JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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.

Protokol

Not: Çırpılmış okaliptüs kraft hamuru (BEP) ve ticari kaynaklardan ağartılmamış karışık sert ağaç kraft macunu (UMHP) lifler CNC ve CNF üretimi için ham malzeme olarak kullanılmıştır. Satın alınan ticari maleik asitler hidroliz için kullanılmıştır. Hidroliz koşulları sırasıyla BEP ve UMHP için, 60 dakika ve 120 dakika boyunca 120 ° C (atmosfer basıncında kaynama Resim), 100 ° C de 60 ağırlık% asit konsantrasyonları.

Konsantre Dikarboksilik Asit Çözüm 1. Hazırlık

  1. bir ısıtma plakası yaklaşık 85 ° C üzerinde bir sıvı gliserol banyosunda bir çok-boyunlu şişe içinde bir (Dİ) su deiyonize ısı 40 mi.
  2. manyetik karıştırma ile 60 ağırlık% solüsyon elde etmek amacıyla şişe içine 60 g susuz maleik asit ekleyin. Daha önce 15 rapor asit çözeltilerinin yoğunlukları kullanarak, belirli kütle konsantrasyonunda asit solüsyonu yapmak için, su ve asit miktarını hesaplamak.
  3. DE çözüm Isı(Yüksek dikarboksilik asit konsantrasyonları için bir kaynama sıcaklığına sahip) 100 ve 120 ° C arasında sired hidroliz sıcaklığı.

2. Hidroliz reaksiyonu

  1. asit çözeltisi sıcaklığında sonra, sürekli karıştırma ile 80 ml dikarboksilik asit solüsyonu (1.1) içine BEP ya UMHP elyafları 10 g fırında kurutulmuş (OD) ekleyin.
    1. 80 ° C DI suyun 160 mL ilave edilerek hidroliz sonlandırmadan önce, 60 dakika arasında önceden tespit edilmiş bir reaksiyon süresi sonunda asit hidrolizat (yaklaşık 2 mL) içindeki bir kısım al.
  2. şeker örneklenen hidrolizat 0.5 mL seyreltik ve asit konsantrasyonu analiz eder. 15 kristalleşme oda sıcaklığına kadar cooing sırasında gerçekleşen kalan hidrolizat örnek gözlemleyin.
  3. bir Buchner hunisi içinde bir filtre kağıdı kullanılarak vakumla süzme ile hidrolize hamurdan hidrolizatı ayırın.
    NOT: Bu ayrılık sıcaklığı düşer önce çok kısa sürede gerçekleşmesi için gereken ve asit olmakcin çözeltiden kristalize etmek. Nedeniyle asit çözeltisinden yüksek iyonik gücü, CNC oluşturulan hidroliz yığma ve FCSR artıklar ile kalmak. Yaklaşık asit% 80-90 süzüntü ile silinecektir.

3. CNC Ayırma

  1. DI su kullanılarak bölüm 2 süzüldü katıları yıkayın ve DI su ile yaklaşık% 1 toplam katı sulandırmak. 10 dakika boyunca 11.960 x g'de santrifüje süzüntü.
  2. süpernatant aktarın. süpernatant bulanık kadar taze DI su kullanarak yıkama ve filtreleme işlemi tekrarlayın. Bulanıklık CNC dağıtmak ve kolloidal olmaya başlar için bir solüsyonun iyonik gücü yeterli düştüğünü göstermektedir.
  3. yerleşmiş hidrolize hamuru (2.3) ile bulanık süpernatant karıştırın. sıvının iletkenliği DI suyun yaklaşana kadar distile su ile, bir diyaliz torbasında karışımı (MWCO 14 kDa) diyaliz. Bir iletkenlik ölçer kullanılarak iletkenlik ölçmek.
  4. Santrifüj 10 dakika sulu fazda CNC dağılım elde etmek için 3,500 xg'de diyaliz örneği. CNF üretimi için yani çökelti fazı, FCSR, saklayın.
  5. COD yöntemi kullanarak dağılım içinde CNC ölçülen miktarda CNC verim belirleyin, 18 önce 3 nitelendirdi.

