CMC Cellulose và đặc tính cấu trúc của nó

Sử dụng xenluloza rơm làm nguyên liệu thô, nó được biến đổi bằng quá trình ete hóa.Thông qua thử nghiệm đơn yếu tố và luân chuyển, các điều kiện tối ưu để điều chế carboxymethyl cellulose được xác định là: thời gian ete hóa 100 phút, nhiệt độ ete hóa 70oC, Liều lượng NaOH 3,2g và liều lượng axit monochloroacetic 3,0g, mức độ thay thế tối đa là 0,53.

Từ khóa: CMCxenlulo;axit monochloroaxetic;ether hóa;sửa đổi

Carboxymetyl xenlulozalà ete cellulose được sản xuất và bán nhiều nhất trên thế giới.Nó được sử dụng rộng rãi trong chất tẩy rửa, thực phẩm, kem đánh răng, dệt, in và nhuộm, làm giấy, dầu khí, khai thác mỏ, y học, gốm sứ, linh kiện điện tử, cao su, Sơn, thuốc trừ sâu, mỹ phẩm, da, nhựa và khoan dầu, v.v. là “bột ngọt công nghiệp”.Carboxymethyl cellulose là một dẫn xuất ete cellulose hòa tan trong nước thu được bằng cách biến đổi cellulose tự nhiên về mặt hóa học.Cellulose, nguyên liệu chính để sản xuất carboxymethyl cellulose, là một trong những nguồn tài nguyên tái tạo tự nhiên dồi dào nhất trên trái đất, với sản lượng hàng năm lên tới hàng trăm tỷ tấn.nước tôi là một nước nông nghiệp rộng lớn và là một trong những nước có nguồn tài nguyên rơm rạ dồi dào nhất.Rơm rạ luôn là một trong những nguồn nhiên liệu sinh hoạt chính của người dân nông thôn.Những nguồn tài nguyên này đã lâu không được phát triển hợp lý và trên thế giới chỉ có chưa đến 2% chất thải nông lâm nghiệp như rơm rạ được sử dụng hàng năm.Lúa là cây trồng kinh tế chính ở tỉnh Hắc Long Giang, với diện tích trồng hơn 2 triệu km2, sản lượng hàng năm là 14 triệu tấn gạo và 11 triệu tấn rơm.Nông dân thường đốt chúng trực tiếp trên đồng ruộng như một chất thải, đây không chỉ là sự lãng phí lớn về tài nguyên thiên nhiên mà còn gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường.Vì vậy, hiện thực hóa việc tận dụng nguồn tài nguyên rơm rạ là yêu cầu cần thiết của chiến lược phát triển nông nghiệp bền vững.

1. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm

1.1 Vật liệu và thiết bị thí nghiệm

Rơm xenlulo, tự chế trong phòng thí nghiệm;JJ～Máy trộn điện loại 1, Nhà máy dụng cụ thí nghiệm Jintan Guowang;SHZW2C loại RS—Một máy bơm chân không, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.;Máy đo pH pHS-3C, Công ty TNHH Mettler-Toledo;Lò sấy nhiệt độ không đổi gia nhiệt bằng điện DGG-9070A, Công ty TNHH Thiết bị Dụng cụ Kiểm tra Lihui Bắc Kinh;Kính hiển vi điện tử quét HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments;etanol;Natri Hidroxit;axit chloroacetic, v.v. (các thuốc thử trên là tinh khiết phân tích).

1.2 Phương pháp thực nghiệm

1.2.1 Điều chế carboxymethyl cellulose

(1) Phương pháp điều chế carboxymethyl cellulose: Cân 2 g cellulose cho vào bình ba cổ, thêm 2,8 g NaOH, 20 ml dung dịch etanol 75%, ngâm trong kiềm trong nồi cách thủy có nhiệt độ không đổi ở 25°C trong 80 phút.Khuấy bằng máy trộn để kết hợp tốt.Trong quá trình này, cellulose phản ứng với dung dịch kiềm tạo thành cellulose kiềm.Ở giai đoạn ete hóa, cho 10 ml dung dịch etanol 75% và 3 g axit cloaxetic vào bình ba cổ đã phản ứng ở trên, nâng nhiệt độ lên 65-70° C., và phản ứng trong 60 phút.Thêm kiềm lần 2, sau đó thêm 0,6g NaOH vào bình phản ứng trên để giữ nhiệt độ ở 70°C, thời gian phản ứng là 40 phút để thu được Na thô—CMC (natri carboxymethylcellulose).

Trung hòa và rửa: thêm 1moL·Axit clohydric L-1 và trung hòa phản ứng ở nhiệt độ phòng cho đến khi pH = 7 ~ 8.Sau đó rửa hai lần bằng etanol 50%, sau đó rửa một lần bằng etanol 95%, lọc bằng máy hút và sấy khô ở 80-90°C trong 2 giờ.

