استخراج نانو سلولز کریستالی از تفاله چغندرقند و مشخصه‌سازی آن

نوع مقاله : نانوفناوری

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 استادیار،دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 استاد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

نانو سلولز کریستالی به دلیل خواصی مانند نسبت سطح ویژه زیاد، بلورینگی بالا و خواص مکانیکی و نوری خوب به‌عنوان یک ماده کاربردی شناخته می‌شود. این ماده به‌عنوان یک کلاس مواد جدید برای محصولات نظامی پیشرفته مانند جلیقه‌های ضدگلوله، مواد مقاوم در برابر آتش، پیشرانه‌ها و محصولات الکترونیکی ظهور کرده است. در این تحقیق سلولز با خلوص بالا از تفاله چغندرقند به روش خمیرسازی سودا - آنتراکینون استخراج و برای حذف حداکثر همی سلولز  و لیگنین سفیدکاری انجام شد. سپس از سلولز استخراج شده با سولفوریک اسید 64% نانو سلولز کریستالی تولید گردید. نانو سلولز کریستالی حاصل با استفاده از پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، طیف‌سنجی مادون‌قرمز-تبدیل فوریه (FTIR) و دستگاه وزن سنج حرارتی (TGA) مشخصه‌یابی شد. تجزیه‌وتحلیل میکروسکوپ الکترونی عبوری وجود نانو سلولز کریستالی را تأیید کرد. هیدرولیز با سولفوریک اسید غلیظ باعث افزایش تبلور سلولز گردید و ابعاد آن به را مقیاس نانو کاهش داد. قطر نانو سلولز کریستالی در محدوده کمتر از nm۲۰، طول آن در محدودهnm ۲۰۰-۴۰۰ و راندمان تولیدش ۵۳% گزارش ‌شده که قابل‌مقایسه با نانو سلولز کریستالی حاصل از منابع چوبی و دیگر زیست‌توده‌هاست. این محصول قابلیت بکار بردن در انواع کاربردهای نظامی اعم از کامپوزیت‌های مقاوم و سبک، سطوح دارای خصوصیت ضدخوردگی و پانسمان‌ را دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Smiley face

[1]   Zanidis, T. “The World Defense Expenditure 2019 and trends in the Covid19 era”; HAPSc Policy Briefs Ser. 2020, 140–148.
[2]   Sargent, J. F. “Government Expenditures on Defense Research and Development by the United States and Other OECD Countries: Fact Sheet”; Washington, DC Congr. Res. Serv, 2018.
[3]   Council, N. R. Materials Research to Meet 21st-Century Defense Needs. National Academies Press, 2003.
[4]   Kumar, N.; Dixit, A. “Role of Nanotechnology in Futuristic Warfare”; Nanotechnology for Defence Applications, Springer, 2019, 301–329.
[5]   Deshpande, A.; Agarwal, M.; Shrestha, S.; Giakos, G. C. “Nanoscale Spectroscopy for Defense and National Security”; Nanoscale Spectroscopy with Applications, CRC Press, 2018, 501–529.
[6]   Altmann, J. “Military Nanotechnology: Potential Applications and Preventive Arms Control”; Routledge, 2007.
[7]   Singh, P. “From Cellulose Dissolution and Regeneration to Added Value Applications—Synergism between Molecular Understanding and Material Development”; Cellul. Asp. Curr. Trends 2015, 1-44.
[8]   Habibi, Y.; Lucia, L. A.; Rojas, O. J. “Cellulose Nanocrystals: Chemistry, Self-Assembly, and Applications”; Chem. Rev. 2010, 3479–3500.
[9]   Toğrul, H.; Arslan, N. “Flow Properties of Sugar Beet Pulp Cellulose and Intrinsic Viscosity–Molecular Weight Relationship”; Carbohydr. Polym. 2003, 63–71.
[10] Martani, F. “Conversion of Sugar Beet Residues into Lipids by Lipomyces Starkeyi for Biodiesel Production”; Microb. Cell Fact. 2020, 1–13.
[11] Ziemiński, K.; Kowalska-Wentel, M. “Effect of Enzymatic Pretreatment on Anaerobic Co-Digestion of Sugar Beet Pulp Silage and Vinasse”; Bioresour. Technol. 2015, 274–280.
