隔离的麦秸纤维素使用碱性过氧化氢和酸化亚氯酸钠治疗:比较产量和属性

文摘

环境问题由于过度使用合成或石油材料鼓励科学家开发新颖的,可持续的,并使用丰富的木质生物质多功能材料。在这项工作中,研究从小麦秸秆纤维素的隔离使用两种不同的方法:亚氯酸钠酸化和碱性过氧化氢。进行了比较研究的基础上,提取纤维素的产量和属性。最终产品(治疗后)傅里叶变换红外光谱(ir)、x射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)属性的识别。治疗孤立的纯白色纤维素。然而,纤维素的产量分离通过酸化亚氯酸钠治疗(81.4%)高于碱性过氧化氢处理(79%)。此外,没有巨大的差异在提取纤维素的结晶度和热性能。

1。介绍

过度使用和依赖nonsustainable材料(合成或石油)导致了生态和经济危机在世界各地。它使研究者发现潜在的替代,应可持续材料来自可再生能源,特别是木质纤维素的微生物(1]。利用木质生物质开发利用产品有许多优势等石油分数的提高,生物降解能力,成本和能源效率和环境友好的性质(2]。

在各种生物质类型,小麦秸秆(小麦)是世界上最可取的生物量因为它的可用性。巴基斯坦有丰富的小麦的生产。在2017 - 18年,小麦种植面积874.3万公顷,年产量为2549.2万吨的小麦(巴基斯坦统计局)。因此,非常少量的小麦作物的浪费是用于牲畜、和主要用于燃烧的目的,产生的环境问题。此外,通过考虑所有这些因素,麦秸可以被认为是生物材料对于许多国内和工业应用。

纤维素,半纤维素,木质素在麦秸33 - 45%,19 - 32%和8 - 16%,分别3]。由于小麦秸秆纤维素内容包含的数量,它可以用于分离纤维素从noncellulosic组件(半纤维素和木质素)。纤维素是生物圈中最丰富的生物聚合物,由葡萄糖单体单元,通过连接β1,4糖苷联系(4]。对纤维素的兴趣是由于其通用的性质和生物相容性,提高,生物降解性、无毒性。此外,纤维素转化为纤维素纳米粒子进一步提高其利用率的增加比表面积和长宽比和增强热机的属性。这些属性使纤维素纳米粒子最具吸引力和创新新颖应用从纤维素复合材料颗粒,过滤媒体、油漆、包装、生物医学和吸附剂产品(5]。表中给出了纤维素的应用列表1。

这项工作的目的是调查和比较纤维素的产量和物理化学性质与麦秸使用两个不同的改性化学处理:酸化亚氯酸钠(ASC)和碱性过氧化氢(AHP)。ir、SEM、XRD和TGA被用于识别和比较孤立的纤维素通过两种不同的方法。

2。材料和方法

2.1。材料

小麦(小麦)作物废料通常命名为麦秸(WS)用于这项工作获得Shalimar商店,当地市场在拉合尔,巴基斯坦。WS首先脱蜡使用乙醇比例(0.1% w / v,生物量/乙醇;1:10 g / mL) 6小时。然后,脱蜡麦秸(DWS)用过多的水彻底清洗丢弃不需要的粒子和干水分含量低于10% (ASTM D4442-16)。亚氯酸钠(NaClO₂)的技术等级(80%)从UNI-CHEM购买化学试剂。乙醇(C₂H₅哦),醋酸(CH₃分析年级羧基),氢氧化钠(氢氧化钠)和过氧化氢(H₂O₂从西格玛奥德里奇)购买。

2.2。方法

2.2.1。隔离的纤维素通过酸化亚氯酸钠(ASC)治疗

2.5克DWS分散在80毫升热水(80°C)。暂停添加缓冲区被漂白的醋酸(0.5毫升),亚氯酸钠(1 g)回流(油浴在80°C)为4小时。漂白的步骤重复了四次。治疗后,残渣(全纤维素)已筛和过度的蒸馏水洗其次是烘箱干燥24小时的75°C。漂白处理后,残渣(全纤维素)处理重量17.5%的氢氧化钠(100厘米(氢氧化钠)解决方案³)在室温下30分钟。碱(氢氧化钠)治疗进行了两次。残渣(DWS_ASC)过滤然后用过度蒸馏水洗到中性ph残渣(DWS_ASC在75°C)烤箱干进一步使用。

