Tselluloos on keeruline polüsahhariid, mis koosneb paljudest β-1,4-glükosiidsidemetega ühendatud glükoosüksustest. See on taimerakkude seinte põhikomponent ja annab taimerakkude seintele tugeva struktuurilise toe ja sitkuse. Pika tselluloosi molekulaarse ahela ja kõrge kristallilisuse tõttu on sellel tugev stabiilsus ja ebakindlus.
(1) Tselluloosi omadused ja lahustumise raskused
Tselluloosil on järgmised omadused, mis muudavad lahustumise keeruliseks:
Kõrge kristallilisus: tselluloosi molekulaarsed ahelad moodustavad vesiniksidemete ja Van der Waalsi jõudude tiheda võre struktuuri.
Kõrge polümerisatsiooni aste: polümerisatsiooni aste (st molekulaarse ahela pikkus) on kõrge, tavaliselt ulatudes sadadest kuni tuhandete glükoosiüksusteni, mis suurendab molekuli stabiilsust.
Vesiniksideme võrk: vesiniksidemed esinevad laialdaselt tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel, mis muudavad üldiste lahustite hävitamise ja lahustumise keeruliseks.
(2) tselluloosi lahustuvad reagendid
Praegu sisaldavad teadaolevad reagendid, mis võivad tselluloosi tõhusalt lahustada, peamiselt järgmisi kategooriaid:
1. ioonvedelikud
Ioonsed vedelikud on vedelikud, mis koosnevad orgaanilistest katioonidest ja orgaanilistest või anorgaanilistest anioonidest, tavaliselt madala volatiilsusega, kõrge termilise stabiilsuse ja kõrge reguleeritavusega. Mõned ioonsed vedelikud võivad lahustada tselluloosi ja peamine mehhanism on vesiniksidemete purustamine tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel. Tselluloosi lahustuvad tavalised ioonvedelikud hõlmavad:
1-butüül-3-metüülimidasooliumkloriid ([BMIM] CL): see ioonvedelik lahustab tselluloosi, interakteerudes vesiniksidemetega tselluloosis vesiniksideme aktseptorite kaudu.
1-etüül-3-metüülimidasooliumtsetaat ([EMIM] [AC]): see ioonvedelik võib lahustada tselluloosi kõrgeid kontsentratsioone suhteliselt kergetes tingimustes.
2. amiini oksüdeeriv lahus
Amiini oksüdeerimislahust, näiteks dietüülamiini (DEA) ja vaskkloriidi segatud lahust, nimetatakse [Cu (II) -ammooniumi lahuseks], mis on tugev lahustisüsteem, mis võib tselluloosi lahustada. See hävitab tselluloosi kristallstruktuuri oksüdatsiooni ja vesiniksideme kaudu, muutes tselluloosi molekulaarse ahela pehmemaks ja lahustuvamaks.
3. liitiumkloriidi-dimetüülatsetamiid (LICL-DMAC) süsteem
LICL-DMAC (liitiumkloriidi dimetüülatsetamiid) süsteem on üks klassikalisi tselluloosi lahustamise meetodeid. LICL võib moodustada vesiniksidemete konkurentsi, hävitades seeläbi vesiniksideme võrgu tselluloosi molekulide vahel, samas kui DMAC kui lahusti võib interakteeruda hästi tselluloosi molekulaarse ahelaga.
4. vesinikkloriidhappe/tsinkkloriidi lahus
Süsrokloriidhappe/tsinkkloriidi lahus on varajane avastatud reagent, mis võib tselluloosi lahustada. See võib lahustada tselluloosi, moodustades koordinatsioonifekti tsinkkloriidi ja tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel ning vesinikkloriidhapet, mis hävitab vesiniksidemed tselluloosi molekulide vahel. Kuid see lahendus on seadmete suhtes väga söövitav ja on piiratud praktiliste rakenduste poolest.
5. fibrinolüütilised ensüümid
Fibrinolüütilised ensüümid (näiteks tsellulaasid) lahustavad tselluloosi, katalüüsiks tselluloosi lagunemist väiksemateks oligosahhariidideks ja monosahhariidideks. Sellel meetodil on lai valik rakendusi biolagunemise ja biomassi muundamise valdkonnas, ehkki selle lahustumisprotsess ei ole täielikult keemiline lahustumine, vaid see saavutatakse biokatalüüsi kaudu.
(3) Tselluloosi lahustumise mehhanism
Erinevatel reagentidel on tselluloosi lahustamiseks erinevad mehhanismid, kuid üldiselt võib neid omistada kahele peamisele mehhanismile:
Vesiniksidemete hävitamine: vesiniksidemete hävitamine tselluloosi molekulaarsete ahelate vahel vesiniksideme moodustumise või ioonse interaktsiooni kaudu, muutes selle lahustuvaks.
Molekulaarse ahela lõdvestamine: tselluloosi molekulaarsete ahelate pehmuse suurendamine ja molekulaarsete ahelate kristallilisuse vähendamine füüsikaliste või keemiliste vahenditega, nii et neid saab lahustites lahustada.
(4) Tselluloosi lahustumise praktilised rakendused
Tselluloosi lahustumisel on olulised rakendused paljudes valdkondades:
Tselluloosi derivaatide ettevalmistamine: Pärast tselluloosi lahustamist saab seda keemiliselt modifitseerida tselluloosi eterite, tselluloostrite ja muude derivaatide valmistamiseks, mida kasutatakse laialdaselt toidu, ravimite, kattete ja muudes väljades.
Tselluloospõhised materjalid: saab valmistada lahustunud tselluloosi, tselluloosi nanokiude, tselluloosimembraanide ja muude materjalide kasutamist. Nendel materjalidel on head mehaanilised omadused ja biosobivus.
Biomassi energia: tselluloosi lahustamisel ja lagundamisel saab selle muuta kääritavateks suhkruteks biokütuste, näiteks bioetanooli tootmiseks, mis aitab saavutada taastuvenergia arengut ja kasutamist.
Tselluloosi lahustumine on keeruline protsess, mis hõlmab mitmeid keemilisi ja füüsikalisi mehhanisme. Ioonsed vedelikud, amino-oksüdeerimislahused, LICL-DMAC süsteemid, vesinikkloriidhappe/tsingikloriidi lahused ja rakkude ensüümid on teadaolevalt tselluloosi lahustamisel efektiivsed ained. Igal agendil on oma ainulaadne lahustusmehhanism ja rakendusväli. Tselluloosi lahustumismehhanismi põhjaliku uurimisega arvatakse, et välja töötatakse tõhusamad ja keskkonnasõbralikumad lahustumismeetodid, pakkudes rohkem võimalusi tselluloosi kasutamiseks ja arendamiseks.
Postiaeg: juuli-09-2024