Termal Kararlı ve Carboxylated Selüloz Nanokristaller ve nanofibrillerin kullanarak yüksek Geri Dönüşümlü Dikarboksilik Asitler yeşil ve düşük maliyetli üretim
Summary
Burada son derece geri dönüştürülebilir katı dikarboksilik asitler kullanılarak yüksek termal olarak kararlı ve karboksile selüloz nanokristallerinin (CNC) ve nanofibrillerin (CNF) yeşil ve sürdürülebilir üretimler için yeni bir yöntem ortaya koymaktadır.
Abstract
Burada potansiyel düşük maliyet ve yüksek oranda geri dönüştürülebilir dikarboksilik katı asitler kullanılarak beyazlatılmış okaliptüs hamuru (BEP) ve ağartılmamış karışık parke kraft hamuru (UMHP) liflerden yüksek termal olarak kararlı ve karboksile selüloz nanokristallerinin (CNC'leri) ve nanofibrillerin (CNF) yeşil yapımları göstermektedir. sırasıyla BEP ve UMHP için, 60 dakika ve 120 dakika boyunca 120 ° C (atmosfer basıncında kaynama Resim), 100 ° C de 70 ağırlık -% tipik operasyon koşulları 50 asit konsantrasyonları. 0.4 mmol / g – Elde edilen CNC'leri 0.2 bir karşılık gelen besleme lifleri daha yüksek termal bozunma sıcaklığı ve karboksilik asit grubu içeriğine sahiptir. CNC'leri mineral asitler kullanılarak üretilen daha 336 nm ve daha yüksek kristallikte – düşük kuvveti (1.0 yüksek pKa'sı – 3.0), organik asitler, aynı zamanda, yaklaşık 239, daha uzun hem de CNCs sonuçlandı. şeker Selüloz kaybı az oldu. dikarboksilik asit hidrolizinden lifli selülozik bir katı artık madde (FCSR) için kullanılandüşük bir enerji girişi ile müteakip mekanik fibrilasyon ile karboksillenmiş CNFs üretir.
Introduction
Sürdürülebilir ekonomik kalkınma, yenilenebilir ve biyolojik olarak bozunur hammaddeleri kullanarak sadece gerektirir aynı zamanda bu yenilenebilir hammaddelerden bioproducts ve Biyokimyasalların çeşitli üretmek için yeşil ve çevre dostu üretim teknolojilerini kullanır. Yenilenebilir lignoselülozların üretilen selüloz nanokristaller (CNC) ve selüloz nanofibrillerin (CNF) gibi selüloz sol-jel, biyolojik olarak parçalanabilir ve biyolojik ürünler, 1, 2, bir dizi geliştirmek için uygun olan eşsiz bir mekanik ve optik özelliklere sahiptir. Saf mekanik fibrilasyon veya non-geri dönüşüm veya işlem kimyasalları, yetersiz geri dönüşümü nedeniyle çevre sürdürülemez kullanırken Ne yazık ki, selüloz nanomalzemeleri üretmek için mevcut teknolojiler, enerji de böyle konsantre mineral asit hidroliz işlemini 3-8 veya oksidasyon yöntemleri 9- kullanırken olduğu gibi yoğun 11. Ayrıca, oksidasyon yöntemleri aynı zamanda çevre toksik alçı üretebilirlignoselülozların ile reaksiyona unds. lignoselülozların – Bu nedenle, selüloz nanomalzemeleri üretmek için yeşil üretim teknolojileri geliştirmeye bol ve yenilenebilir malzeme tam olarak faydalanmak için kritik önem taşımaktadır.