2.2.2。隔离的纤维素碱性过氧化氢(AHP)治疗

层次分析法解决方案是由混合1%碱性溶液(1%;氢氧化钠/小时₂O;1 g / 100毫升)到20%双氧水(20%;H₂O₂/小时₂O;33.36克/ 166.7毫升)。2.5 g DWS的分散在30毫升溶液碱性过氧化氢(AHP)在121°C的不锈钢蒸煮器35分钟。在特定时间后,残渣,DWS_{层次分析法}(白色),用蒸馏水,直到它变得自由彻底被从化学品和达到中性博士然后过滤残渣,紧随其后的是烤箱烘干在75°C为进一步使用。

2.3。描述

美国材料试验学会(ASTM)标准被用来确定治疗和治疗纤维的化学成分。的内容α纤维素、木质素和全纤维素使用ASTM D1103-55T估计,ASTM D1106-56和ASTM D1104-56分别。标准差是通过为每个样本进行反复实验计算。计算内容如下: 在哪里W=原烘箱干燥样品的重量P=不含水的内容的比例。

后获得的纤维素的表面形态两种不同治疗方法(碱性过氧化氢和酸化亚氯酸钠治疗)使用一个变量压力扫描电子显微镜观察(TESCAN织女星LMU)。测试前样品都是黄金涂层。显微镜的启动电压为8.0伏特。

DWS DWS的化学官能团分析_ASC和DWS_{层次分析法}使用傅里叶的那些时光6700年传播Nicolet执行。傅立叶变换红外光谱得到4厘米⁻¹分辨率的标准波长范围4000到450厘米⁻¹。x射线衍射仪是用来评估原始的相行为和麦秸处理。仪器条件设定在1.540一个波长(CuKα辐射),扫描速度为每秒2°和2θ2 - 80°。

DWS DWS的热稳定性_ASC和DWS_{层次分析法}特点是使用TGA Q500从助教仪器有限公司(德、美国)。每个测量的样本量是维持在2毫克。氮气环境下执行TGA的间隙60毫升/分钟的流量,并加热30°C到500°C 10°C /分钟根据ASTM E1131扫描速度。

3所示。结果与讨论

3.1。DWS的化学成分

原材料的化学成分(DWS)以下治疗(DWS后改变_ASC和DWS_{层次分析法})。与治疗纤维相比,生麦秸纤维(DWS)有很高比例的比例较低的半纤维素和木质素纤维素相比治疗纤维。的内容α纤维素从44±0.5%增加到81.4±1.5%通过酸化亚氯酸钠治疗。同样,从36±0.5%,半纤维素含量下降13±1%,木质素含量下降从17±2%±0.5%。这些结果(之前公布的结果是相似的12]。相反,碱性过氧化氢处理后,α纤维素含量从44±0.5%增加到79±1.0%,然而,从36±0.5%半纤维素和木质素含量减少到14±1%和17±2%到8±0.5%,分别。生麦秸的灰分测量使用ASTM (D2866)是7.2±0.05结果早些时候报道的范围(13- - - - - -15]。

3.2。DWS的傅立叶变换红外光谱,DWS_ASC和DWS_{层次分析法}

傅立叶变换红外光谱进行了分析官能团的存在未经处理的小麦秸秆(DWS)和小麦秸秆(DWS治疗_ASC和DWS_{层次分析法})(图1)。这个描述的目的是确定存在的纤维素,半纤维素,木质素前后特定治疗。所有三个样本提出了波长范围在700 - 1800厘米⁻¹和2700 - 3500厘米⁻¹;然而,每个样本区分它们特定的山峰。DWS的情况下,吸收峰在3400厘米⁻¹和2900厘米⁻¹分别代表-哦组和碳氢键对称拉伸振动。同样,高峰出现在1735厘米⁻¹和1248厘米⁻¹归因于一个蜡质C = O乙酰基半纤维素和C-O-C aryl-alkyl-ether木质素,分别为(16]。此外,峰值为1430厘米⁻¹,1300厘米⁻¹,1100厘米⁻¹在DWS ch的弯曲振动₂碳氢键,切断DWS光谱的纤维素。而在DWS的情况_ASC和DWS_{层次分析法}的山峰1644厘米⁻¹和895厘米⁻¹代表oh吸收水和非对称弯曲的平面环拉伸在纤维素,分别。1735厘米的缺失⁻¹和1248厘米⁻¹山峰进一步证实了以下治疗后去除木质素和半纤维素。纤维素是早些时候报道的傅立叶变换红外光谱与当前的工作,进一步证实了从DWS去除木质素和半纤维素17,18]。

