Celuloze ir sarežģīts polisaharīds, kas sastāv no daudzām glikozes vienībām, kuras savieno β-1,4-glikozidiskās saites. Tas ir galvenā augu šūnu sienu sastāvdaļa un nodrošina augu šūnu sienas spēcīgu strukturālo atbalstu un izturību. Sakarā ar garo celulozes molekulāro ķēdi un augsto kristalitāti, tai ir spēcīga stabilitāte un nešķīstība.
(1) celulozes un grūtības izšķīdināšanas īpašības
Celulozei ir šādas īpašības, kas apgrūtina izšķīdināšanu:
Augsta kristalitāte: celulozes molekulārās ķēdes veido stingri režģa struktūru caur ūdeņraža saitēm un van der Waals spēkiem.
Augsta polimerizācijas pakāpe: celulozes polimerizācijas pakāpe (ti, molekulārās ķēdes garums) ir augsta, parasti sākot no simtiem līdz tūkstošiem glikozes vienību, kas palielina molekulas stabilitāti.
Ūdeņraža saites tīkls: ūdeņraža saites ir plaši sastopamas starp celulozes molekulārajām ķēdēm un to iekšpusē, padarot to grūti iznīcināt un izšķīdināt ar vispārīgiem šķīdinātājiem.
(2) reaģenti, kas izšķīdina celulozi
Pašlaik zināmie reaģenti, kas var efektīvi izšķīdināt celulozi, galvenokārt ietver šādas kategorijas:
1. Jonu šķidrumi
Jonu šķidrumi ir šķidrumi, kas sastāv no organiskiem katjoniem un organiskiem vai neorganiskiem anjoniem, parasti ar zemu nepastāvību, augstu termisko stabilitāti un augstu pielāgojamību. Daži jonu šķidrumi var izšķīdināt celulozi, un galvenais mehānisms ir sadalīt ūdeņraža saites starp celulozes molekulārajām ķēdēm. Parastie jonu šķidrumi, kas izšķīdina celulozi, ietver:
1-butil-3-metilimidazolija hlorīds ([BMIM] CL): Šis jonu šķidrums izšķīst celulozi, mijiedarbojoties ar ūdeņraža saitēm celulozē caur ūdeņraža saites akceptoriem.
1-etil-3-metilimidazolija acetāts ([EMIM] [AC]): Šis jonu šķidrums var izšķīdināt augstu celulozes koncentrāciju salīdzinoši vieglos apstākļos.
2. Amīna oksidantu šķīdums
Amīna oksidantu šķīdumu, piemēram, jauktu dietilamīna (DEA) un vara hlorīda šķīdumu, sauc par [Cu (II) -monija šķīdumu], kas ir spēcīga šķīdinātāja sistēma, kas var izšķīdināt celulozi. Tas iznīcina celulozes kristāla struktūru, izmantojot oksidāciju un ūdeņraža saiti, padarot celulozes molekulāro ķēdi mīkstāku un šķīstošāku.
3. Litija hlorīda-dimetilacetamīda (LICL-DMAC) sistēma
LICL-DMAC (litija hlorīda-dimetilacetamīda) sistēma ir viena no klasiskajām celulozes izšķīdināšanas metodēm. LICL var veidot konkurenci par ūdeņraža saitēm, tādējādi iznīcinot ūdeņraža saites tīklu starp celulozes molekulām, savukārt DMAC kā šķīdinātājs var labi mijiedarboties ar celulozes molekulāro ķēdi.
4. Sālsskābes/cinka hlorīda šķīdums
Sālsskābes/cinka hlorīda šķīdums ir agrīni atklāts reaģents, kas var izšķīdināt celulozi. Tas var izšķīdināt celulozi, veidojot koordinācijas efektu starp cinka hlorīdu un celulozes molekulārajām ķēdēm, un sālsskābi, kas iznīcina ūdeņraža saites starp celulozes molekulām. Tomēr šis risinājums ir ļoti kodīgs pret aprīkojumu, un tas ir ierobežots praktiskā pielietojumā.
5. Fibrinolītiskie enzīmi
Fibrinolītiskie enzīmi (piemēram, celulāzes) izšķīst celulozi, katalizējot celulozes sadalīšanos mazākos oligosaharīdos un monosaharīdos. Šai metodei ir plašs pielietojumu klāsts bioloģiskās noārdīšanās un biomasas pārveidošanas jomā, lai gan tās izšķīdināšanas process nav pilnībā ķīmiska izšķīšana, bet tā tiek panākta, izmantojot biokatalīzi.
(3) celulozes izšķīšanas mehānisms
Dažādiem reaģentiem ir dažādi celulozes izšķīšanas mehānismi, bet kopumā tos var attiecināt uz diviem galvenajiem mehānismiem:
Ūdeņraža saites iznīcināšana: ūdeņraža saites iznīcināšana starp celulozes molekulārajām ķēdēm, izmantojot konkurētspējīgu ūdeņraža saites veidošanos vai jonu mijiedarbību, padarot to šķīstošu.
Molekulārā ķēdes relaksācija: celulozes molekulāro ķēžu maiguma palielināšana un molekulāro ķēžu kristalitātes samazināšana caur fizikāliem vai ķīmiskiem līdzekļiem, lai tās varētu izšķīdināt šķīdinātājos.
(4) Celulozes izšķīšanas praktisks pielietojums
Celulozes izšķīšanai ir svarīgi pielietojumi daudzās jomās:
Celulozes atvasinājumu sagatavošana: Pēc celulozes izšķīdināšanas to var vēl ķīmiski modificēt, lai sagatavotu celulozes ēterus, celulozes esterus un citus atvasinājumus, kurus plaši izmanto pārtikā, medicīnā, pārklājumos un citos laukos.
Materiāli, kas balstīti uz celulozi: var sagatavot izšķīdušo celulozes, celulozes nanšķiedras, celulozes membrānas un citus materiālus. Šiem materiāliem ir labas mehāniskās īpašības un bioloģiskā savietojamība.
Biomasas enerģija: Izšķīdinot un sadalot celulozi, to var pārveidot par fermentējamiem cukuriem, lai ražotu biodegvielu, piemēram, bioetanolu, kas palīdz sasniegt atjaunojamās enerģijas attīstību un izmantošanu.
Celulozes izšķīšana ir sarežģīts process, kurā iesaistīti vairāki ķīmiski un fizikāli mehānismi. Jonu šķidrumi, amino oksidantu šķīdumi, LICL-DMAC sistēmas, sālsskābes/cinka hlorīda šķīdumi un cellolītiskie enzīmi pašlaik ir zināmi kā efektīvi līdzekļi celulozes izšķīdināšanai. Katram aģentam ir savs unikāls izšķīšanas mehānisms un lietojumprogrammas lauks. Padziļināti pētot celulozes izšķīšanas mehānismu, tiek uzskatīts, ka tiks izstrādātas efektīvākas un videi draudzīgas izšķīšanas metodes, nodrošinot vairāk iespēju celulozes izmantošanai un attīstībai.
Pasta laiks: jūlijs-09-2024