[12] Modelska, M. “Concept for Recycling Waste Biomass From the Sugar Industry for Chemical and Biotechnological Purposes”; Molecules 2017, 1544.
[13] Toğrul, H.; Arslan, N. “Production of Carboxymethyl Cellulose from Sugar Beet Pulp Cellulose and Rheological Behaviour of Carboxymethyl Cellulose”; Carbohydr. Polym. 2003, 73–82.
[14] Ghazy, M. B.; Esmail, F. A.; El-Zawawy, W. K.; Al-Maadeed, M. A.; Owda M. E. “Extraction and Characterization of Nanocellulose Obtained from Sugarcane Bagasse as Agro-Waste”; J. Adv. Chem. 2016.
[15] Chen, M.; Ma Q.; Zhu, J. Y.; Alonso, D. M.; Runge, T.  “GVL Pulping Facilitates Nanocellulose Production from Woody Biomass”; Green Chem. 2019, 5316–5325.
[16] Dufresne, A. Nanocellulose: from nature to high performance tailored materials. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2017.
[17] Norrrahim, M. N. F. “Nanocellulose: the Next Super Versatile Material For The Military”; Mater. Adv. 2021.
[18] Okahisa, Y.; Yoshida, A.; Miyaguchi, S.; Yano, H. “Optically Transparent Wood–Cellulose Nanocomposite as a Base Substrate for Flexible Organic Light-Emitting Diode Displays”; Compos. Sci. Technol. 2009, 1958–1961.
[19] Dufresne, A. “Nanocellulose: Potential Reinforcement in Composites”; Nat. Polym. 2012, 1–32.
[20] Moon, R. J.; Martini, A.; Nairn, J.; Simonsen, J.; Youngblood, J. “Cellulose Nanomaterials Review: Structure, Properties and Nanocomposites”; Chem. Soc. Rev. 2011, 3941–3994.
[21] Bras, J.; Hassan, M. L.; Bruzesse, C.; Hassan, E. A.; El-Wakil, N. A.; Dufresne, A. “Mechanical, Barrier, and Biodegradability Properties of Bagasse Cellulose Whiskers Reinforced Natural Rubber Nanocomposites”; Ind. Crops Prod. 2010, 627–633.
[22] Toha, N. “Preliminary development of Laminated Nanocomposite from Nanocellulose-Kevlar for Military Application”; Int. J. Curr. Res. Sci. Eng. Technol. 2018, 1, 30967.
[23] Wang, B.; Sain, M. “Isolation of Nanofibers from Soybean Source and their Reinforcing Capability on Synthetic Polymers”; Compos. Sci. Technol. 2007, 2521–2527.
[24] Hayase, G.; Kanamori, K.; Hasegawa, G.; Maeno, A.; Kaji, H.; Nakanishi, K. “A Superamphiphobic Macroporous Silicone Monolith with Marshmallow‐Like Flexibility”; Angew. Chem. 2013, 10988–10991.
[25] Liu, K.; Tian, Y.; Jiang, L. “Bio-Inspired Superoleophobic and Smart Materials: Design, Fabrication, and Application”; Prog. Mater. Sci. 2013, 503–564.
[26] Si, Y.; Guo, Z. “Superhydrophobic Nanocoatings: From Materials to Fabrications and to Applications”; Nanoscale 2015, 5922–5946.
[27] Habibi, Y. “Key Advances in the Chemical Modification of Nanocelluloses”; Chem. Soc. Rev. 2014, 1519–1542.
[28] Phanthong, P. “Amphiphobic Nanocellulose-Modified Paper: Fabrication and Evaluation”; RSC Adv. 2016, 13328–13334.
[29] Iwamoto, S.; Nakagaito, A. N.; Yano, H.; Nogi, M. “Optically Transparent Composites Reinforced with Plant Fiber-Based Nanofibers”; Appl. Phys. 2005, 1109–1112.
[30] Yang, H.,; Tejado, A.; Alam, N.; Antal, M.; van de Ven, T. G. M. “Films Prepared from Electrosterically Stabilized Nanocrystalline Cellulose”; Langmuir 2012, 7834–7842.
[31] Abitbol, T. “Nanocellulose, a Tiny Fiber with Huge Applications”; Curr. Opin. Biotechnol. 2016, 76–88.