4. CNF Üretimi

  1. CNC dağılımını ayırdıktan sonra gravimetrik ölçümlerle çöktürülmüş FCSR verimini belirleyin. 105 ° C de FCSR kurutun ve kullanılan BEP ya UMHP elyaf başlangıçtaki fırın kuru ağırlığına FCSR nisbetle fırın kuru ağırlığına ölçer.
  2. Mekanik olarak arka arkaya her 100 MPa bir 87 um delikli bölme ile 2 kez, ardından 200 um açıklık bölmesi boyunca süspansiyon 3 kez geçirilerek% 0.5 elyaf süspansiyonuna de FCSR liflenme.

5. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) Görüntüleme

  1. Sonikasyon yaklaşık 0.01 ağırlıkça% CNC veya CNF s2 dakika boyunca uspensions. Bir mika substrat üzerinde dağınık süspansiyonun bir damla yatırın. çevre sıcaklığında çökelmiş süspansiyon hava-kurutun.
  2. üreticinin protokolünü kullanarak kılavuz çekme modunda titreşimli hava ile kurutulmuş CNCs ve CNFs AFM görüntüleri al. çap ve uzunluk dağılımları elde etmek için ticari yazılım kullanarak yaklaşık 100 ayrı CNCs veya CNFs AFM görüntüleri analiz.

6. Fourier Muhtemel (FTIR) Ölçümleri Transform

  1. ester gruplarını belirlemek için orijinal BEP ve UMHP lifleri ile birlikte sonuçtaki CNC ve CNF örnekleri analiz için evrensel bir zayıflatılmış-toplam yansıma (ATR) prob ile ticari FTIR spektrofotometre kullanın.
  2. 450 arasında bir dalga uzunluğu aralığında örnekleri absorpsiyon spektrumları kaydedin - 4000 cm-1, 4 cm 1 ve her bir örnek için 4 taramaları bir çözünürlüğe sahip.

7. kondüktometrik ufalama

  1. Adugit için Kondüktometrik titrasyon kullanınörneklerin grubu içeriği dikarboksilik asidin esterlenmesi sonucu karboksil ntify.
  2. 120 mL 1 mM NaCI çözeltisi içine CNCs ya CNFs 50 mg (OD) CNC ya CNF süspansiyonu ekleyin. 30 saniye aralıklarla, 2 mM NaOH çözeltisi yaklaşık olarak 0.2 ml ilave edilerek karışımın titre edilir.
  3. Bir iletkenlik ölçer kullanarak iletkenliği ölçün. NaOH eklenerek sırasında iletkenlik eğrisi üzerinde dönüm noktası (en alçak noktası) bulun.
  4. Cı NaOH çözeltisi (mol / L) konsantrasyonu olan, aşağıdaki denklem kullanılarak bükülme noktasına tüketilen NaOH nisbetle göre karboksil grupları (mmol / L) miktarını hesaplayın, V (mL NaOH çözeltisi hacmi ), m) OD ağırlığı (g CNCs ya CNFs kütlesidir.
    figure-protocol-5566

8. CNC ve CNF Termal Stabilite Tayini

  1. t termal bozunma ölçümlerini yapmakO CNC ve CNF termogravimetrik analiz (TGA) ile örnekler.
  2. İstenmeyen oksidatif ayrışmasını engellemek için 20 mL / dakika, yüksek saflıkta bir azot akımı kullanılarak fırın temizleyin. test edilmeden önce 4 saat boyunca 50 ° C'de numune kurutun. kuru ağırlığa göre 5 mg'lık bir numune boyutu kullanın.
  3. fırın sıcaklığı 10 ° C / dk'lık bir ısıtma hızında oda sıcaklığından 600 ° C'ye yükseltildi olarak numunenin ağırlığı kaydedin.
  4. başlangıç ​​ağırlığı ile ölçülür kilo kaybını normalleştirmek.
  5. 105 ° C de bir fırında CNC ve CNF örneklerinin ayrı termal stabilite testleri yürütmek. Geleneksel fotoğraf ile 4 ve 24 saat sonra numunelerin renk değişikliği kaydetmek.

