Зеленый и Недорогое Производство термостойких и карбоксилированная Целлюлоза нанокристаллов и нанофибрилл Использование пригодных для вторичной переработки дикарбоновых кислот
Summary
Здесь мы показываем новый метод зеленых и устойчивых производств обладающего высокой термостойкостью и карбоксилатных нанокристаллов целлюлозы (CNC) и нанофибрилл (УТС) с использованием пригодных для вторичной переработки твердых дикарбоновых кислот.
Abstract
Здесь мы показываем потенциально низкую стоимость и зеленых производств высоких термостойких и карбоксилатных нанокристаллов целлюлозы (CNCS) и нанофибрилл (CNF) из беленой эвкалиптовой целлюлозы (BEP) и небеленой смешанные лиственные крафт-целлюлозы (UMHP) волокон с использованием пригодных для вторичной переработки дикарбоновых твердые кислоты. Типичные условия эксплуатации были кислотные концентрации 50 – 70% по весу при температуре 100 ° С в течение 60 мин и 120 ° С (без кипения при атмосферном давлении) в течение 120 мин, для НЭП и UMHP, соответственно. Полученные CNCS имеют более высокую температуру термической деградации, чем их соответствующие подачи волокон и содержание карбоновой кислоты группы из 0,2 – 0,4 ммоль / г. Низкая прочность (высокая рКа 1,0 – 3,0) органических кислот также приводит к СЧПУ с обеих большей длины приблизительно 239 – 336 нм и более высокой степенью кристалличности, чем CNCS, полученные с использованием минеральных кислот. Потеря Целлюлоза сахара было минимальным. Волокнистых целлюлозных твердый остаток (FCSR) от гидролиза дикарбоновой кислоты использовали дляпроизводить карбоксилированные УНВ через последующей механической фибрилляции с низким потреблением энергии.
Introduction
Устойчивое экономическое развитие требует не только с использованием сырьевых материалов, которые являются возобновляемыми и биологическому разложению, но также использует зеленые и экологически чистых производственных технологий для производства разнообразных биопродуктов и биохимикатов из этих возобновляемого сырья. Целлюлоза наноматериалы, такие как нанокристаллов целлюлозы (CNC) и нанофибрилл целлюлозы (CNF), полученных из возобновляемых лигноцеллюлоз являются биологически и обладают уникальными механическими и оптическими свойствами , пригодными для разработки ряда биопродуктов 1, 2. К сожалению, существующие технологии получения наноматериалов целлюлозы либо энергоемким при использовании чисто механического фибрилляции или экологически неустойчивым из – за отсутствия рециркуляции или недостаточной утилизации химикатов обработки, например, при использовании процесса гидролиза концентрированные минеральные кислоты или 3-8 окисления методы 9- 11. Кроме того, способы окисления могут также производить экологически токсичное компоunds путем взаимодействия с лигноцеллюлоз. Таким образом, развитие зеленых технологий производства для производства наноматериалов целлюлозы является критически важным, чтобы в полной мере использовать обильной и возобновляемого материала – лигноцеллюлоз.
С помощью кислотного гидролиза для растворения гемицеллюлозы и деполимеризации целлюлозы является эффективным подходом для получения наноматериалов целлюлозы. Твердые кислоты были использованы для производства сахара из целлюлозы с преимуществом ослабления регенерации кислоты 12, 13. Предыдущие исследования с использованием концентрированных минеральных кислот показали , что более низкая концентрация кислоты улучшается выход CNC и кристалличность 3, 5. Это говорит о том, что сильная кислота может повредить кристаллы целлюлозы в то время как более мягкий кислотный гидролиз может улучшить свойства и выход наноматериалы целлюлозы через подход интегрированного производства и с ЧПУ КНФ 3, 14. Здесь мы документируем метод с использованием концентрированного твердого гидролиза дикарбоновых кислот к Producе ЧПУ вместе с CNF 15. Эти дикарбоновые кислоты имеют низкую растворимость при низких температурах или температуре окружающей среды, и, следовательно, они могут быть легко восстановлены с помощью отработанной технологии кристаллизации. Они также имеют хорошую растворимость при повышенных температурах, что облегчает гидролиз концентрированной кислоты без кипячения или с использованием сосудов высокого давления. Так как эти кислоты также имеют более высокую рКа, чем обычные минеральные кислоты, используемых для производства ЧПУ, их использование приводит к хорошей ЧПУ кристалличности, и, несмотря на снижение урожайности с ЧПУ, с существенным количеством волокнистых целлюлозных твердого остатка (FCSR или частично гидролизованных волокон), остающийся в результате неполная целлюлоза деполимеризации. FCSR может быть использован для получения CNF посредством последующей механической фибрилляции с использованием низких затрат энергии. Таким образом, потеря целлюлозы в сахара минимальна по сравнению с использованием минеральных кислот.
Хорошо известно , что карбоновые кислоты могут этерификацию целлюлозу просеивают через Фишера-Спеир этерификацией 16, Применение дикарбоновых кислот к целлюлозе может привести к полу-кислотными ун-сшитых эфиров 17 (или карбоксилирования), чтобы произвести карбоксилированного CNC и CNF , как мы показали 15 ранее. Метод описываемая здесь может производить карбоксилированная и термически стабильным и CNF с ЧПУ, который также высоко кристаллическими либо из беленой и небеленой целлюлозе, имея относительно простой и высокой химической и восстановление с использованием низких затрат энергии.
Protocol
Representative Results
Discussion
Более толстые диаметры с ЧПУ образцов с ЧПУ гидролиза малеиновой кислоты привело к умеренной средней пропорции 7,24 и 8,53, для СЧПУ из НЭП и UMHP, соответственно, несмотря на их большой длины, как было описано выше. УНВ имел большую длину и более тонкий диаметр, что привело к большим соотношен…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была проведена в то время как Бянь, Чэнь и Ван посещали доктора философии студенты Лесной службы США, Лаборатория лесной продукции (FPL), Мэдисон, Висконсин, а также на официальном времени правительства Чжу. Эта работа была частично поддержана USDA сельского хозяйства и пищевой исследовательской инициативы (AFRI) Конкурентоспособная Гранта (№ 2011-67009-20056), китайского государственного управления лесного хозяйства (проект № 2015-4-54), Национальный фонд естественных наук Китай (проект № 31470599), Гуанчжоу Элитный проект Китая и Стипендиальный фонд Китая. Финансирование этих программ сделали выездные назначений Бянь, Чэнь и Ван на FPL возможно.
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).
