지구상에서 가장 풍부한 유기 고분자인 셀룰로오스는 바이오매스와 다양한 산업 소재의 상당 부분을 구성합니다.놀라운 구조적 완전성은 바이오 연료 생산 및 폐기물 관리와 같은 응용 분야에 중요한 효율적인 분해에 대한 과제를 제기합니다.과산화수소(H2O2)는 환경 친화적인 특성과 산화 특성으로 인해 셀룰로오스 용해의 잠재적 후보로 떠올랐습니다.
소개:
β-1,4-글리코시드 결합으로 연결된 포도당 단위로 구성된 다당류인 셀룰로오스는 식물 세포벽의 주요 구조 구성 요소입니다.풍부한 바이오매스로 인해 종이, 펄프, 섬유, 바이오에너지 등 다양한 산업에 매력적인 자원이 됩니다.그러나 셀룰로오스 피브릴 내의 강력한 수소 결합 네트워크는 대부분의 용매에 용해되지 않아 효율적인 활용 및 재활용에 어려움을 겪습니다.
셀룰로오스 용해를 위한 전통적인 방법에는 농축된 산이나 이온성 액체와 같은 가혹한 조건이 포함되며, 이는 종종 환경 문제 및 높은 에너지 소비와 관련이 있습니다.대조적으로, 과산화수소는 온화한 산화 특성과 환경 친화적인 셀룰로오스 가공 가능성으로 인해 유망한 대안을 제공합니다.이 논문은 과산화수소 매개 셀룰로오스 용해의 기본 메커니즘을 조사하고 그 효능과 실제 적용을 평가합니다.
과산화수소에 의한 셀룰로오스 용해 메커니즘:
과산화수소에 의한 셀룰로오스의 용해에는 복잡한 화학 반응, 주로 글리코시드 결합의 산화 절단 및 분자간 수소 결합의 파괴가 포함됩니다.프로세스는 일반적으로 다음 단계를 통해 진행됩니다.
수산기의 산화: 과산화수소는 셀룰로오스 수산기와 반응하여 전이 금속 이온이 있을 때 펜톤 또는 펜톤 유사 반응을 통해 수산기 라디칼(OH)을 형성합니다.이러한 라디칼은 글리코시드 결합을 공격하여 사슬 절단을 시작하고 더 짧은 셀룰로오스 조각을 생성합니다.
수소 결합 중단: 하이드록실 라디칼은 또한 셀룰로오스 사슬 사이의 수소 결합 네트워크를 중단시켜 전체 구조를 약화시키고 용매화를 촉진합니다.
가용성 유도체의 형성: 셀룰로오스의 산화 분해로 인해 카르복실산, 알데히드 및 케톤과 같은 수용성 중간체가 형성됩니다.이들 유도체는 용해도를 높이고 점도를 감소시켜 용해 과정에 기여합니다.
해중합 및 단편화: 추가 산화 및 절단 반응은 셀룰로오스 사슬을 더 짧은 올리고머로 해중합하고 궁극적으로 가용성 설탕 또는 기타 저분자량 제품으로 이어집니다.
과산화수소 매개 셀룰로오스 용해에 영향을 미치는 요인:
과산화수소를 사용한 셀룰로오스 용해 효율은 다음을 포함한 다양한 요인의 영향을 받습니다.
과산화수소의 농도: 과산화수소의 농도가 높을수록 일반적으로 반응 속도가 빨라지고 셀룰로오스 분해가 더욱 광범위해집니다.그러나 농도가 지나치게 높으면 부작용이나 바람직하지 않은 부산물이 발생할 수 있습니다.
pH 및 온도: 반응 매체의 pH는 하이드록실 라디칼의 생성과 셀룰로오스 유도체의 안정성에 영향을 미칩니다.상당한 분해 없이 셀룰로오스 용해도를 향상시키기 위해서는 중간 정도의 산성 조건(pH 3-5)이 선호되는 경우가 많습니다.또한 온도는 반응 역학에 영향을 미치며 일반적으로 온도가 높을수록 용해 과정이 가속화됩니다.