(2) Xác định mức độ thay thế mẫu: phương pháp xác định bằng máy đo độ axit: Cân 0,2g (chính xác đến 0,1mg) mẫu Na-CMC đã tinh khiết và khô, hòa tan trong 80mL nước cất, khuấy điện từ trong 10 phút và điều chỉnh bằng axit hoặc kiềm. Dung dịch này đưa độ pH của dung dịch về 8. Sau đó chuẩn độ dung dịch thử bằng dung dịch chuẩn axit sulfuric trong cốc có gắn điện cực đo pH và quan sát chỉ số của máy đo pH trong khi chuẩn độ cho đến khi độ pH bằng 3,74.Ghi thể tích dung dịch chuẩn axit sulfuric đã dùng.

1.2.2 Phương pháp thử nghiệm đơn nhân tố

(1) Ảnh hưởng của lượng kiềm đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose: tiến hành kiềm hóa ở 25oC, ngâm kiềm trong 80 phút, nồng độ trong dung dịch ethanol là 75%, kiểm soát lượng thuốc thử axit monochloroacetic 3g, nhiệt độ ether hóa là 65 ~ 70°C, thời gian ether hóa là 100 phút và lượng natri hydroxit được thay đổi cho thử nghiệm.

(2) Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch etanol đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose: lượng kiềm cố định là 3,2g, ngâm kiềm trong bể nước có nhiệt độ không đổi ở 25°C trong 80 phút, nồng độ dung dịch ethanol là 75%, lượng thuốc thử axit monochloroacetic được kiểm soát ở mức 3g, quá trình ether hóa Nhiệt độ là 65-70°C, thời gian ete hóa là 100 phút và nồng độ của dung dịch etanol được thay đổi trong thí nghiệm.

(3) Ảnh hưởng của lượng axit monochloroacetic đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose: cố định ở 25°C để kiềm hóa, ngâm trong kiềm trong 80 phút, thêm 3,2g natri hydroxit để làm cho nồng độ dung dịch etanol 75%, ete Nhiệt độ là 65 ~ 70°C, thời gian ether hóa là 100 phút và lượng axit monochloroacetic được thay đổi cho thí nghiệm.

(4) Ảnh hưởng của nhiệt độ ete hóa đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose: cố định ở 25°C để kiềm hóa, ngâm trong kiềm trong 80 phút, thêm 3,2g natri hydroxit để làm cho nồng độ dung dịch etanol 75%, nhiệt độ ete hóa Nhiệt độ là 65 ~ 70oC, thời gian ether hóa là 100 phút và thí nghiệm được thực hiện bằng cách thay đổi liều lượng axit monochloroacetic.

(5) Ảnh hưởng của thời gian ether hóa đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose: cố định ở 25°C để kiềm hóa, thêm 3,2g natri hydroxit và ngâm trong kiềm trong 80 phút để tạo ra nồng độ của dung dịch etanol 75% và monochlor được kiểm soát Liều lượng thuốc thử axit axetic là 3g, nhiệt độ ete hóa là 65 ~ 70°C và thời gian ether hóa được thay đổi trong thí nghiệm.

1.2.3 Kế hoạch thử nghiệm và tối ưu hóa carboxymethyl cellulose

Trên cơ sở thí nghiệm nhân tố đơn, một thí nghiệm hồi quy bậc hai xoay trực giao kết hợp bốn nhân tố và năm cấp độ đã được thiết kế.Bốn yếu tố là thời gian ether hóa, nhiệt độ ether hóa, lượng NaOH và lượng axit monochloroacetic.Quá trình xử lý dữ liệu sử dụng phần mềm thống kê SAS8.2 để xử lý dữ liệu, phần mềm này cho thấy mối quan hệ giữa từng yếu tố ảnh hưởng và mức độ thay thế của carboxymethyl cellulose.luật bên trong.

1.2.4 Phương pháp phân tích SEM

Mẫu bột khô được cố định ở giai đoạn mẫu bằng keo dẫn điện, sau khi phun vàng chân không được quan sát và chụp ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Kết quả và phân tích

2.1 Ảnh hưởng của yếu tố đơn lẻ đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose

2.1.1 Ảnh hưởng của lượng kiềm đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose

Khi thêm NaOH3,2g vào 2g cellulose thì mức độ thay thế của sản phẩm là cao nhất.Lượng NaOH bị giảm, không đủ để tạo thành sự trung hòa của chất cellulose kiềm và chất ether hóa, và sản phẩm có mức độ thay thế nhỏ và độ nhớt thấp.Ngược lại, nếu lượng NaOH quá nhiều, các phản ứng phụ trong quá trình thủy phân axit chloroacetic sẽ tăng lên, mức tiêu thụ chất ete hóa sẽ tăng lên và độ nhớt của sản phẩm cũng giảm đi.

