Дэлхий дээрх хамгийн элбэг тохиолддог органик полимер болох целлюлоз нь биомасс болон янз бүрийн үйлдвэрлэлийн материалын чухал хэсгийг бүрдүүлдэг. Түүний гайхалтай бүтцийн бүрэн бүтэн байдал нь био түлшний үйлдвэрлэл, хаягдлын менежмент зэрэг хэрэглээнд чухал ач холбогдолтой үр ашигтай задралд бэрхшээл учруулдаг. Устөрөгчийн хэт исэл (H2O2) нь байгаль орчинд хоргүй шинж чанар, исэлдүүлэх шинж чанараараа целлюлозын уусах боломжит нэр дэвшигч болж гарч ирсэн.
Танилцуулга:
β-1,4-гликозидын холбоогоор холбогдсон глюкозын нэгжүүдээс бүрдсэн полисахарид болох целлюлоз нь ургамлын эсийн хананд агуулагдах гол бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Биомассаар баялаг тул цаас, целлюлоз, нэхмэл эдлэл, биоэнерги зэрэг янз бүрийн салбарт ашиглахад тохиромжтой. Гэсэн хэдий ч целлюлозын фибрил доторх бат бөх устөрөгчийн холбооны сүлжээ нь ихэнх уусгагч бодист уусахгүй байх боломжийг олгодог тул үр ашигтай ашиглах, дахин боловсруулахад бэрхшээл учруулдаг.
Целлюлозыг уусгах уламжлалт аргууд нь хүрээлэн буй орчны асуудал, өндөр эрчим хүчний хэрэглээтэй холбоотой төвлөрсөн хүчил эсвэл ионы шингэн гэх мэт хүнд нөхцөл байдлыг хамардаг. Үүний эсрэгээр устөрөгчийн хэт исэл нь хөнгөн исэлдүүлэгч шинж чанартай бөгөөд байгаль орчинд ээлтэй целлюлозын боловсруулалтын боломжийн ачаар ирээдүйтэй хувилбар юм. Энэхүү өгүүлэлд устөрөгчийн хэт исэлээр зуучлагдсан целлюлозын уусалтын үндсэн механизмыг судалж, түүний үр нөлөө, практик хэрэглээг үнэлдэг.
Устөрөгчийн хэт исэлээр целлюлозыг уусгах механизмууд:
Устөрөгчийн хэт исэлээр целлюлозыг уусгах нь нарийн төвөгтэй химийн урвалууд бөгөөд голчлон гликозидын холбооны исэлдэлтийн задрал болон молекул хоорондын устөрөгчийн холбоо тасрах зэрэг орно. Энэ үйл явц нь ихэвчлэн дараах алхмуудаар явагддаг.
Гидроксил бүлгүүдийн исэлдэлт: Устөрөгчийн хэт исэл нь целлюлозын гидроксил бүлгүүдтэй урвалд орж, шилжилтийн металл ионуудын дэргэд Фентон эсвэл Фентон төст урвалаар гидроксил радикалууд (•OH) үүсдэг. Эдгээр радикалууд нь гликозидын холбоонд халдаж, гинжин хэлхээний тасралтыг эхлүүлж, богино целлюлозын хэлтэрхий үүсгэдэг.
Устөрөгчийн холбоог тасалдуулах: Гидроксил радикалууд нь целлюлозын гинж хоорондын устөрөгчийн холбооны сүлжээг тасалдуулж, нийт бүтцийг сулруулж, уусалтыг хөнгөвчилдөг.
Уусдаг деривативууд үүсэх: Целлюлозын исэлдэлтийн задрал нь карбоксилын хүчил, альдегид, кетон зэрэг усанд уусдаг завсрын бодисууд үүсэхэд хүргэдэг. Эдгээр деривативууд нь уусах чадварыг нэмэгдүүлж, зуурамтгай чанарыг бууруулснаар уусах процесст хувь нэмэр оруулдаг.
Деполимержилт ба фрагментация: Цаашдын исэлдэлт ба задралын урвалууд нь целлюлозын гинжийг богино олигомер болгон деполимержүүлэхэд хүргэдэг бөгөөд эцэст нь уусдаг элсэн чихэр эсвэл бусад бага молекул жинтэй бүтээгдэхүүн үүсгэдэг.
Устөрөгчийн хэт исэлээр зуучлагдсан целлюлозын уусалтад нөлөөлдөг хүчин зүйлс:
Устөрөгчийн хэт исэл ашиглан целлюлозын уусалтын үр ашигт дараахь хүчин зүйлс нөлөөлдөг.
Устөрөгчийн хэт ислийн концентраци: Устөрөгчийн хэт ислийн өндөр концентраци нь урвалын хурдыг нэмэгдүүлж, целлюлозын задралыг илүү өргөн хүрээнд хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч хэт өндөр концентраци нь гаж урвал эсвэл хүсээгүй дайвар бүтээгдэхүүнд хүргэж болзошгүй.
рН ба температур: Урвалын орчны рН нь гидроксил радикалууд үүсэх болон целлюлозын уламжлалын тогтвортой байдалд нөлөөлдөг. Целлюлозын уусах чадварыг мэдэгдэхүйц задралгүйгээр нэмэгдүүлэхийн тулд дунд зэргийн хүчиллэг орчин (рН 3-5)-ийг илүүд үздэг. Нэмж дурдахад температур нь урвалын кинетикт нөлөөлдөг бөгөөд өндөр температур нь ерөнхийдөө уусах процессыг хурдасгадаг.