hemiselüloz çözülür ve selüloz depolimerize asit hidroliz kullanarak selüloz nanomalzemeleri üretmek için etkili bir yöntemdir. Katı asitler asit geri kazanımına 12, 13 hareket hızı avantajı ile selülozdan şeker üretimi için kullanılmıştır. Konsantre mineral asitler kullanılarak Önceki çalışmalar daha düşük asit konsantrasyonu CNC verim ve kristal 3, 5 arttığını gösterdi. Bu daha hafif bir asit hidroliz CNF 3, 14 ile entegre üretim ve CNC yaklaşımıyla özellikleri ve selüloz nanomateryallerin verimini artırmak olabilir ancak kuvvetli bir asit selüloz kristalleri zarar olabileceğini düşündürmektedir. Burada özel üretmek üzere konsantre bir katı dikarboksilik asitler hidroliz kullanılarak bir yöntem belgeCNF 15 ile birlikte e CNC. Bu dikarboksilik asitlerin düşük ya da çevre sıcaklıklarında düşük bir çözünürlüğe sahiptir ve bu yüzden kolaylıkla olgun kristalleştirme teknolojisi ile elde edilebilir. Ayrıca, kaynatma ya da basınçlı kaplar kullanmadan konsantre asit hidrolizini kolaylaştırmaktadır yüksek sıcaklıklarda iyi bir çözünürlüğe sahiptirler. Bu asitler, CNC üretimi için kullanılan tipik mineral asitlerle, iyi bir CNC kristalinitede kullanımı sonuçlarına göre daha yüksek bir pKa değerine sahip olduğu için, ve bağlı kalan düşük CNC lifli selülozik bir katı tortu in önemli bir miktarı ile birlikte verimi, (FCSR veya kısmen hidrolize lifler) rağmen eksik selüloz depolimerizasyon. FCSR düşük enerji girdi kullanılarak takip eden mekanik fibrilasyon ile CNF üretimi için de kullanılabilir. mineral asitler ile karşılaştırıldığında Bu nedenle, şekerler, selüloz kaybı az.
İyi karboksilik asitler Fisher-SPEIER esterleştirme 16 vasıtasıyla selüloz esterleştirmek bilinmektedir. Dikarboksilik asitler uygulama, yarı acid çapraz bağlı esterler 17 (veya karboksilasyon) neden olabilir selüloz daha önce 15 gösterildiği gibi karboksillenmiş CNC ve CNF üretimi için. Burada belgelenen yöntem üretebilir karboksillenmiş ve termal olarak kararlı nispeten basit ve yüksek kimyasal verimine sahip ve düşük enerji girdilerini kullanırken de ağartılmış veya ağartılmamış ya hamurlarının gelen yüksek derecede kristalize olan CNF ve CNC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda ele alındığı gibi, maleik asit hidrolizi CNC örneklerinin kalın CNC çapları uzun uzunluklarda olmasına rağmen, sırasıyla, BEP ve UMHP gelen CNCs için ılımlı bir ortalama en-boy oranı 7.24 ve 8.53 ile sonuçlanmıştır. CNFs ilgili CNCs daha uzun bir uzunluğa ve sırasıyla, BEP ve UMHP gelen CNCs 13,9 ile 19,0 arasında büyük bir en boy oranına neden daha ince bir çap, hem daha yüksek oldu. Oldukça düşük bu çalışmada mikro-akışkanlaştırma kullanılan basınç-boy oranını ar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bian Chen ve Wang Ph.D. ziyaret edildi Bu çalışma yapılmıştır ABD Orman Hizmetleri, Orman Ürünleri Laboratuarı (FPL), Madison, WI, en ve Zhu resmi hükümet zamanında öğrenciler. Bu çalışma kısmen USDA Tarım ve Gıda Araştırmaları Girişimi (Afri) Rekabetçi Grant (No 2011-67009-20056), Çin Devlet Orman İdaresi (Proje No. 2015-4-54), Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından desteklenen Çin (Proje No. 31470599), Çin'in Guangzhou Elite Projesi ve Çin Burs Fonu. Bu programlardan Fon mümkün FPL de Bian Chen ve Wang ziyaret randevular yaptı.
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).
