والمتجددة – lignocelluloses.
باستخدام حمض المائي إلى حل هيميسيلولوز ويزيل البلمرة السليلوز هو نهج فعال لإنتاج المواد النانوية السليلوز. وقد استخدمت الأحماض الصلبة لإنتاج السكر من السليلوز مع الاستفادة من تخفيف استخلاص حامض 12، 13. أشارت الدراسات السابقة باستخدام الأحماض المعدنية المركزة أن تركيز الحمض أقل تحسن العائد باستخدام الحاسب الآلي والتبلور 3 و 5. هذا يشير إلى أن حمض قوي قد يؤدي إلى تلف بلورات السليلوز في حين أن حمض المائي أكثر اعتدالا قد تؤدي إلى تحسين خصائص والعائد من المواد النانوية السليلوز من خلال نهج متكامل للإنتاج والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي مع كنف 3، 14. نحن هنا توثيق طريقة استخدام تركيزا قويا الأحماض ثنائي الكربوكسيل التحلل إلى المنتجالبريد CNC جنبا إلى جنب مع كنف 15. هذه الأحماض ثنائي الكربوكسيل لها ذوبان منخفضة في درجات حرارة منخفضة أو المحيط، وبالتالي يمكن استردادها بسهولة من خلال تكنولوجيا بلورة ناضجة. كما أن لديها القابلية للذوبان جيد في درجات حرارة مرتفعة مما يسهل التحلل حمض تتركز دون الغليان أو باستخدام أوعية الضغط. وبما أن هذه الأحماض أيضا أن يكون الباكاف الحمضية أعلى من الأحماض المعدنية المعتادة المستخدمة في إنتاج التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، ونتائج استخدامها في التبلور CNC جيد، وعلى الرغم من انخفاض عائدات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، مع كمية كبيرة من الليفية بقايا صلبة السليلوزية (FCSR أو الألياف تحلل جزئيا) لا تزال قائمة بسبب غير مكتمل السليلوز التحلل. وFCSR يمكن استخدامها لإنتاج كنف خلال الرجفان الميكانيكية لاحق باستخدام مدخلات الطاقة منخفضة. ولذلك، فقد السليلوز إلى السكريات هو الحد الأدنى بالمقارنة مع استخدام الأحماض المعدنية.
ومن المعروف أن الأحماض الكربوكسيلية يمكن يؤستر السليلوز من خلال فيشر Speier الأسترة 16. تطبيق الأحماض ثنائي الكربوكسيل إلى السليلوز يمكن أن يؤدي إلى شبه الحمضية استرات برنامج الأمم المتحدة للcrosslinked 17 (أو كرسلة)، لإنتاج carboxylated باستخدام الحاسب الآلي وكنف كما أثبتنا 15 سابقا. طريقة توثيقها هنا يمكن أن تنتج carboxylated ومستقرة حراريا كنف والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي الذي هو أيضا البلورية العالية من اللب إما ابيض أو غير مقصور في حين وجود انتعاش كيميائية بسيطة نسبيا وارتفاع واستخدام مدخلات الطاقة المنخفضة.
Protocol
Representative Results
Discussion
أسفرت أقطار CNC سمكا من العينات باستخدام الحاسب الآلي من التحلل حمض الماليك في المتوسط معتدلة نسبة الارتفاع 7.24 و 8.53، لCNCs من أفضل الممارسات البيئية وUMHP، على التوالي، على الرغم من أطوالها طويلة كما هو مبين أعلاه. كان CNFs أطول مدة وقطر أرق، مما أدى إلى نسبة الارتفاع كبي…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأجري هذا العمل في حين أن بيان، تشن، وانغ زيارة دكتوراه الطلاب في دائرة الغابات في الولايات المتحدة، منتجات الغابات مختبر (قوات التحرير الشعبية)، ماديسون، WI، وفي الوقت المحدد الحكومة الرسمي من تشو. وأيد هذا العمل جزئيا من قبل وزارة الزراعة الأميركية الزراعة والغذاء بحوث مبادرة (العفري) المنح التنافسية (رقم 2011-67009-20056)، ومصلحة الدولة للغابات الصينية (مشروع رقم 2015-4-54)، المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية الصين (مشروع رقم 31470599)، وقوانغتشو مشروع النخبة من الصين، وصندوق للمنح الدراسية الصين. توفير تمويل من هذه البرامج التعيينات الزائر بيان، تشن، وانغ في قوات التحرير الشعبية الممكنة.
