Yue Zhang

1 Laboratorul cheie de chimie lignocelulozică din Beijing, Universitatea Forestieră din Beijing, Beijing 100083, China; E-mailuri: moc.361@4050gnahzy (Y.Z.); moc.621@211311gnehsgnay (S.Y.); moc.621@361qjuw (J.-Q.W.)

lignocelulozic

Sheng Yang

1 Laboratorul cheie de chimie lignocelulozică din Beijing, Universitatea Forestieră din Beijing, Beijing 100083, China; E-mailuri: moc.361@4050gnahzy (Y.Z.); moc.621@211311gnehsgnay (S.Y.); moc.621@361qjuw (J.-Q.W.)

Jian-Quan Wu

1 Laboratorul cheie de chimie lignocelulozică din Beijing, Universitatea Forestieră din Beijing, Beijing 100083, China; E-mailuri: moc.361@4050gnahzy (Y.Z.); moc.621@211311gnehsgnay (S.Y.); moc.621@361qjuw (J.-Q.W.)

Tong-Qi Yuan

1 Laboratorul cheie din Beijing de chimie lignocelulozică, Universitatea forestieră din Beijing, Beijing 100083, China; E-mailuri: moc.361@4050gnahzy (Y.Z.); moc.621@211311gnehsgnay (S.Y.); moc.621@361qjuw (J.-Q.W.)

Run-Cang Sun.

1 Laboratorul cheie de chimie lignocelulozică din Beijing, Universitatea Forestieră din Beijing, Beijing 100083, China; E-mailuri: moc.361@4050gnahzy (Y.Z.); moc.621@211311gnehsgnay (S.Y.); moc.621@361qjuw (J.-Q.W.)

2 Laborator cheie de stat pentru ingineria celulozei și hârtiei, Universitatea de Tehnologie din China de Sud, Guangzhou 510640, China

Abstract

Acest studiu vizează realizarea condițiilor optime de tratament hidrotermal și acetilare a fibrei Populus pentru a-și îmbunătăți capacitatea de sorbție a uleiului (OSC) într-un amestec ulei-apă. Caracteristicile fibrelor hidrolizate și acetilate au fost cercetate comparativ de FT-IR, CP-MAS 13 C-RMN, SEM și TGA. Condițiile optime de tratament hidrotermal și acetilare au fost obținute la 170 ° C timp de 1 oră și respectiv 120 ° C timp de 2 ore. OSC maxim al fibrei hidrolizate (16,78 g/g) a fost ușor mai mic decât cel al fibrei acetilate (21,57 g/g), dar ambele au fost mai mari decât OSC maxim al fibrei nemodificate (3,94 g/g). În plus, acetilarea după tratamentul hidrotermal pentru fibra Populus a fost inutilă, deoarece creșterea OSC maximă a fost de doar 3,53 g/g. Fibrele Populus hidrolizate și acetilate au prezentat ambele un orificiu lumen care permite o captare ridicată a uleiului. Stabilitatea termică a fibrelor modificate s-a dovedit a fi crescută în comparație cu cea a fibrei brute. Tratamentul hidrotermal oferă o nouă abordare pentru prepararea absorbantului de ulei lignocelulozic.

1. Introducere

Petrolul este una dintre cele mai importante rezerve de energie din societatea industrială modernă. Este utilizat pe scară largă în petrochimie, transporturi, fabricarea de mașini și alte domenii importante [1]. Atâta timp cât petrolul este exploatat, transportat, utilizat și depozitat, există riscul de deversare care provoacă un impact semnificativ asupra mediului din cauza dezastrelor petroliere, a defecțiunilor de funcționare, a deteriorării echipamentelor sau a dezastrelor naturale [2,3,4]. Vărsarea de petrol nu numai că duce la pierderea resurselor neregenerabile, ci pune în pericol și sănătatea creaturilor marine și a ființelor umane. Poluarea mediului cauzată de deversările de petrol a atras îngrijorare din ce în ce mai mare, astfel a devenit imperativ să se dezvolte strategii pentru remedierea deversării de petrol.

Numeroase lucrări anterioare au raportat că hidrofobicitatea sorbanților organici naturali ar putea fi crescută prin modificări adecvate, cum ar fi acetilarea, sililarea, altoirea cu acid oleic, carbonizarea termică și acoperirea cu poli-n-butilmetacrilat (PBMA)/SiO2 [4,7,13, 19,20,21]. Acetilarea cu anhidridă acetică este una dintre cele mai simple, mai ieftine și mai sigure metode pentru a îmbunătăți OSC, rezistența, stabilitatea dimensională și rezistența la descompunere a biocompozitelor printre aceste modificări [22,23]. Cu toate acestea, catalizatori cum ar fi piridina, dimetilaminopiridina sau N-bromosuccinimida, sunt necesari pentru a accelera reacția de acetilare, care sunt toxici și costisitori pentru o aplicare pe scară largă. Luând în considerare toți acești factori, este urgent ca o nouă abordare de modificare să fie explorată pentru prepararea sorbanților naturali cu un OSC ridicat într-un mod economic și ecologic.

Tratamentul hidrotermal este o tehnologie economică și ecologică, deoarece mediul conține doar materii prime și apă și poate fi aplicat tuturor tipurilor de biomasă lignocelulozică [24]. În procesul de tratament hidrotermal, hemicelulozele sunt hidrolizate la temperatură și presiune ridicate, iar grupurile hidroxil din pereții celulari ai plantelor sunt reduse [25]. Celuloza cristalină este hidrolizată în principal pe suprafața sa cristalină, iar structura cristalină internă a celulozei este menținută [26]. Ca urmare, proporția de regiune cristalină a materialului tratat hidrotermal este crescută [27,28]. Odată ce temperatura de tratament crește peste temperatura de tranziție a fazei ligninei, picăturile de lignină se depun pe suprafețele reziduale [29,30]. Toate aceste motive contribuie la scăderea hidroscopicității materialelor lignocelulozice tratate hidrotermal.

