지구상에서 가장 풍부한 유기 중합체 인 셀룰로오스는 바이오 매스 및 다양한 산업 물질의 상당 부분을 구성합니다. 놀라운 구조적 무결성은 바이오 연료 생산 및 폐기물 관리와 같은 응용 분야에 중요한 효율적인 고장에 어려움을 겪고 있습니다. 과산화수소 (H2O2)는 환경 적으로 양성 특성 및 산화 특성으로 인해 셀룰로오스 용해의 잠재적 후보로 부상 하였다.
소개:
β-1,4- 글리코 시드 결합으로 연결된 포도당 단위로 구성된 다당류 인 셀룰로오스는 식물 세포벽의 주요 구조적 성분이다. 바이오 매스의 풍부함은 종이 및 펄프, 직물, 바이오 에너지를 포함한 다양한 산업에 매력적인 자원입니다. 그러나, 셀룰로오스 섬유 내에서의 강력한 수소 결합 네트워크는 대부분의 용매에서 용해에 내성을 유지하여 효율적인 활용 및 재활용에 대한 도전을 제시한다.
셀룰로오스 용해를위한 전통적인 방법은 종종 환경 문제 및 고 에너지 소비와 관련된 농축 산 또는 이온 성 액체와 같은 가혹한 조건을 포함합니다. 대조적으로, 과산화수소는 온화한 산화 성질과 환경 친화적 인 셀룰로오스 처리 가능성으로 인해 유망한 대안을 제공합니다. 이 논문은 과산화수소-매개 셀룰로오스 용해의 기본 메커니즘을 탐구하고 그 효능 및 실제 적용을 평가한다.
과산화수소에 의한 셀룰로오스 용해의 메커니즘 :
과산화수소에 의한 셀룰로오스의 용해는 복잡한 화학 반응, 주로 글리코 시드 결합의 산화 적 절단 및 분자간 수소 결합의 파괴를 포함한다. 프로세스는 일반적으로 다음 단계를 통해 진행됩니다.
하이드 록실 기의 산화 : 과산화수소는 셀룰로스 하이드 록실기와 반응하여 전이 금속 이온의 존재하에 펜턴 또는 펜턴 유사 반응을 통해 히드 록실 라디칼 (• OH)의 형성을 초래한다. 이 라디칼은 글리코 시드 결합을 공격하여 사슬 절단을 시작하고 더 짧은 셀룰로오스 단편을 생성합니다.
수소 결합의 파괴 : 히드 록실 라디칼은 또한 셀룰로오스 사슬 사이의 수소 결합 네트워크를 방해하여 전체 구조를 약화시키고 용 매화를 촉진합니다.
가용성 유도체의 형성 : 셀룰로오스의 산화 분해는 카르 복실 산, 알데히드 및 케톤과 같은 수용성 중간체의 형성을 초래한다. 이들 유도체는 용해도를 증가시키고 점도를 감소시킴으로써 용해 과정에 기여한다.
탈 중합 및 단편화 : 추가의 산화 및 절단 반응은 셀룰로오스 사슬을 짧은 올리고머로, 궁극적으로 가용성 당 또는 기타 저 분자량 생성물로 해상하는 것을 초래한다.
과산화수소-매개 셀룰로오스 용해에 영향을 미치는 요인 :
과산화수소를 사용한 셀룰로오스 용해의 효율은 다음을 포함한 다양한 인자에 의해 영향을받습니다.
과산화수소의 농도 : 더 높은 농도의 과산화수소는 전형적으로 더 빠른 반응 속도와보다 광범위한 셀룰로오스 분해를 초래합니다. 그러나 과도하게 높은 농도는 부작용 또는 바람직하지 않은 부산물로 이어질 수 있습니다.
pH 및 온도 : 반응 배지의 pH는 히드 록실 라디칼의 생성 및 셀룰로오스 유도체의 안정성에 영향을 미친다. 중간 정도의 산성 조건 (pH 3-5)은 종종 상당한 분해없이 셀룰로오스 용해도를 향상시키는 데 선호된다. 또한, 온도는 반응 동역학에 영향을 미치며, 더 높은 온도는 일반적으로 용해 과정을 가속화합니다.
