БИОМАССАДАН НАНОЦЕЛЛЮЛОЗА АЛУ ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ФИЗИКА-ХИМИЯЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІН ЗЕРТТЕУ

Бұл жұмыста H2SO4 катализаторы қатысында пероксидті әдіспен биомассадан лигнинді жою арқылы наноцеллюлозаны алу және оның физика-химиялық қасиеттерін зерттеу сипатталған. Целлюлоза мен модификацияланған наноцеллюлозаның құрылымы Раман спектроскопиясы, ИҚ (инфрақызыл) спектроскопиясы, РФА (рентгенофазалық анализ), СЭМ (сканерлеуші электрондық микроскопия) әдістерімен зерттелінді. Алынған НТЦ-ның (наноталшықты целлюлоза) кристалдығының жоғарылағаны РФА анализімен расталды. Ол целлюллоза құрамындағы аморфты бөліктердің жойылуына байланысты болғанын көрсетеді. РФА нәтижесінде НТЦ рентгенограммаларындағы қабаттасу тіпті қарқынды сызықтар аймағында да орын алды. ИҚ спектроскопия арқылы алынған үлгіде НТЦ сипатына сай топтардың (3413,12 см⁻¹; 2918,34 см⁻¹; 1373,30 см⁻¹; 617,52 см⁻¹) бар екендігі анықталды. КМЦ (карбоксилметилцеллюлоза) спектрінде 1429,8 см⁻¹ кезіндегі күшті жұтылу целлюлозаның сәтті карбоксильденгенін көрсететін –COOН топтары анықталды. Үлгілердің морфологиялық беті мен орташа бөлшек өлшемдері және құрылымы зерттелді. Морфологиялық құрылыстары салыстырмалы анализ нәтижесінде наноталшықты целлюлозаның талшықтарға тән реттелген жіп тәрізді құрылымы және КМЦ-ның беті өзгеріске ұшыраған, талшықтары ретсіз кеуекті құрылымы анықталды. Биомассадан модификацияланған целлюлозаны алудың әзірленген әдісі дәстүрлі әдістермен салыстырғанда көп сатылы өңдеуді қажет етпейді және қоршаған орта үшін қауіпсіз. Құрамында күкірт пен хлоры бар реагенттерді, жоғары қысымды, жоғары су шығындарын пайдаланбай, жоғары сапалы целлюлозаны бір сатылы алуға болатынын көрсетеді.

1. Moon R.J., Martini A., Nairn J., Simonsen J., Youngblood J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites // Chem Soc Rev. 2011. Vol. 40. P. 3941–3994. https://doi.org/10.1039/C0CS00108B

2. Kargarzadeh H., Mariano M., Gopakumar D., Ahmad I., Thomas S., Dufresne A., Huang J., Lin N.. Advances in cellulose nanomaterials // Cellulose. – 2018. – Vol. 25. – P. 2151–2189. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1723-5

3. Charreau H., Foresti M.L., Va´zquez A. Nanocellulose patents trends: a comprehensive review on patents on cellulose nanocrystals, microfibrillated and bacterial cellulose // Recent Pat Nanotechnol. – 2013. – Vol. 7(1). – P. 56–80. https://doi.org/10.2174/1872210511307010056

4. Zhou S., Liu P., Wang M., Zhao H., Yang J., Xu F. Sustainable, reusable, and superhydrophobic aerogels from micro-fibrillated cellulose for highly effective oil/water separation // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2016. – Vol. 4 (12). – P. 6409–6416. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b01075

5. Du H., Liu W., Zhang M., Si Ch., Zhang X., Li B. Cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils based hydrogels for biomedical applications // Carbohydrate Polymers. – 2019. – Vol. 209. – P. 130–144. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2019.01.0206.

6. Lepetit A., Drolet R., Tolnai B., Montplaisir D., Lucas R., Zerrouki R. Microfibrillated cellulose with sizing for rein-forcing composites with LDPE // Cellulose. – 2017. – Vol. 24. – No. 10. – P. 4303–4312. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1429-0

7. Qing Y., Sabo R., Zhu J.Y., Agarwal U., Cai Z., Wu Y. A comparative study of cellulose nanofibrils disintegrated via multiple processing approaches // Carbohydrate Polymers. 2013. Vol. 97(1). – P. 226–234. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.04.086

8. Akatan K, Kabdrakhmanova S, Kuanyshbekov T. Highly-efficient isolation of microcrystalline cellulose and nanocellulose from sunflower seed waste via environmentally benign method // Cellulose. – 2022. – Vol. 29. – No. 7. – P. 3787–3802. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04527-4

9. Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Levdansky V.A., Levdansky A.V., Vasil’eva N.Yu., Chesnokov N.V., Ivanchenko N.M., Djakovitch L., Pinel C. Optimized methods for obtaining cellulose and cellulose sulfates from birch wood // Wood Science and Technology. – 2015. – Vol. 49. – No. 4. – P. 825–843. https://doi.org/10.1007/500226-015-0723-y

