تأثیر استخراج قلیایی سرد بر ویژگی‌های نانوکریستال‌ها و نانو‌فیبریل‌های لیگنوسلولزی تولید‌شده از خمیرکاغذ مونو‌اتانول‌آمین باگاس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی دانشگاه تهران، کرج

2 دانشیار، گروه علوم و مهندسی کاغذ، دانشکدۀ مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان

3 استادیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدۀ منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج

4 استاد، مؤسسۀ شیمی چوب، دانشگاه فنی درسدن، آلمان

5 دانشیار، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکدۀ منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج

10.22059/jfwp.2022.342020.1211

چکیده

در این پژوهش، تولید نانوکریستال‌های لیگنوسلولزی (LCNCs) و نانوفیبریل‌های لیگنوسلولزی (LCNFs) با استفاده از استخراج قلیایی سرد (CCE) به‌عنوان پیش‌تیمار قلیایی بر خمیرکاغذ مونواتانول‌آمین (MEA) باگاس بررسی شد. تیمار استخراج قلیایی سرد با خالص‌سازی سلولز، استخراج همی‌سلولزها و همچنین تورم الیاف می‌تواند کارایی تولید و ویژگی‌های حرارتی و مورفولوژیکی LCNCs و LCNFs را بهبود بخشد. تیمار بهینۀ استخراج قلیایی سرد با استفاده از هیدروکسید سدیم 10 درصد، دمای 20 درجۀ سانتی‌گراد و زمان 1 ساعت روی خمیرکاغذ انجام گرفت. تولید LCNCs با فرایند هیدرولیز اسیدی با استفاده از اسیدسولفوریک 64 درصد، زمان 45 دقیقه، دمای 45 درجۀ ‌سانتی‌گراد و تولید LCNFs با استفاده از دستگاه میکروسیال‌ساز با عبور از سه تیغه با قطرهای 50، 100 و 200 میکرومتر به‌ترتیب به‌مدت دو، چهار و شش ساعت انجام گرفت. براساس تصاویر SEM، تیمار استخراج قلیایی سرد، میانگین قطر LCNCs را از 91/66 نانومتر به 63/34 نانومتر و میانگین قطرLCNFs را از 13/27 به 35/17 کاهش داد. همچنین نتایج اندازه‌گیریXRD نشان داد که تیمار استخراج قلیایی سرد، بلورینگی LCNCs را از 31/87 به 84/93 و بلورینگی LCNFs را از 68/81 به 47/83 افزایش داد. براساس نتایج آنالیز گرماسنجی حرارتیTGA و DTG نیز استخراج قلیایی سرد، پایداری حرارتی نانولیگنوسلولزها را افزایش می‌دهد. همچنین نتایج FTIR کاهش مقدار همی‌سلولزها و لیگنین را از سطح الیاف در اثر استخراج قلیایی سرد تأیید می‌کنند. در کل نتایج نشان‌دهندۀ بهبود و اصلاح خواص نانولیگنوسلولزها با استفاده از پیش‌تیمار ساده و سریع است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of cold caustic extraction on the properties of lignocellulosic nanocrystals (LCNCs) and lignocellulosic nanofibriles (LCNFs) produced from monoethanolamine (MEA) pulp of bagasse

نویسندگان [English]

  • Saleh Ghahramani 1
  • Sahab Hedjazi 2
  • Soheila Izadyar 3
  • Steffen Fischer 4
  • ِِAli Abdolkhani 5
1 PhD. student of wood and paper, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj. I.R. Iran.
2 Assoc., Prof.,, Department of Paper Sciences and Engineering, Faculty of Wood and Paper Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan. I.R. Iran.
3 Assist., Prof., Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj. I.R. Iran.
4 Prof., Institute of Wood and Plant Chemistry, Technical University of Dresden, Dresden,, Germany.
5 Assoc., Prof., Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj. I.R. Iran.
چکیده [English]

In this study, the production of lignocellulosic nanocrystal (LCNC) and lignocellulosic nanofibril (LCNF) was investigated using cold caustic extraction (CCE) as an alkaline pre-treatment on monoethanolamine (MEA) pulp of bagasse. CCE treatment can improve the production efficiency, and thermal and morphological properties of LCNCs and LCNFs with cellulose purification, hemicelluloses extraction as well as fiber swelling. The optimum cold caustic extraction treatment on the pulp was obtained using 10 % sodium hydroxide at 20 ° C for 1 hour. LCNCs were produced by acid hydrolysis method using 64 % sulfuric acid, a retention time of 45 min. at 45 ° C. LCNFs were prepared by a microfluidizer passing through three chambers with diameters of 50, 100, and 200 μm for 2, 4, and 6 hours, respectively. SEM images showed that cold caustic extraction reduced the average diameters of LCNCs from 66.91 nm to 34.63 nm and the average diameter of LCNFs from 27.13 to 17.35 nm. The results of XRD also showed that after CCE treatment, the crystallinity index of LCNCs and LCNFs increased from 87.31 to 93.84 % and from 81.68 to 83.47 %, respectively. The results obtained from TGA and DTG thermal analyses show that cold caustic extraction treatment increases the thermal stability of the nanolignocelluloses. FTIR results confirmed that the amount of hemicelluloses and lignin was reduced from the fiber surface after cold caustic extraction treatment. Generally, the results show the improvement and modification of the properties of nanolignocelluloses using a simple and fast pretreatment method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lignocellulosic nanocrystal (LCNC)
  • Lignocellulosic nanofibril (LCNF)
  • Cold Caustic Extraction (CCE)
  • Monoethanolamine pulp
  • Bagasse