Materials
| Bleached eucalypus pulp | Aracruz Cellulose | ||
| Unbleached mixed hardwood kraft pulp | International Paper | ||
| Maleic acid | Sigma-Aldrich | M0375-1KG/CAS110-16-7 | Powder; assay: 99.0%(HPLC) |
| Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516-4L/CAS56-81-5 | |
| Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8 | Certified ACS |
| Sodium chloride | Mallinckrodt | 7581-12/CAS7647-14-5 | Crystal,AR |
| Cupriethylenediamine solution | GFS Chemicals | E32103-1L/CAS14552-35-3 | 1M, for determination of solution viscosity of pulps |
| Acetone | Fisher Scientific | A18-500/CAS67-64-1 | Certified ACS |
| Accu-TestTM Vials for COD Testing | Bioscience,Inc. | 01-215-28 | COD testing for 20 to 900mg/L standard range concentration |
| Heating plate | IKA | Mode: C-MAD HS7 digital | |
| Magnetic stir bar | ACE Glass | ||
| Pyrex three-neck round-bottom flask | Sigma-Aldrich | CLS4965B500-1EA | |
| Dialysis tubing cellulose membrane | Sigma-Aldrich | D9402-100FT | Typical molecular weight cut-off = 14000 |
| Disposable aluminum dishes | Sigma-Aldrich | Z154857-1PAK | Circles, 60mm |
| Disintegrator | Testing Machines Inc.(TMI) | ||
| Microfluidizer | Microfluidics Corporation | ||
| Sonicator | Qsonica LLC. | Mode: 3510R-MT, 50-60 Hz,180 W | |
| Zeta potential analyzer | Brookhaven Instruments Corporation | ||
| FTIR | PerkinElmer | ||
| Conductometric titrator | Yellow Springs Instrument (YSI) | ||
| TGA analyzer | PerkinElmer | ||
| X-ray diffractometer | Bruker Corporation | ||
| AFM imging | AFM Workshop | ||
| SEM imaging | Carl Zeiss |
References
- Giese, M., Blusch, L. K., Khan, M. K., MacLachlan, M. J. Functional Materials from Cellulose-Derived Liquid-Crystal Templates. Angew Chem Int Ed. 54 (10), 2888-2910 (2015).
- Zhu, H., et al. Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications . Chem. Rev. , (2016).
- Wang, Q. Q., et al. Approaching zero cellulose loss in cellulose nanocrystal (CNC) production: recovery and characterization of cellulosic solid residues (CSR) and CND. Cellulose. 19 (6), 2033-2047 (2012).
- Hamad, W. Y., Hu, T. Q. Structure-process-yield interrelations in nanocrystalline cellulose extraction. Can J Chem Eng. 88 (3), 392-402 (2010).
- Chen, L. H., et al. Tailoring the yield and characteristics of wood cellulose nanocrystals (CNC) using concentrated acid hydrolysis. Cellulose. 22 (3), 1753-1762 (2015).
- Mukherjee, S. M., Woods, H. J. X-ray and electron microscope studies of the degradation of cellulose by sulphuric acid. Biochim Biophys Acta. 10 (4), 499-511 (1953).
- Camarero Espinosa, S., Kuhnt, T., Foster, E. J., Weder, C. Isolation of thermally stable cellulose nanocrystals by phosphoric acid hydrolysis. Biomacromolecules. 14 (4), 1223-1230 (2013).
- Yu, H. Y., et al. Facile extraction of thermally stable cellulose nanocrystals with a high yield of 93% through hydrochloric acid hydrolysis under hydrothermal conditions. J Mater Chem, A. 1 (12), 3938-3944 (2013).
- Leung, A. C. W., et al. Characteristics and properties of carboxylated cellulose nanocrystals prepared from a novel one-step procedure. Small. 7 (3), 302-305 (2011).
- Saito, T., Isogai, A. TEMPO-mediated oxidation of native cellulose. The effect of oxidation conditions on chemical and crystal structures of the water-insoluble fractions. Biomacromolecules. 5 (5), 1983-1989 (2004).
- Yang, H., Chen, D. Z., van de Ven, T. G. M. Preparation and characterization of sterically stabilized nanocrystalline cellulose obtained by periodate oxidation of cellulose fibers. Cellulose. 22 (3), 1743-1752 (2015).
- Huang, Y. B., Fu, Y. Hydrolysis of cellulose to glucose by solid acid catalysts. Green Chem. 15 (5), 1095-1111 (2013).
- Shimizu, K. I., Satsuma, A. Toward a rational control of solid acid catalysis for green synthesis and biomass conversion. Energy & Environ Sci. 4 (9), 3140-3153 (2011).
- Wang, Q. Q., Zhu, J. Y., Considine, J. M. Strong and optically transparent films prepared using cellulosic solid residue (CSR) recovered from cellulose nanocrystals (CNC) production waste stream. ACS Appl Mater Interfaces. 5 (7), 2527-2534 (2013).
- Chen, L. H., Zhu, J. Y., Baez, C., Kitin, P., Elder, T. Highly thermal-stable and functional cellulose nanocrystals and nanofibrils produced using fully recyclable organic acids. Green Chem. 18, 3835-3843 (2016).
- Fischer, E., Speier, A. Darstellungder der Ester. Chemische Berichte. 28 (3), 3252-3258 (1895).
- Allen, T. C., Cuculo, J. A. Cellulose derivatives containing carboxylic acid groups. J Polym Sci: Macromol Rev. 7 (1), 189-262 (1973).
- Wang, Q. Q., Zhao, X. B., Zhu, J. Y. Kinetics of strong acid hydrolysis of a bleached kraft pulp for producing cellulose nanocrystals (CNCs). Ind Eng Chem Res. 53 (27), 11007-11014 (2014).
- Segal, L., Creely, J. J., Martin, A. E., Conrad, C. M. An empirical method for estimating the degree of crystallinity of native cellulose using the X-ray diffractometer. Text Res J. 29 (10), 786-794 (1959).