3.3。DWS的XRD衍射图样,DWS_ASC和DWS_{层次分析法}

DWS的XRD衍射图样,DWS_ASC和DWS_{层次分析法}如图2。DWS纤维木质素和半纤维素的结合(无定形区域)和纤维素结晶区。治疗后,治疗纤维,DWS_ASC和DWS_{层次分析法}显示,高强度的峰值22.5°。峰值出现(22.5°)因为没有紧身上衣主要峰的强度。这种高强度峰值定义物质的结晶度。高强度达到2θ= 22.5°是纤维素我变形的迹象表明,这两个程序没有影响纤维素的晶体多态性。结晶度高是由于noncellulosic组件的有效去除。结晶度增加DWS DWS为53.92%至66.60%_ASC和DWS为66.87%_{层次分析法}。高强度峰值(2θDWS = 22.5°)_ASC和DWS_{层次分析法}(提取纤维素)是对应的晶面(002),平行结果公布之前(19,20.]。

3.4。TGA分析DWS DWS_ASC和DWS_{层次分析法}

热重量测量分析用于评估DWS的热稳定性,纤维素提取DWS治疗后(图3)。由于纤维素的化学结构的差异,半纤维素和木质素,他们预计将在不同的温度下分解。热分析的结果显示,三个阶段开始DWS的恶化在180°C,然后第二阶段:254°C和达到第三阶段:304°C。第一阶段是由于半纤维素和纤维素的降解,二是由于干扰或纤维素和木质素之间的重叠。纤维素的降解ASC DWS治疗观察到310°C,和分解温度为385°C。此外,层次分析法处理后获得的纤维素DWS开始退化在304°C,分解在360°C。可以看出,化学处理开始和分解温度增加,代表热稳定性增加。这可以归因于noncellulosic物质的去除(木质素和半纤维素)和高度的结构安排获得治疗后(21,22]。

3.5。SEM分析纤维素

图4显示了从小麦秸秆中提取纤维素的微观形态学使用两种不同的治疗方法。纤维素碱性过氧化氢处理后获得的是不规则的形状,显示删除一些组件,而纤维素酸化后得到亚氯酸钠治疗直纤维相互连接形成一个固定的形状。以下治疗之后,很明显,化学物质的形态有显著影响麦秸(DWS)治疗后,形状不规则,缩小体积,直径可以观察到纤维的扫描电镜图像。

3.6。外表

DWS的外表,DWS_ASC和DWS_{层次分析法}如图5。治疗(ASC和AHP)后,DWS获得纯粹是白色,展出noncellulosic组件(木质素和半纤维素)被移除。

4所示。比较

虽然孤立纤维素使用两种不同的预处理方法,重要差异注意到如下:(1)在隔离期间,时间是一个重要因素。ASC治疗涉及AHP相比更多的步骤,因为这个ASC治疗需要更多的时间(2)AHP治疗所需的高温条件(121°C), ASC治疗在70 - 80°C的温度条件。(3)ASC治疗高产量相比AHP治疗(4)ASC处理麦秸纤维素获得显示一点更好的热稳定性比纤维素从层次分析法获得治疗(5)纤维素来自治疗(ASC和AHP)显示了几乎相同的结晶度(6)AHP治疗更环保的ASC相比,因为完全没有氯的过程(7)AHP对麦秸显示形状不规则而麦秸处理ASC显示常规治疗纤维的形状。

5。结论

在这项研究中,成功地分离出纤维素麦秸使用两种不同的治疗方法:亚氯酸钠酸化和碱性过氧化氢。其次是治疗,残留在红外光谱的特征,表明获得的材料含有纤维素的痕迹或非常低数量的半纤维素和木质素。SEM分析显示治疗后获得的纤维素纤维不规则结构的碱性过氧化氢,而更多的常规结构出现治疗后脱蜡麦秸与酸化亚氯酸钠。XRD结果表明,纤维素的结晶度是几乎相同的隔离方法。纤维素获得使用酸化亚氯酸钠治疗(310°C)显示更好的热稳定性比碱性过氧化氢法(304°C)。的时间和产量、酸化亚氯酸钠治疗更耗费时间与高收益的81.4%。碱性过氧化氢处理花的时间少,但也出现了相对较少的收益率为79%。这种碱性过氧化氢处理更环保,完全无氯。然而,亚氯酸钠治疗转向最具吸引力的财产。

数据可用性

在生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢通讯卫星大学伊斯兰堡,拉合尔校园,提供所有的支持。

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