مراجع

[1]. Mehanny, S., Ibrahim, H., Darwish, L., Farag, M., El-Habbak, A.H.M., and El-Kashif, E. (2020). Effect of Environmental Conditions on Date Palm Fiber Composites. In Date Palm Fiber Composites; Springer, 287–320.
[2]. George, J., and Sabapathi, S.N. (2015). Cellulose nanocrystals: synthesis, functional properties, and applications, Nanotechnology, Science and Applications, 45-50.
[3]. Nechyporchuk, O., Belgacem, M.N., and Bras, J. (2015) Production of cellulose nanofibrils: A review of recent advances. Industrial Crops and Products., 93, 2–25.
[4]. Wang, Y., Liu, SH., Wang, Q., Fu, X., and Fatehi, P. (2020). Performance of polyvinyl alcohol hydrogel reinforced with lignin-containing cellulose nanocrystals, Cellulose, 27:8725–8743.
[5]. Ewulonu, CH, M., Liu. X., Wu, M., and Huang, Y. (2019). Ultrasound-assisted mild sulphuric acid ball milling preparation of lignocellulose nanofibers (LCNFs) from sunflower stalks (SFS), Cellulose, 26: 4371-4389.
[6]. Bian, H., Chen, L., Dai, H., and Zhu, J.Y. (2017). Integrated production of lignin containing cellulose nanocrystals (LCNC) and nanofibrils (LCNF) using an easily recyclable di-carboxylicacid, Carbohydrate Polymers, 167, 167-176.
 [7]. Li, P., Sirviö, A., Haapala., and Liimatainen, H. (2017). Cellulose nanofibrils from nonderivatizing urea-based deep eutectic solvent pretreatments. ACS, Applied Materials & Interfaces, 9, 2846–2855.
[8]. Hedjazi, S., Kordsachia, O., Patt, R., and Kreipl, A. (2009). MEA/water/AQ- pulping of wheat straw. Holzforschung, 63(5):505-512.
[9]. Colodette, J. L., and Gomes, F. J. B. (2014). A novel approach for maximizing eucalypt kraft pulp yield and bleachability. Journal of Schience and Technology for Forest Products and Processes, 4(5):38-44.
[10]. Hutterer, C., Schild, G., and Potthastp, A. (2016). A precise study on effects that trigger alkaline hemicellulose extraction efficiency. Bioresource Technology, 214, 460-467.
[11]. Chen, Y., Zhang, H., Feng, X., Liang, M., Zhang, Y., and Dai, H. (2021). Lignocellulose nanocrystals from pineapple peel: Preparation, characterization and application as efficient Pickering emulsion stabilizers, Food Research International 150, 110738
[12]. Kim, J.S., Lee, Y.Y., and Kim, T.H. (2016). A review on alkaline pretreatment technology for bioconversion of lignocellulosic biomass. Bioresource Technology. 199, 42–48.
[13]. Herrera, M., Thitiwutthisakul, K., Yang, X., Rujitanaroj, P., Rojas, R., and Berglund, L. (2018). Preparation and evaluation of high-lignin content cellulose nanofibrils from eucalyptus pulp. Cellulose, 25(5), 3121–3133.
[14]. Huang, B., He, H., Liu, H., Zhang, Y., Peng, X., and Wang, B. (2020). Multi-typecellulose nanocrystals from sugarcane bagasse and their nanohybrids constructed with polyhedral oligomericsilsesquioxane. Carbohydrate Polymers, 227:115368.
[15]. Li, Q., and Renneckar, S. (2011). Supramolecular structure characterization of molecularly thin cellulose In Nanoparticles. Biomacromolecules, 12, 650–659.
[16] Zhang, B., Huang, Ch., Zhao, H., Wang, J., Yin, C., Zhang, L., and Zhao, Y. (2019). Efects of cellulose nanocrystals and cellulose nanofibers on the structure and properties of polyhydroxybutyrate nanocomposites, Polymers, 11, 2063.
[17]. Bilatto, S., Marconcini, J. M., Mattoso, L. H. C., and Farinas, C. S. (2020). Lignocellulose nanocrystals from sugarcane straw. Industrial Crops and Products, 157, 112938.
[18]. Huang, L., Yang, Z., Li, M., Liu, Z., Qin, C., Nie, S., and Yao, S. (2020). Effect of pre-corrected pH on the carbohydrate hydrolysis of bamboo during hydrothermal pretreatment. Polymers, 12(3), 612.
[19]. Dai, H., Ou, S., Liu, Z., and Huang, H. (2017). Pineapple peel carboxymethyl cellulose/ polyvinyl alcohol/mesoporous silica SBA-15 hydrogel composites for papain immobilization. Carbohydrate Polymers, 169, 504–514.
[20] Doh, H., Lee, M. H., and Whiteside, W. S. (2020). Physicochemical characteristics of cellulose nanocrystals isolated from seaweed biomass. Food Hydrocolloids, 102, 105542.
نشریه جنگل و فرآورده های چوب
دوره 75، شماره 3
آذر 1401
صفحه 281-293

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار