Целлюлоза, жер бетіндегі ең көп таралған органикалық полимер, биомассаның және әртүрлі өнеркәсіптік материалдардың маңызды бөлігін құрайды.Оның керемет құрылымдық тұтастығы биоотын өндірісі және қалдықтарды басқару сияқты қолданбалар үшін өте маңызды оның тиімді бұзылуына қиындықтар туғызады.Сутегі асқын тотығы (H2O2) қоршаған ортаға зиянсыз табиғаты мен тотықтырғыш қасиеттеріне байланысты целлюлозаны ерітуге ықтимал үміткер ретінде пайда болды.
Кіріспе:
Целлюлоза, β-1,4-гликозидтік байланыстармен байланысқан глюкоза бірліктерінен тұратын полисахарид, өсімдік жасушасы қабырғаларының негізгі құрылымдық компоненті болып табылады.Оның биомассадағы көптігі оны әртүрлі салалар, соның ішінде қағаз және целлюлоза, тоқыма және биоэнергетика үшін тартымды ресурс етеді.Дегенмен, целлюлоза фибрилдеріндегі берік сутегі байланысы желісі оны еріткіштердің көпшілігінде ерітуге төзімді етеді, бұл оны тиімді пайдалану және қайта өңдеу үшін қиындықтар тудырады.
Целлюлозаны ерітудің дәстүрлі әдістеріне концентратталған қышқылдар немесе иондық сұйықтықтар сияқты қатал жағдайлар жатады, олар көбінесе қоршаған ортамен және жоғары энергия тұтынумен байланысты.Керісінше, сутегі асқын тотығы жұмсақ тотықтырғыш табиғаты мен экологиялық таза целлюлозаны өңдеу потенциалына байланысты перспективті балама ұсынады.Бұл құжатта сутегі асқын тотығы арқылы целлюлозаның еруінің негізінде жатқан механизмдер қарастырылады және оның тиімділігі мен практикалық қолданылуы бағаланады.
Целлюлозаның сутегі асқын тотығымен еріту механизмдері:
Целлюлозаның сутегі асқын тотығымен еруі күрделі химиялық реакцияларды қамтиды, ең алдымен гликозидтік байланыстың тотығу ыдырауы және молекулааралық сутегі байланысының бұзылуы.Процесс әдетте келесі қадамдар арқылы жүреді:
Гидроксил топтарының тотығуы: Сутегі асқын тотығы целлюлозаның гидроксил топтарымен әрекеттеседі, бұл өтпелі металл иондарының қатысуымен фентон немесе фентон тәрізді реакциялар арқылы гидроксил радикалдарының (•OH) түзілуіне әкеледі.Бұл радикалдар гликозидтік байланыстарға шабуыл жасайды, тізбектің үзілуін бастайды және целлюлозаның қысқа фрагменттерін тудырады.
Сутегі байланысының бұзылуы: Гидроксильді радикалдар сонымен қатар целлюлоза тізбектері арасындағы сутегі байланысының желісін бұзады, жалпы құрылымды әлсіретеді және сольватацияны жеңілдетеді.
Еритін туындылардың түзілуі: целлюлозаның тотығу ыдырауы нәтижесінде карбон қышқылдары, альдегидтер және кетондар сияқты суда еритін аралық өнімдер түзіледі.Бұл туындылар ерігіштігін арттыру және тұтқырлықты азайту арқылы еріту процесіне ықпал етеді.
Деполимеризация және фрагментация: одан әрі тотығу және ыдырау реакциялары целлюлоза тізбегінің қысқа олигомерлерге деполимерленуіне және сайып келгенде еритін қанттарға немесе басқа төмен молекулалық салмақты өнімдерге әкеледі.
Сутегі асқын тотығы арқылы целлюлозаның еруіне әсер ететін факторлар:
Сутегі асқын тотығымен целлюлозаны еріту тиімділігіне әртүрлі факторлар әсер етеді, соның ішінде:
Сутегі асқын тотығының концентрациясы: сутегі асқын тотығының жоғары концентрациясы әдетте реакция жылдамдығының жоғарылауына және целлюлозаның кеңірек ыдырауына әкеледі.Дегенмен, шамадан тыс жоғары концентрациялар жанама реакцияларға немесе жағымсыз жанама өнімдерге әкелуі мүмкін.
рН және температура: реакция ортасының рН мәні гидроксил радикалдарының пайда болуына және целлюлоза туындыларының тұрақтылығына әсер етеді.Целлюлозаның ерігіштігін айтарлықтай деградациясыз жақсарту үшін орташа қышқылдық жағдайлар (рН 3-5) жиі таңдалады.Сонымен қатар, температура реакция кинетикасына әсер етеді, ал жоғары температура әдетте еру процесін тездетеді.
Катализаторлардың болуы: темір немесе мыс сияқты өтпелі металл иондары сутегі асқын тотығының ыдырауын катализдеп, гидроксил радикалдарының түзілуін күшейте алады.Дегенмен, жанама реакцияларды азайту және өнім сапасын қамтамасыз ету үшін катализаторды және оның концентрациясын таңдау мұқият оңтайландырылған болуы керек.
Целлюлозаның морфологиясы және кристалдылығы: целлюлоза тізбектерінің сутегі асқын тотығы мен гидроксил радикалдарына қол жетімділігіне материалдың морфологиясы мен кристалдық құрылымы әсер етеді.Аморфты аймақтар жоғары кристалды домендерге қарағанда деградацияға көбірек бейім, бұл қол жетімділікті жақсарту үшін алдын ала өңдеуді немесе модификациялау стратегияларын қажет етеді.
Целлюлозаны ерітудегі сутегі асқын тотығының артықшылықтары мен қолданылуы:
Кәдімгі әдістермен салыстырғанда сутегі асқын тотығы целлюлозаны еріту үшін бірнеше артықшылықтар береді:
Қоршаған ортамен үйлесімділік: күкірт қышқылы немесе хлорлы еріткіштер сияқты қатты химиялық заттардан айырмашылығы, сутегі асқын тотығы салыстырмалы түрде жақсы және жұмсақ жағдайларда су мен оттегіге ыдырайды.Бұл экологиялық таза қасиет оны целлюлозаны тұрақты өңдеуге және қалдықтарды қайта өңдеуге жарамды етеді.
Жеңіл реакция жағдайлары: сутегі асқын тотығы арқылы целлюлозаны ерітуді жоғары температурадағы қышқыл гидролизімен немесе иондық сұйықтықты өңдеумен салыстырғанда энергия тұтынуды және пайдалану шығындарын азайта отырып, жұмсақ температура мен қысым жағдайында жүзеге асыруға болады.
Селективті тотығу: гликозидтік байланыстардың сутегі асқын тотығымен тотығу ыдырауын белгілі бір дәрежеде бақылауға болады, бұл целлюлоза тізбектерін селективті түрлендіруге және ерекше қасиеттері бар арнайы туындыларды өндіруге мүмкіндік береді.
Әмбебап қолданбалар: Сутегі асқын тотығы арқылы ерітуден алынған еритін целлюлоза туындылары әртүрлі салаларда, соның ішінде биоотын өндірісінде, функционалдық материалдарда, биомедициналық құрылғыларда және ағынды суларды тазартуда әлеуетті қолданбаларға ие.
Қиындықтар мен болашақ бағдарлар:
Өзінің перспективалы атрибуттарына қарамастан, сутегі асқын тотығы арқылы целлюлозаның еруі бірнеше қиындықтарға және жақсартуға арналған бағыттарға тап болады:
Селективтілік және кірістілік: ең аз жанама реакциялары бар еритін целлюлоза туындыларының жоғары шығымдылығына қол жеткізу, әсіресе лигнин мен гемицеллюлоза бар күрделі биомасса шикізаты үшін қиындық болып қала береді.
Масштабты ұлғайту және процесті біріктіру: сутегі асқын тотығы негізіндегі целлюлозаны еріту процестерін өнеркәсіптік деңгейге дейін кеңейту экономикалық өміршеңдік пен экологиялық тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін реактор дизайнын, еріткіштерді қалпына келтіруді және төменгі ағынды өңдеу қадамдарын мұқият қарастыруды талап етеді.
Катализаторды әзірлеу: Сутегі асқын тотығын белсендіру және целлюлозаны тотығу үшін тиімді катализаторларды жобалау катализатордың жүктелуін және жанама өнімдердің түзілуін барынша азайта отырып, реакция жылдамдығы мен селективтілігін арттыру үшін маңызды.
Қосалқы өнімдерді бағалау: карбон қышқылдары немесе олигомерлік қанттар сияқты сутегі асқын тотығы арқылы целлюлозаны еріту кезінде пайда болатын қосымша өнімдерді бағалау стратегиялары процестің жалпы тұрақтылығы мен экономикалық өміршеңдігін одан әрі арттыруы мүмкін.
Сутегі асқын тотығы целлюлозаны ерітуге арналған жасыл және әмбебап еріткіш ретінде маңызды перспективаға ие, бұл қоршаған ортаға үйлесімділік, жұмсақ реакция жағдайлары және селективті тотығу сияқты артықшылықтарды ұсынады.Ағымдағы қиындықтарға қарамастан, негізгі механизмдерді түсіндіруге, реакция параметрлерін оңтайландыруға және жаңа қолданбаларды зерттеуге бағытталған үздіксіз зерттеу жұмыстары целлюлозаны валоризациялау үшін сутегі асқын тотығы негізіндегі процестердің орындылығы мен тұрақтылығын одан әрі арттырады.
Жіберу уақыты: 2024 жылдың 10 сәуірі