촉매의 존재: 철이나 구리와 같은 전이 금속 이온은 과산화수소의 분해를 촉진하고 수산기 라디칼의 형성을 향상시킬 수 있습니다.그러나 부반응을 최소화하고 제품 품질을 보장하려면 촉매 선택과 농도를 신중하게 최적화해야 합니다.
셀룰로오스 형태 및 결정화도: 과산화수소 및 수산기 라디칼에 대한 셀룰로오스 사슬의 접근성은 재료의 형태 및 결정 구조에 의해 영향을 받습니다.비정질 영역은 고결정 영역보다 분해되기 쉽기 때문에 접근성을 향상시키기 위해 전처리 또는 수정 전략이 필요합니다.
셀룰로오스 용해에 있어 과산화수소의 장점 및 응용:
과산화수소는 기존 방법에 비해 셀룰로오스 용해에 여러 가지 이점을 제공합니다.
환경 적합성: 황산이나 염소계 용제와 같은 가혹한 화학 물질과 달리 과산화수소는 상대적으로 무해하며 온화한 조건에서 물과 산소로 분해됩니다.이러한 환경 친화적인 특성으로 인해 지속 가능한 셀룰로오스 가공 및 폐기물 처리에 적합합니다.
온화한 반응 조건: 과산화수소 매개 셀룰로오스 용해는 온화한 온도 및 압력 조건에서 수행될 수 있으므로 고온 산 가수분해 또는 이온성 액체 처리에 비해 에너지 소비 및 운영 비용이 절감됩니다.
선택적 산화: 과산화수소에 의한 글리코시드 결합의 산화적 절단은 어느 정도 제어될 수 있어 셀룰로오스 사슬의 선택적 변형과 특정 특성을 가진 맞춤형 유도체의 생산이 가능합니다.
다양한 응용 분야: 과산화수소 매개 용해로 얻은 수용성 셀룰로오스 유도체는 바이오 연료 생산, 기능성 재료, 생체 의학 장치 및 폐수 처리를 비롯한 다양한 분야에서 응용 가능성이 있습니다.
과제와 향후 방향:
유망한 특성에도 불구하고 과산화수소 매개 셀룰로오스 용해는 몇 가지 과제와 개선이 필요한 영역에 직면해 있습니다.
선택성 및 수율: 부반응을 최소화하면서 수용성 셀룰로오스 유도체의 높은 수율을 달성하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있으며, 특히 리그닌과 헤미셀룰로오스를 포함하는 복잡한 바이오매스 공급원료의 경우 더욱 그렇습니다.
확장 및 공정 통합: 과산화수소 기반 셀룰로오스 용해 공정을 산업 수준으로 확장하려면 경제적 실행 가능성과 환경 지속 가능성을 보장하기 위해 반응기 설계, 용매 회수 및 다운스트림 처리 단계를 신중하게 고려해야 합니다.
촉매 개발: 과산화수소 활성화 및 셀룰로오스 산화를 위한 효율적인 촉매 설계는 촉매 로딩 및 부산물 형성을 최소화하면서 반응 속도와 선택성을 높이는 데 필수적입니다.
부산물의 가치 평가: 카르복실산이나 올리고머 당과 같은 과산화수소 매개 셀룰로오스 용해 중에 생성되는 부산물의 가치를 평가하는 전략은 공정의 전반적인 지속 가능성과 경제적 실행 가능성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
과산화수소는 환경 친화성, 온화한 반응 조건 및 선택적 산화와 같은 이점을 제공하여 셀룰로오스 용해를 위한 친환경 다목적 용매로서 상당한 가능성을 갖고 있습니다.지속적인 도전에도 불구하고, 기본 메커니즘을 밝히고, 반응 매개변수를 최적화하고, 새로운 응용 분야를 탐구하기 위한 지속적인 연구 노력은 셀룰로오스 가치화를 위한 과산화수소 기반 공정의 타당성과 지속 가능성을 더욱 향상시킬 것입니다.
게시 시간: 2024년 4월 10일