촉매의 존재 : 철 또는 구리와 같은 전이 금속 이온은 과산화수소의 분해를 촉매하고 히드 록실 라디칼의 형성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 촉매의 선택과 그 농도는 부작용을 최소화하고 제품 품질을 보장하기 위해 신중하게 최적화되어야합니다.
셀룰로오스 형태 및 결정 성 : 과산화수소 및 히드 록실 라디칼로의 셀룰로오스 사슬의 접근성은 물질의 형태 및 결정 구조에 의해 영향을받습니다. 비정질 영역은 고 결정질 도메인보다 분해에 더 취약하므로 접근성을 향상시키기위한 전처리 또는 변형 전략이 필요합니다.
셀룰로스 용해에서 과산화수소의 장점 및 적용 :
과산화수소는 기존의 방법과 비교하여 셀룰로오스 용해에 대한 몇 가지 장점을 제공합니다.
환경 적 호환성 : 황산 또는 염소화 용매와 같은 가혹한 화학 물질과 달리 과산화수소는 비교적 양성이며 온화한 조건에서 물과 산소로 분해됩니다. 이 환경 친화적 인 특성은 지속 가능한 셀룰로오스 처리 및 폐기물 치료에 적합합니다.
가벼운 반응 조건 : 과산화수소-매개 셀룰로오스 용해는 온도 및 압력의 가벼운 조건에서 수행 될 수 있으며, 고온 산 가수 분해 또는 이온 성 액체 처리와 비교하여 에너지 소비 및 작동 비용을 감소시킬 수있다.
선택적 산화 : 과산화수소에 의한 글리코 시드 결합의 산화 절단은 어느 정도까지 제어 될 수 있으며, 셀룰로오스 사슬의 선택적 변형 및 특정 특성을 갖는 맞춤형 유도체의 생산을 허용한다.
다목적 응용 : 과산화수소-매개 용해 수소로부터 얻은 가용성 셀룰로오스 유도체는 바이오 연료 생산, 기능성 재료, 생체 의학 장치 및 폐수 처리를 포함한 다양한 분야에서 잠재적 인 응용을 갖는다.
도전과 미래 방향 :
유망한 속성에도 불구하고, 과산화수소-매개 셀룰로오스 용해는 몇 가지 도전과 개선 영역에 직면한다.
선택성 및 수율 : 최소 반응을 갖는 가용성 셀룰로오스 유도체의 높은 수율을 달성하는 것은 특히 리그닌 및 헤미 셀룰로오스를 함유하는 복잡한 바이오 매스 공급 원료의 경우 여전히 어려운 일이다.
스케일 업 및 공정 통합 : 과산화수소 기반 셀룰로스 용해 공정을 산업 수준으로 확장하려면 원자로 설계, 용매 회복 및 다운 스트림 처리 단계를 신중하게 고려하여 경제적 생존력과 환경 지속 가능성을 보장해야합니다.
촉매 발달 : 과산화수소 활성화 및 셀룰로스 산화를위한 효율적인 촉매의 설계는 반응 속도 및 선택성을 향상시키면서 촉매 로딩 및 부산물 형성을 최소화하는 데 필수적이다.
부산물의 평가 : 카르 복실 산 또는 올리고머 설탕과 같은 과산화수소-매개 셀룰로오스 용해 동안 생성 된 부산물을 평가하기위한 전략은 공정의 전반적인 지속 가능성과 경제적 생존력을 더욱 향상시킬 수있다.
과산화수소는 셀룰로스 용해를위한 녹색 및 다목적 용매로서 상당한 약속을 가지고 있으며, 환경 적 호환성, 가벼운 반응 조건 및 선택적 산화와 같은 장점을 제공합니다. 지속적인 과제에도 불구하고, 기본 메커니즘을 설명하고, 반응 매개 변수를 최적화하며, 새로운 응용을 탐색하는 데 지속적인 연구 노력이 셀룰로스 평가를위한 과산화수소 기반 공정의 타당성과 지속 가능성을 더욱 향상시키기위한 지속적인 연구 노력.
후 시간 : 4 월 10 일 -2024 년