9. X-ışını difraksiyon

  1. Tuşuna, daha önce tarif edildiği gibi granül hale getirmek için 180 MPa CNC veya CNF örnekleri dondurularak kurutulmuştur. 38 - 10 2θ aralığında bir X-ışını difraktometre Cu-Ka radyasyon kullanılarak pelet 5 Davranış geniş açılı X-ışını kırılma ölçümleri0.02 ° 'lik adımlarla °.
  2. Segal yöntemi 19 kullanarak bir pelet kristalliği indeksi (CRI) hesaplayın (taban çizgisi çıkarma olmadan).

Sonuçlar

Besleme asit hidrolize liflerin ilgili SEM görüntüleri ile birlikte BEP ve UMHP gelen CNC ve CNF tipik AFM görüntüleri, Şekil 1 ve 2'de gösterilmektedir. Görüntüleri net (2b ile 1b ile Şekil 1a karşılaştıran ve 2a) en az lif çaplarında değişiklik ile asit hidrolizi ile lif uzunluğu önemli azalmalar gösterir. kısaltılmış lif uzunluğu da hidrolize liflerin polimerizasyon ölçülen selüloz...

Tartışmalar

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...

Açıklamalar

Chen ve Çu CNC ve CNF üretimi için dikarboksilik asitlerin kullanılması ABD Patent Başvurusu eş mucitleri.

Teşekkürler

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.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Bleached eucalypus pulp Aracruz Cellulose
Unbleached mixed hardwood kraft pulp International Paper 
Maleic acidSigma-AldrichM0375-1KG/CAS110-16-7Powder; assay: 99.0% (HPLC)
GlycerolSigma-AldrichG5516-4L/CAS56-81-5
Sodium hydroxideFisher ScientificS318-500/CAS1310-73-2, 497-19-8Certified ACS
Sodium chlorideMallinckrodt7581-12/CAS7647-14-5Crystal,AR
Cupriethylenediamine solutionGFS ChemicalsE32103-1L/CAS14552-35-31 M, for determination of solution viscosity of pulps
AcetoneFisher ScientificA18-500/CAS67-64-1Certified ACS
Accu-TestTM Vials for COD TestingBioscience,Inc.01-215-28COD testing for 20 to 900 mg/L standard range concentration
Heating plateIKAMode: C-MAD HS7 digital
Magnetic stir barACE Glass
Pyrex three-neck round-bottom flaskSigma-AldrichCLS4965B500-1EA
Dialysis tubing cellulose membraneSigma-AldrichD9402-100FTTypical molecular weight cut-off = 14,000 kDa
Disposable aluminum dishesSigma-AldrichZ154857-1PAKCircles, 60 mm
DisintegratorTesting Machines Inc.(TMI)
MicrofluidizerMicrofluidics Corporation
SonicatorQsonica LLC.Mode: 3510R-MT, 50-60 Hz, 180 W
Zeta potential analyzerBrookhaven Instruments Corporation
FTIRPerkinElmer
Conductometric titratorYellow Springs Instrument (YSI)
TGA analyzerPerkinElmer
X-ray diffractometerBruker Corporation
AFM imging AFM Workshop
SEM imagingCarl Zeiss

Referanslar

  1. 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).
  2. Zhu, H., et al. Wood-Derived Materials for Green Electronics, Biological Devices, and Energy Applications . Chem. Rev. , (2016).
  3. 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).
  4. Hamad, W. Y., Hu, T. Q. Structure-process-yield interrelations in nanocrystalline cellulose extraction. Can J Chem Eng. 88 (3), 392-402 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Huang, Y. B., Fu, Y. Hydrolysis of cellulose to glucose by solid acid catalysts. Green Chem. 15 (5), 1095-1111 (2013).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Fischer, E., Speier, A. Darstellungder der Ester. Chemische Berichte. 28 (3), 3252-3258 (1895).
  17. Allen, T. C., Cuculo, J. A. Cellulose derivatives containing carboxylic acid groups. J Polym Sci: Macromol Rev. 7 (1), 189-262 (1973).
  18. 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).
  19. 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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

KimyaSay 119Sel loz NanomalzemelerSel loz nanokristaller CNCSel loz nanofibrillerin CNFDi karboksilik asit hidrolizasit kurtarmaTermal kararl l kDa lmaY zey karboksilasyon

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır