ייצור ירוק בעלות הנמוכה של יציב תרמית ו nanocrystals התאית Carboxylated ו Nanofibrils באמצעות חומצות dicarboxylic למחזור ביותר
Summary
כאן אנו מדגימים שיטה חדשה להפקות ירוקות ומקיימות של תרמית מאוד nanocrystals התאית יציבת carboxylated (CNC) ו nanofibrils (CNF) באמצעות חומצות dicarboxylic מוצקות למחזור ביותר.
Abstract
כאן אנו מדגימים עלות פוטנציאלית נמוכה והפקות ירוקות של גבוה תרמית nanocrystals התאית היציבה carboxylated (CNCs) ו nanofibrils (CNF) עיסת אקליפטוס מולבן (BEP) עיסת קראפט פרקט מעורב מולבנת (UMHP) סיבים באמצעות חומצות מוצקות למחזור ביותר dicarboxylic. תנאי הפעלה אופייניים היו ריכוזים חומצה של 50 – 70% WT ב 100 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות ו -120 ° C (לא רותחים בלחץ אטמוספרי) עבור 120 דקות, עבור BEP ו UMHP, בהתאמה. CNCs כתוצאה יש טמפרטורת שפלת תרמית גבוהה יותר מאשר סיבים להאכיל המתאימים ותוכן קבוצת חומצה קרבוקסילית 0.2-0.4 מילימול / g. כוחו הנמוך (גבוהה pKa של 1.0 – 3.0) של חומצות אורגניות גם הביאה CNCs בשני אורכים יותר של כ 239 – nm 336 ואת crystallinity הגבוה CNCs הופק באמצעות חומצות מינרליים. הפסד תאי לסוכר היה מינימאלי. שאריות מוצקות סיביות תאיות (FCSR) מן הידרוליזה חומצית dicarboxylic שמשולייצר CNFs carboxylated דרך הפרפור מכנה הבא עם השקעת אנרגיה נמוכה.
Introduction
פיתוח כלכלי בר קיימא מחייב לא רק באמצעות חומר זינה כי הם מתחדשים מתכלים אלא גם עושה שימוש בטכנולוגיות ייצור ידידותיים ירוקות וסביבתיות כדי לייצר מגוון רחב של bioproducts ביוכימיים ממקורות מתחדשים אלה. ננו התאית, כגון nanocrystals התאית (CNC) ו nanofibrils התאית (CNF), המופקת lignocelluloses מתחדשת הן מתכלות יש תכונות מכאניות ואופטיות ייחודיות מותאמות לפיתוח מגוון של bioproducts 1, 2. לצערנו, הטכנולוגיות הקיימות להפקת ננו תאית הם או עתיר אנרגיה בעת שימוש פרפור מכני טהור או לסביבה בר קיימא בשל מיחזור הלא או מיחזור מספקת של כימיקלים עיבוד, כגון בעת שימוש בתהליך הידרוליזה מינרל חומצה מרוכזת 3-8 או חמצון שיטות 9- 11. יתר על כן, שיטות חמצון עשויה גם לייצר רכיבי מדיה רעילים לסביבהunds ידי מגיב עם lignocelluloses. לכן, פיתוח טכנולוגיות ייצור ירוק להפקת ננו תאית היא חשובה ביותר כדי לעשות שימוש מלא של החומר שופע מתחדשת – lignocelluloses.
באמצעות הידרוליזה חומצית לפזר hemicellulose ו depolymerize תאית היא גישה יעילה להפקת ננו תאית. חומצות מוצקות שמשו לייצור סוכר מתאית עם היתרון של פגת התאוששות חומצת 12, 13. מחקרים קודמים באמצעות חומצות מינרליים מרוכזות עולים כי ריכוז חומצה נמוך שיפור תשואת CNC ו crystallinity 3, 5. הדבר מצביע על כך חומצה חזקה עלולה לפגוע גבישים תאיים בעוד הידרוליזה חומצית מתונה עשויה לשפר את המאפיינים ואת התשואה של ננו התאית דרך הגישה של ייצור משולב CNC עם 3 CNF, 14. כאן אנחנו מתעדים שיטה באמצעות הידרוליזה dicarboxylic חומצות מוצקה מרוכזת producדואר CNC יחד עם CNF 15. לחומצות dicarboxylic אלה מסיסות נמוכה בטמפרטורות נמוכות או סביבה, ולכן הם יכולים להיות התאוששו בקלות באמצעות טכנולוגיית ההתגבשות הבוגרת. יש להם גם מסיסות טובה בטמפרטורות גבוהות המאפשרת הידרוליזה חומצית המרוכזת ללא רותחים או באמצעות מכלי לחץ. מאז חומצות אלה יש גם pKa גבוה חומצות מינרליים טיפוסיות המשמשות לייצור CNC, תוצאות השימוש בם crystallinity CNC הטוב, ולמרות תשואות CNC נמוכות, עם כמות משמעותית של שאריות מוצקות סיביות תאיתי (FCSR או סיבים הידרוליזה חלקית) נותרים בשל depolymerization תאית שלמה. FCSR יכול לשמש לייצור CNF דרך פרפור מכני שלאחר מכן באמצעות תשומות אנרגיה נמוכה. לכן, אובדן תאי לסוכרים הוא מינימאלי לעומת באמצעות חומצות מינרליים.
עובדה ידועה היא כי חומצות קרבוקסיליות יכול esterify תאית באמצעות esterification פישר-Speier 16. מריחת חומצות dicarboxylic כדי תאית יכול לגרום למחצה חומצה un-crosslinked אסטרים 17 (או carboxylation), לייצר carboxylated CNC ו CNF כפי שהראינו 15 בעבר. השיטה המתועדת כאן יכולה לייצר carboxylated ואת יציבות תרמית CNF ו- CNC כי הוא גם מאוד גבישי או מתוך pulps המולבן או מולבן בזמן שיש התאוששות כימית פשוטה וגבוהה יחסית ושימוש תשומות אנרגיה נמוכות.
Protocol
Representative Results
Discussion
בקטרי CNC העבים של דגימות CNC מ הידרוליזה חומצית maleic הביאו יחס ממדים ממוצע מתון 7.24 ואת 8.53, עבור CNCs מ BEP ו UMHP, בהתאמה, למרות אורך הזמן הרב שלהם כפי שפורטו לעיל. CNFs היה אורך זמן רב יותר בקוטר דק יותר, אשר הביא יחס ממדים גדול של 13.9 ו -19.0, עבור CNCs מ BEP ו UMHP, בהתאמה, הוא יותר מ CNCs שלהם. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה הזאת נעשתה תוך ביאן, חן, וואנג ביקרו Ph.D. תלמידי שירות היערות האמריקאים, מוצרי מעבדת יער (FPL), מדיסון, ויסקונסין, ובזמן הממשלה הרשמי של ג'ו. עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי חקלאות USDA ומזון המחקר היוזם (Afri) התחרותי גרנט (מס '2011-67009-20056), מנהל יערנות המדינה הסיני (פרויקט המס' 2015-4-54), הקרן הלאומית למדע הטבעי של סין (פרויקט מס '31,470,599), פרויקט עלית גואנגזו בסין, ואת קרן המלגות סין. מימון מתוכניות אלו הפך את מינויי ביקור של ביאן, חן, וואנג ב FPL האפשרי.
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).