10. Wadenbäck J., Clapham D.H, Gellerstedt G., Arnold S. Variation in content and composition of lignin in young wood of Norway spruce // Holzforschung. – 2004. – Vol. 58(2). – P. 107–115. https://doi.org/10.1515/HF.2004.015

11. Farooq A., Patoary M. K., Zhang M., Mussana H., Li M., Naeem M. A., … Liu L. Cellulose from sources to nanocellulose and an overview of synthesis and properties of nanocellulose/zinc oxide nanocomposite materials // International Journal of Biological Macromolecules. – 2020. Vol. 154. – P. 1050–1073. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.03.163

12. Федотова Н.Н., Ёлкин В.А. Химический состав исходного сырья (древесной сосны), целлолигнина и гидролизата, полученного от спиртовой варки // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. – 2018. – № 222 . – С. 254–262 https://doi.org/10.21266/2079-4304.2018.222.254-262

13. Nascimento S.A., Rezende C.A. Combined approaches to obtain cellulose nanocrystals, nanofibrils and fermentable sugars from elephant grass // Carbohydrate Polymers. – 2018. –Vol. 180. – P. 38–45. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.09.099

14. Sjöström E., Alen R. Analytical methods of wood chemistry. Pulping and papermaking. Berlin: Springer-Verlag, 1999. 318 p.

15. Park S., Baker J.O., Himmel M.E., Parilla P.A., Jonson D.K. Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on integrating cellulose performance // Biotechnology and Biofuels. – 2010. – Vol. 3. – P. 10. https://doi.org/10.1186/1754-6834-3-10

16. Elazzouzi-Hafraou S., Nishiyama Y., Putaux J.-L., Heux L., Dubreuil F., Rochas C. The shape and size distribution of crystalline nanoparticles prepared by acid hydrolysis of native cellulose // Biomacromolecules. – 2008. – Vol. 9 (1). – P. 57–65. https://doi.org/10.1021/bm700769p

17. Xu F., Yu J., Tesso T., Dowell F., Wang D. Qualitative and quantitative analysis of lignocellulosic biomass using infrared techniques: A mini-review // Applied Energy. – 2013. – Vol. 104. – Р. 801–809. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.019

18. Ghaffar S.H., Fan M. Structural analysis for lignin characteristics in biomass straw // Biomass and Bioenergy. – 2013. – Vol. 57. – P. 264–279. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2013.07.015

19. Carrillo I., Mendonça R.T., Ago M., Rojas O.J. Comparative study of cellulosic components isolated from different Eucalyptus species // Cellulose. – 2018. – Vol. 25. – Р.1011–1029. https://doi.org/10.1007/s10570-018-1653-2.

20. J. Chumee and D. Seeburin, Cellulose extraction from Pomelo peel: synthesis of carboxymethyl cellulose // International Journal of Metallurgical and Materials Engineering. – 2014. – Vol. 8. – No. 5. – P. 435–437.

21. M. F. N. Sunardi and B. J. Ahmad. Preparation of carboxymethyl cellulose produced from purun tikus (Eleocharis dulcis) // AIP Conference Proceedings. – 2017. – Vol. 1868. – Article ID 020008.

22. Wesełucha-Birczy´nska, A.; Kołodziej, A.; Swi˛etek, M.; Moskal, P.; Skalniak, Ł.; Długo´n, E.; Bła´zewicz, M. Does 2D correlation ˙Raman spectroscopy distinguish polymer nanomaterials due to the nanoaddition? // J. Mol. Struct. – 2020. – Vol. 1217. P. 128342.

23. Ago M., Endo T., Hirotsu T. Crystalline transformation of native cellulose from cellulose I to cellulose II polymorph by a ball-milling method with a specific amount of water // Cellulose. – 2004. – Vol. 11. – Р. 163–167. https://doi.org/10.1023/B:CELL.0000025423.32330.fa

24. Li X., Li J., Gong J., Kuang Y., Mo L., Song T. Cellulose nanocrystals (CNCs) with different crystalline allomorph for oil in water Pickering emulsions // Carbohydrate Polymers. – 2018. – Vol. 183. – P. 303–310. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.12.085

25. Osong S.H., Norgren S., Engstrand P. Processing of woodbased microfibrillated cellulose and nanofibrillated cellulose, and applications relating to papermaking: a review // Cellulose. – 2016. – Vol. 23. – Р. 93–123. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0798-5

26. Santos, D. M., Bukzem, A. L., Ascheri, D. P. R., Signini, R. Gilberto Lucio Benedito Aquino, D. L. B. Microwave assisted carboxymethylation of cellulose extracted from brewer's spentт grain // Carbohydrate Polymers, – 2015. – Vol. 131. P. 125–133.