[32] Pandey, A. “Pharmaceutical and Biomedical Applications of Cellulose Nanofibers: A Review”; Environ. Chem. Lett. 2021, 1–13.
[33] Das, S.; Ghosh, B.; Sarkar, K. “Nanocellulose as Sustainable Biomaterials for Drug Delivery”; Sensors Int. 2022, 100135.
[34] Subhedar, A.; Bhadauria, S.; Ahankari, S.; Kargarzadeh, H. “Nanocellulose in Biomedical and Biosensing Applications: A Review”; Int. J. Biol. Macromol. 2021, 587–600.
[35] Klemm, D. “Nanocelluloses: A New Family of Nature‐Based Materials”; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 5438–5466.
[36] Xing, L.; Gu, J.; Zhang, W.; Tu, D.; Hu, C. “Cellulose I and II nanocrystals produced by sulfuric acid hydrolysis of Tetra Pak Cellulose I”; Carbohydr. Polym. 2018, 184–192.
[37] Beltramino, F.; Roncero, M. B.; Torres, A. L.; Vidal, T.; Valls, C. “Optimization of Sulfuric Acid Hydrolysis Conditions for Preparation of Nanocrystalline Cellulose from Enzymatically Pretreated Fibers”; Cellulose 2016, 1777–1789.
[38] Ventorim, G.; Favaro, J. S. C.; Frigieri, T. C. “Effect of Kraft Pulping Temperature and Alkalinity on Eucalyptus ECF Bleaching”; Cellul. Chem. Technol. 2016, 1025–1033.
[39] Barros, P. J. “Soybean Hulls: Optimization of the Pulping and Bleaching Processes and Carboxymethyl Cellulose Synthesis”; Int. J. Biol. Macromol. 2020, 208–218.
[40] Emmans, G. C.; Cropper, M. R.; Dingwall, W. S.; Brown, H.; Oldham, J. D.; Harland, J. I. “Efficiencies of Use of the Metabolisable Energy From Feeds Based on Barley or Sugar Beet Feed in Immature Sheep”; Proc. Br. Soc. Anim. Prod. 1989, 60.
[41] Alves, J. A. A. “Sorghum Straw: Pulping and Bleaching Process Optimization and Synthesis of Cellulose Acetate”; Int. J. Biol. Macromol. 2019, 877–886.
[42] Dong, X. M.; Revol, J. F.; Gray, D. G. “Effect of Microcrystallite Preparation Conditions on the Formation of Colloid Crystals of Cellulose”; Cellulose 1998, 19–32.
[43] Chen, L.; Wang, Q.; Hirth, K.; Baez, C.; Agarwal, U. P.; Zhu, J. Y. “Tailoring the Yield and Characteristics of Wood Cellulose Nanocrystals (CNC) Using Concentrated Acid Hydrolysis”; Cellulose 2015, 1753–1762.
[44] Segal, L.; Creely, J. J.; Martin Jr, 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. 1959, 786–794.
[45] Nam, S.; French, A. D.; Condon, B. D.; Concha, M. “Segal Crystallinity Index Revisited by the Simulation of X-Ray Diffraction Patterns of Cotton Cellulose Iβ and Cellulose II”; Carbohydr. Polym. 2016, 1–9.
[46] Wise, L. E. “Chlorite Holocellulose, Its Fractionation and Bearing on Summative Wood Analysis and on Studies on the Hemicelluloses”; Pap. Trade 1946, 35–43.
[47] Khan, A.; Jawaid, M.; Kian, L. K.; Khan, A. A. P. ; Asiri, A. M. “Isolation and Production of Nanocrystalline Cellulose from Conocarpus Fiber”; Polymers 2021, 11-19.
[48] Gupta, V.; Ramakanth, D.; Verma, C.; Maji, P. K.; Gaikwad, K. K. “Isolation and Characterization of Cellulose Nanocrystals from Amla (Phyllanthus Emblica) Pomace”; Biomass Conversion and Biorefinery 2021, 10-12.
[49] Zarei, A. R.; Pourabdollahi, H. “Synthesis of Carbon Nanotube/Iron-Nickel Nanocomposite by Reduction in Solution Method as Radar Absorbing Nanostracture”;  Adv. Defense Sci. & Technol. 2018, 59-66. (in Persian.(