شناسایی و ارزیابی ویژگی های اجزاء لیگنین کرافت صنعتی سوزنی برگان حاصل از جزءجزءسازی تک مرحله ای

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

2 دانشیار گروه صنایع خمیر و کاغذ، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران

3 استاد گروه صنایع چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

4 استادیار دپارتمان علوم و فنون شیمی، دانشگاه رم تورورگاتا، 00133 ،رم ، ایتالیا

5 استاد دپارتمان علوم و فنون شیمی، دانشگاه رم تورورگاتا، 00133، رم، ایتالیا

چکیده

کاربرد لیگنین کرافت صنعتی در تهیه محصولات با ارزش افزوده، به دلیل ناهمگنی ذاتی لیگنین که طی فرآیند پخت شیمیایی تشدید می شود، با محدودیت روبرو است. فرآیند جزءجزءسازی لیگنین با استفاده از حلال های آلی برای دست یابی به لیگنین با ویژگی های مناسب برای تهیه محصولات با ارزش افزوده بسیار مورد توجه است. در این تحقیق، دو نوع لیگنین کرافت صنعتی سوزنی برگان با فرآیند جزءجزءسازی به روش تک مرحله ای توسط استون به دو بخش محلول و نامحلول تفکیک شد. ویژگی های هر دو لیگنین اولیه و اجزاء محلول و نامحلول حاصل از آنها، به وسیله آزمون های کروماتوگرافی تراوش ژلی (GPC)، طیف سنجی مافوق قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف سنجی 31P NMR و گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) مطالعه شد. نتایج نشان داد بخش های حاصل دارای وزن مولکولی، گروه های هیدروکسیل عاملی و دمای انتقال شیشه ای متفاوت هستند. بخش محلول که دارای وزن مولکولی و بسپاشیدگی کمتری بود، گروه های هیدروکسیل آلیفاتیک کمتر، هیدروکسیل فنولی بیشتر و دمای انتقال شیشه ای کمتر را نسبت به بخش نامحلول نشان داد. همچنین، مشخص شد که به وسیله استخراج تک مرحله ای با حلال، به راحتی می توان به اجزایی از لیگنین صنعتی با خصوصیات ویژه دست یافت که فهم همبستگی بین ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آنها می تواند ابزاری مناسب برای شناسایی و معرفی لیگنین مناسب در کاربردهای بالقوه مختلف باشد.

کلیدواژه‌ها


[1] Ragauskas, A.J., Beckham, G.T., Biddy, M.J., Chandra, R., Chen, F., Davis, M.F., Davison, B.H., Dixon, R.A., Gilna, P., Keller, M. and Langan, P., 2014. Lignin valorization: improving lignin processing in the biorefinery. Science, 344(6185), p.1246843.

[2] Gosselink, R.J.A., De Jong, E., Guran, B. and Abächerli, A., 2004. Co-ordination network for lignin—standardisation, production and applications adapted to market requirements (EUROLIGNIN). Industrial Crops and Products, 20(2): 121-129.

[3] Crestini, C., Lange, H., Sette, M. and Argyropoulos, D.S., 2017. On the structure of softwood kraft lignin. Green Chemistry, 19: 4104–4121.

[4] Jiang, J.and Argyropoulos, D. S., 1999.  Isolation and characterization of residual lignin in kraft pulp. Journal of Pulp and Paper Science, 25 (1): 25-29.

[5] Sevastyanova, O., Helander, M., Chowdhury, S., Lange, H., Wedin, H., Zhang, L., Ek, M., Kadla, J.F., Crestini, C. and Lindström, M.E., 2014. Tailoring the molecular and thermo–mechanical properties of kraft lignin by ultrafiltration. Journal of Applied Polymer Science, 131(18).

[6] Toledano, A., García, A., Mondragon, I. and Labidi, J., 2010. Lignin separation and fractionation by ultrafiltration. Separation and Purification Technology, 71(1): 38-43.

[7] Brodin, I., Sjöholm, E. and Gellerstedt, G., 2009. Kraft lignin as feedstock for chemical products: The effects of membrane filtration. Holzforschung, 63(3): 290-297.