2.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch etanol đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose

Một phần nước trong dung dịch etanol tồn tại trong môi trường phản ứng bên ngoài xenlulo, phần còn lại tồn tại trong xenlulo.Nếu hàm lượng nước quá lớn, CMC sẽ trương nở trong nước tạo thành thạch trong quá trình ete hóa, dẫn đến phản ứng rất không đồng đều;nếu hàm lượng nước quá nhỏ thì phản ứng sẽ khó tiến hành do thiếu môi trường phản ứng.Nói chung, ethanol 80% là dung môi thích hợp nhất.

2.1.3 Ảnh hưởng của liều lượng axit monochloroacetic đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose

Lượng axit monochloroacetic và natri hydroxit về mặt lý thuyết là 1:2, nhưng để chuyển phản ứng theo hướng tạo ra CMC, hãy đảm bảo rằng có một bazơ tự do thích hợp trong hệ thống phản ứng, để quá trình carboxymethyl hóa có thể diễn ra suôn sẻ.Vì lý do này, phương pháp kiềm dư được áp dụng, nghĩa là tỷ lệ mol của các chất axit và kiềm là 1:2,2.

2.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ ete hóa đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose

Nhiệt độ ether hóa càng cao thì tốc độ phản ứng càng nhanh nhưng các phản ứng phụ cũng được tăng tốc.Từ góc độ cân bằng hóa học, nhiệt độ tăng không thuận lợi cho sự hình thành CMC, nhưng nếu nhiệt độ quá thấp, tốc độ phản ứng chậm và tốc độ sử dụng tác nhân ether hóa thấp.Có thể thấy nhiệt độ tối ưu cho quá trình ether hóa là 70°C.

2.1.5 Ảnh hưởng của thời gian ete hóa đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose

Khi thời gian ether hóa tăng lên, mức độ thay thế của CMC tăng lên và tốc độ phản ứng tăng lên, nhưng sau một thời gian nhất định, các phản ứng phụ tăng lên và mức độ thay thế giảm xuống.Khi thời gian ether hóa là 100 phút thì mức độ thay thế là tối đa.

2.2 Kết quả thử nghiệm trực giao và phân tích nhóm carboxymethyl

Qua bảng phân tích phương sai có thể thấy ở mục sơ cấp, bốn yếu tố thời gian ete hóa, nhiệt độ ete hóa, lượng NaOH và lượng axit monochloroacetic có tác động rất đáng kể đến mức độ thay thế của carboxymethyl cellulose (p <0,01) .Trong số các yếu tố tương tác, yếu tố tương tác về thời gian ete hóa và lượng axit monochloroacetic cũng như yếu tố tương tác giữa nhiệt độ ete hóa và lượng axit monochloroacetic có ảnh hưởng rất đáng kể đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose (p<0,01).Thứ tự ảnh hưởng của các yếu tố đến mức độ thay thế carboxymethyl cellulose là: nhiệt độ ete hóa>lượng axit monochloroacetic>thời gian ete hóa>lượng NaOH.

Sau khi phân tích kết quả thử nghiệm của thiết kế kết hợp xoay trực giao hồi quy bậc hai, có thể xác định rằng các điều kiện quy trình tối ưu để sửa đổi quá trình carboxymethyl hóa là: thời gian ether hóa 100 phút, nhiệt độ ether hóa 70oC, Liều lượng NaOH 3,2g và axit monochloroacetic Liều lượng là 3,0g và mức độ thay thế tối đa là 0,53.

2.3 Đặc tính hiệu suất vi mô

Hình thái bề mặt của cellulose, carboxymethyl cellulose và các hạt carboxymethyl cellulose liên kết ngang được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét.Xenlulo phát triển thành dạng dải, bề mặt nhẵn;mép của carboxymethyl cellulose cứng hơn so với cellulose được chiết xuất, cấu trúc khoang tăng lên và thể tích trở nên lớn hơn.Điều này là do cấu trúc bó trở nên lớn hơn do sự trương nở của carboxymethyl cellulose.

3. Kết luận

3.1 Chuẩn bị cellulose ether hóa carboxymethyl Thứ tự quan trọng của bốn yếu tố ảnh hưởng đến mức độ thay thế cellulose là: nhiệt độ ether hóa > liều lượng axit monochloroacetic > thời gian ether hóa > liều lượng NaOH.Các điều kiện quá trình tối ưu của quá trình biến đổi carboxymethyl hóa là thời gian ether hóa 100 phút, nhiệt độ ether hóa 70oC, Liều lượng NaOH 3,2g, liều lượng axit monochloroacetic 3,0g và mức độ thay thế tối đa 0,53.

3.2 Các điều kiện công nghệ tối ưu của quá trình biến đổi carboxymethyl hóa là: thời gian ether hóa 100 phút, nhiệt độ ether hóa 70oC, Liều lượng NaOH 3,2g, liều lượng axit monochloroacetic 3,0g, mức độ thay thế tối đa 0,53.