Катализаторын оршихуй: Төмөр эсвэл зэс зэрэг шилжилтийн металлын ионууд нь устөрөгчийн хэт ислийн задралыг хурдасгаж, гидроксил радикалуудын үүсэлтийг сайжруулж чаддаг. Гэсэн хэдий ч катализатор болон түүний концентрацийг гаж урвалыг багасгах, бүтээгдэхүүний чанарыг хангахын тулд сайтар оновчтой болгох шаардлагатай.
Целлюлозын морфологи ба талст чанар: Целлюлозын гинжин хэлхээ нь устөрөгчийн хэт исэл ба гидроксил радикалуудад хүртээмжтэй байх нь материалын морфологи болон талст бүтцээс хамаардаг. Аморф бүсүүд нь өндөр талстлаг домэйноос илүү задралд илүү өртөмтгий байдаг тул хүртээмжийг сайжруулахын тулд урьдчилан боловсруулах эсвэл өөрчлөх стратеги шаардлагатай болдог.
Целлюлозын уусалтын үед устөрөгчийн хэт ислийн давуу болон хэрэглээ:
Устөрөгчийн хэт исэл нь уламжлалт аргуудтай харьцуулахад целлюлозын уусгалтанд хэд хэдэн давуу талтай байдаг.
Байгаль орчинд ээлтэй байдал: Хүхрийн хүчил эсвэл хлоржуулсан уусгагч зэрэг хүчтэй химийн бодисуудаас ялгаатай нь устөрөгчийн хэт исэл нь харьцангуй хоргүй бөгөөд зөөлөн нөхцөлд ус болон хүчилтөрөгч болгон задардаг. Энэхүү байгаль орчинд ээлтэй шинж чанар нь целлюлозын тогтвортой боловсруулалт болон хаягдлыг цэвэрлэхэд тохиромжтой болгодог.
Зөөлөн урвалын нөхцөл: Устөрөгчийн хэт исэлээр зуучилсан целлюлозын уусалтыг температур, даралтын зөөлөн нөхцөлд хийж, өндөр температурын хүчиллэг гидролиз эсвэл ионы шингэн боловсруулалттай харьцуулахад эрчим хүчний хэрэглээ болон үйл ажиллагааны зардлыг бууруулж болно.
Сонгомол исэлдэлт: Устөрөгчийн хэт исэлээр гликозидын холбооны исэлдэлтийн задралыг тодорхой хэмжээгээр хянаж болох бөгөөд энэ нь целлюлозын гинжийг сонгомол байдлаар өөрчлөх, тодорхой шинж чанартай захиалгат дериватив үйлдвэрлэх боломжийг олгодог.
Олон талт хэрэглээ: Устөрөгчийн хэт исэлээр зуучлан уусгах замаар гаргаж авсан уусдаг целлюлозын деривативууд нь био түлшний үйлдвэрлэл, функциональ материал, биоанагаахын төхөөрөмж, бохир ус цэвэрлэх зэрэг янз бүрийн салбарт хэрэглэгдэх боломжтой.
Бэрхшээлүүд ба ирээдүйн чиглэлүүд:
Устөрөгчийн хэт исэлээр зуучлагдсан целлюлозын уусалт нь ирээдүйтэй шинж чанартай хэдий ч хэд хэдэн бэрхшээлтэй тулгарч, сайжруулах шаардлагатай чиглэлүүдтэй тулгардаг.
Сонголт ба гарц: Уусдаг целлюлозын деривативыг хамгийн бага сөрөг урвалаар өндөр гарцтай болгох нь ялангуяа лигнин ба гемицеллюлоз агуулсан нарийн төвөгтэй биомассын түүхий эдийн хувьд бэрхшээлтэй хэвээр байна.
Өргөтгөх ба үйл явцыг нэгтгэх: Устөрөгчийн хэт исэлд суурилсан целлюлозын уусгах процессыг үйлдвэрлэлийн түвшинд хүргэхийн тулд эдийн засгийн үр ашиг, байгаль орчны тогтвортой байдлыг хангахын тулд реакторын дизайн, уусгагчийг сэргээх, цаашдын боловсруулалтын алхмуудыг сайтар авч үзэх шаардлагатай.
Катализаторын хөгжил: Устөрөгчийн хэт исэл идэвхжүүлэх болон целлюлозын исэлдэлтийг үр ашигтай болгох катализаторын загвар гаргах нь катализаторын ачаалал болон дайвар бүтээгдэхүүн үүсэхийг багасгахын зэрэгцээ урвалын хурд болон сонгомол чанарыг нэмэгдүүлэхэд чухал ач холбогдолтой.
Дайвар бүтээгдэхүүнийг үнэлэх: Устөрөгчийн хэт исэлээр зуучилсан целлюлозын уусалтын явцад үүссэн дайвар бүтээгдэхүүнийг үнэлэх стратегиуд, тухайлбал карбоксилын хүчил эсвэл олигомер сахар нь уг үйл явцын нийт тогтвортой байдал, эдийн засгийн үр ашгийг улам бүр нэмэгдүүлэх боломжтой.
Устөрөгчийн хэт исэл нь целлюлозын уусгагч ногоон, олон талын уусгагч болохын хувьд ихээхэн ирээдүйтэй бөгөөд хүрээлэн буй орчинд нийцтэй байдал, зөөлөн урвалын нөхцөл, сонгомол исэлдэлт зэрэг давуу талуудыг санал болгодог. Үргэлжилж буй бэрхшээлүүд байгаа хэдий ч үндсэн механизмыг тодруулах, урвалын параметрүүдийг оновчтой болгох, шинэлэг хэрэглээг судлахад чиглэсэн судалгааны ажлыг үргэлжлүүлэн хийснээр целлюлозын валоризацид зориулсан устөрөгчийн хэт исэлд суурилсан процессын хэрэгжих боломж, тогтвортой байдлыг улам бүр нэмэгдүүлэх болно.
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 4-р сарын 10