[8] Dos Santos, P.S., Erdocia, X., Gatto, D.A. and Labidi, J., 2014. Characterisation of Kraft lignin separated by gradient acid precipitation. Industrial crops and products, 55: 149-154.

[9] Cui, C., Sun, R. and Argyropoulos, D.S., 2014. Fractional precipitation of softwood kraft lignin: isolation of narrow fractions common to a variety of lignins. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2(4): 959-968.

[10] Lange, H., Schiffels, P., Sette, M., Sevastyanova, O. and Crestini, C., 2016. Fractional precipitation of wheat straw organosolv lignin: macroscopic properties and structural insights. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(10): 5136-5151.

[11] Jääskeläinen, A.S., Liitiä, T., Mikkelson, A. and Tamminen, T., 2017. Aqueous organic solvent fractionation as means to improve lignin homogeneity and purity. Industrial crops and products, 103: 51-58.

[12] Sadeghifar, H., Wells, T., Le, R.K., Sadeghifar, F., Yuan, J.S. and Jonas Ragauskas, A., 2016. Fractionation of organosolv lignin using acetone: water and properties of the obtained fractions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5(1): 580-587.

[13] Wang, Y.Y., Li, M., Wyman, C.E., Cai, C.M. and Ragauskas, A.J., 2018. Fast fractionation of technical lignins by organic cosolvents. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6(5): 6064-6072.

[14] Mörck, R., Yoshida, H.; Kringstad, K. P. and Hatakeyama, H., 1986. Fractionation of kraft lignin by successive extraction with organic solvents. I. Functional groups, carbon-13 NMR-spectra and molecular weight distributions. Holzforschung, 40 (Suppl.), 51-60.

[15] Thring, R.W., Vanderlaan, M.N. and Griffin, S.L., 1996. Fractionation of Alcell® lignin by sequential solvent extraction. Journal of Wood Chemistry and Technology, 16 (2):139-154.

[16] Arshanitsa, A., Ponomarenko, J., Dizhbite, T., Andersone, A., Gosselink, R.J., van der Putten, J., Lauberts, M. and Telysheva, G., 2013. Fractionation of technical lignins as a tool for improvement of their antioxidant properties. Journal of analytical and applied pyrolysis, 103: 78-85.

[17] Li, H. and McDonald, A.G., 2014. Fractionation and characterization of industrial lignins. Industrial crops and products, 62: 67-76.

[18] Saito, T., Perkins, J.H., Vautard, F., Meyer, H.M., Messman, J.M., Tolnai, B. and Naskar, A.K., 2014. Methanol fractionation of softwood kraft lignin: Impact on the lignin properties. ChemSusChem, 7(1): 221-228.

[19] Duval, A., Vilaplana, F., Crestini, C. and Lawoko, M., 2016. Solvent screening for the fractionation of industrial kraft lignin. Holzforschung, 70(1): 11-20.

[20] Passoni, V., Scarica, C., Levi, M., Turri, S. and Griffini, G., 2016. Fractionation of industrial softwood Kraft lignin: solvent selection as a tool for tailored material properties. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 4(4): 2232-2242.

[21] Granata, A. and Argyropoulos, D.S., 1995. 2-Chloro-4, 4, 5, 5-tetramethyl-1, 3, 2-dioxaphospholane, a reagent for the accurate determination of the uncondensed and condensed phenolic moieties in lignins. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 43(6): 1538-1544.

[22] Jiang, Z.H., Argyropoulos, D.S. and Granata, A., 1995. Correlation analysis of 31P NMR chemical shifts with substituent effects of phenols. Magnetic resonance in chemistry, 33(5): 375-382.

[23] Sulaeva, I., Zinovyev, G., Plankeele, J.M., Sumerskii, I., Rosenau, T. and Potthast, A., 2017. Fast Track to Molar‐Mass Distributions of Technical Lignins. ChemSusChem, 10(3): 629-635.

[24] Fox Jr, T.G. and Flory, P.J., 1950. Second‐order transition temperatures and related properties of polystyrene. I. Influence of molecular weight. Journal of Applied Physics, 21(6): 581-591.

[25] Ogawa, T., 1992. Effects of molecular weight on mechanical properties of polypropylene. Journal of applied polymer science, 44(10):1869-1871.