În acest studiu, tratamentul hidrotermal al fibrelor Populus a fost aplicat ca o nouă metodă de preparare a absorbantului de ulei lignocelulozic. S-a efectuat, de asemenea, acetilarea fibrei Populus fără catalizatori. Condițiile optime ale acestor două metode diferite de modificare și caracteristicile sorbanților preparați au fost cercetate comparativ.

2. Rezultate și discuții

2.1. Efectele condițiilor de reacție asupra capacității de absorbție

Tabelul 1 arată OSC-ul fibrelor Populus acetilate (APF), ale fibrelor Populus hidrolizate (HPF) și ale fibrelor Populus acetilate după tratament hidrotermal (AHPF) în diferite condiții de reacție. S-a observat că peste 30% din fibra brută de Populus (RPF) s-a scufundat pe fundul balonului în experimentul de sorbție a uleiului. RPF a avut un OSC scăzut (3,94 g/g). Aparent, acetilarea și tratamentul hidrotermal au crescut substanțial OSC-ul fibrei Populus. Diferitele condiții ale ambelor tratamente au fost factorii care influențează OSC.

tabelul 1

Efectele diferitelor condiții de reacție asupra capacității de sorbție a uleiului.

Starea tratamentului hidrotermic Starea acetilării Fibra modificatăTemperatură (° C) Timp de reacție (h) Temperatură (° C) Timp de reacție (h) Nr. Eșantion OSC (g ulei/g fibră)
- A ---13,94
--1002217.40
--1202321.57
--1402419,79
--1201513.54
--1203617,74
1700,5--716.02
1701--816,78
1801--916.39
2001--1012.65
2201--117,66
1700,512021217.98
170112021320.30
180112021419.04
20011202158.49
22011202168.33

a Nu este efectuat. Capacitatea de absorbție a uleiului (OSC).

Temperatura de reacție joacă un rol semnificativ asupra efectului acetilării. La creșterea temperaturii de acetilare în probele 2-4, valoarea OSC a trecut printr-un maxim, înregistrat pentru proba 3, OSC de 21,57 g/g a fost de 5,5 ori mai mare decât a materialului nemodificat (3,94 g/g). O creștere a temperaturii de la 100 la 120 ° C a dus la o creștere a OSC de la 17,40 g/g (eșantion 2) la 21,57 g/g (eșantion 3). Motivul acestei modificări s-a datorat probabil efectului favorabil al temperaturii asupra umflării fibrei și a compatibilității reactivului [31]. Mai mult, rețele extinse de legare a hidrogenului în cadrul matricei formate din grupările hidroxil ale polimerilor de perete celular au fost sparte în timpul procesului de acetilare [32]. Creșterea temperaturii a favorizat umflarea fibrei, ruperea legăturilor de hidrogen și difuzarea reactivului de acetilare, îmbunătățind astfel viteza și gradul de reacție, îmbunătățind proprietățile hidrofobe ale absorbanților și apoi ridicând OSC. De remarcat, o mică scădere a OSC a fost observată atunci când temperatura reacției a atins 140 ° C, ceea ce a fost în conformitate cu un studiu anterior [33]. Acest lucru poate fi cauzat de schimbarea morfologiei fibrei.

Tabelul 1 arată, de asemenea, efectul timpului de reacție asupra OSC al APF (probele 3, 5 și 6). Modificarea regularității OSC a fibrei cu creșterea timpului de reacție a fost similară cu influența temperaturii de reacție. La 120 ° C, o creștere a timpului de reacție de la 1 la 2 ore a dus la o creștere a valorii OSC cu 8,03 g/g, în timp ce o scădere cu 3,83 g/g cu o durată de la 2 la 3 ore. Această creștere a OSC prin prelungirea duratei reacției a fost o consecință directă a efectului favorabil al timpului asupra difuziei și sorbției reactanților dintre anhidrida acetică și moleculele de fibre Populus [31]. Acidul acetic ca produs secundar a redus concentrația de anhidridă acetică cu extinderea timpului și apoi a scăzut viteza de reacție [34]. Un OSC optim (21,57 g/g) a fost atribuit probei 3, preparată prin reacție la 120 ° C timp de 2 ore, care a servit pentru următoarele condiții experimentale.

Fibra Populus a fost obținută de la o fabrică de plăci de fibre cu o temperatură de măcinare de 168 ° C, astfel încât temperatura de tratament hidrotermal a fost începută cu 170 ° C. La 170 ° C, OSC a fost îmbunătățit la reacția inițială, așa cum a fost dat de o valoare OSC de 16,02 g/g timp de 0,5 ore. După aceea, o ușoară creștere a OSC de 0,75 g/g a avut loc atunci când durata reacției a fost extinsă la 1 oră. Această creștere a valorii OSC prin prelungirea timpului de reacție a fost rezultatul efectului benefic al timpului asupra difuziei apei calde, dizolvarea hemicelulozelor și depunerea picăturilor de lignină. În plus, tratamentul hidrotermal a crescut foarte mult suprafața celulozei [35]. Conform studiilor anterioare efectuate, durata are o influență banală asupra eficienței și severității tratamentului hidrotermal în comparație cu factorul de temperatură [24]. Pentru a elimina efectul duratei de reacție pentru obținerea unui OSC mai mare, s-a ales 1 oră ca timp de reacție pentru următoarele cercetări.

2.2. Spectre FT-IR