مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

جاذب نوین سلولز نانوکریستالی مودار و بررسی عملکرد آن در فرایند جذب دی اکسید کربن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه تبریز، دانشکده مهندسی شیمی و نفت
2 دانشکده مهندسی شیمی و نفت، گروه مهندسی شیمی، تبریز، ایران
10.22034/ijwp.2024.2029296.1666
چکیده
بیان مساله و اهداف: پیشرفت روز افزون تکنولوژی و صنایع سبب افزایش نیاز به انرژی شده است. اکثر منابعی که جهت تامین انرژی مورد استفاده قرار می­گیرند، باعث افزایش میزان گاز دی­اکسید کربن در جو شده و در نتیجه خطراتی را برای زمین و انسان­ها بوجود می­آورند. یکی از بهترین روش­های جلوگیری از افزایش میزان گاز دی­اکسید کربن، روش جذب سطحی روی جاذب­های جامد است. در سال­های اخیر جاذب­های سلولزی به دلیل زیست تخریب­پذیری و فراوانی بسیار مورد توجه قرار گرفته­اند. سلولز نانو کریستالی مودار یکی از انواع مواد سلولزی است که در دهه اخیر درکاربردهای گوناگونی مورد استفاده قرار گرفته است. در پژوهش حاضر سلولز نانو کریستالی مودار به روش اکسیداسیون و سلولز نانوکریستالی به روش هیدرولیز اسیدی سنتز و میزان ظرفیت جذب دی­اکسید کربن توسط این مواد مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفت.
مواد و روشها: آلفاسلولز، سدیم متاپریدات و نمک طعام به 300 میلی­لیتر آب مقطر اضافه شده و محلول حاصل به مدت چند ساعت تحت اختلاط به‌وسیله همزن مغناطیسی باقی ماند تا واکنش بین مواد کامل شود. جهت توقف واکنش مقدار 3 میلی­لیتر اتیلن گلیکول به محتوی ظرف اضافه شد. در ادامه سوسپانسیون تشکیل شده به‌وسیله پمپ خلأ، شست‌وشو داده شد. برای سنتز سلولز نانو کریستالی مودار، سلولز دی­آلدهیدی به دست آمده، به داخل 100 میلی­لیتر آب مقطر اضافه شد. محتوی ظرف در دمای 80 درجه سانتی­گراد تحت اختلاط قرار گرفت تا سلولز دی­آلدهیدی به‌طور کامل حل شود. محلول به دست ­آمده سانتریفیوژ شده و پس از آن، محلول رویی برداشته و وزن شد. به میزان 7/1 برابر وزن محلول رویی، پروپانول به آن اضافه شد. محلول به دست آمده جهت بدست آمدن ماده نهایی مجددا سانتریفیوژ شد.
نتایج: نتایج آنالیز طیف­سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه و میکروسکوپ الکترونی روبشی سنتز سلولز نانو کریستالی و سلولز نانو کریستالی مودار را تایید کردند. براساس نتایج آنالیز ظرفیت جذب، در دمای 25 درجه سانتی­گراد با افزایش غلظت دی­اکسید کربن از 10 درصد به 90 درصد میزان جذب سلولز نانو کریستالی مودار به‌طور میانگین از 12/2 میلی­گرم برگرم به 63/7 میلی­گرم برگرم رسیده است. به عبارت بهتر در دمای 25 درجه سانتی­گراد تقریباً افزایش 6/3 برابری داشته است. در مقابل ظرفیت جذب سلولز نانو کریستالی با افزایش غلظت دی­اکسید کربن از 10 درصد به 90 درصد در مقایسه با سلولز نانو کریستالی مودار افزایش چشمگیری نداشته و ظرفیت جذب آن به‌طور میانگین در دمای 25 درجه سانتی­گراد از 69/0 میلی­گرم برگرم به 11/1 میلی­گرم برگرم رسیده است، یعنی میزان ظرفیت جذب برای سلولز نانو کریستالی در دمای 25 درجه سانتی­گراد در حدود 61 درصد افزایش از خود نشان داده است. دلیل این افزایش ظرفیت جذب با افزایش غلظت دی­اکسید کربن، افزایش تعداد مولکول­های دی­اکسید کربن در واحد حجم و به دنبال آن افزایش برخوردها و در نتیجه افزایش میزان ظرفیت جذب است. همچنین با افزایش دما از 25 به 50 درجه سانتی­گراد به دلیل ماهیت فیزیکی جذب دی­اکسید کربن، میزان جذب دی‌اکسید کربن توسط هردو جاذب کاهش می­یابد. به‌طور مثال میزان جذب سلولز نانو کریستالی مودار در غلظت 90 درصد دی­اکسید کربن از 63/7 میلی­گرم برگرم به 78/4 میلی­گرم بر گرم کاهش می­یابد. نتایج بررسی‌ها نشان داد که سلولز نانو کریستالی مودار به دلیل دارا بودن گروه­های آلدهیدی و نواحی آمورف، میزان جذب بیشتری نسبت به سلولز نانو کریستالی که فاقد موارد ذکرشده است، دارد. در دمای 25 درجه سانتی­گراد و غلظت 90 درصد دی­اکسید کربن ظرفیت جذب سلولز نانو کریستالی مودار و سلولز نانو کریستالی به ترتیب برابر 63/7 میلی­گرم برگرم و 11/1 میلی­گرم برگرم می­باشد؛ یعنی ظرفیت جذب سلولز نانو کریستالی مودار در حدود 7 برابر بیشتر از سلولز نانو کریستالی در شرایط مشابه است.
نتیجه­ گیری: به‌طورکلی با افزایش غلظت دی­اکسید کربن و کاهش دما، ظرفیت جذب هردو جاذب افزایش می­یابد، زیرا افزایش غلظت دی­اکسید کربن سبب افزایش میزان تماس بین مولکول­های دی­اکسید کربن و سطح جاذب شده و همچنین با توجه به احتمال اینکه جذب از نوع فیزیکی است، کاهش دما سبب افزایش ظرفیت جذب می­گردد. به‌طوری‌که حداکثر ظرفیت جذب در دمای 25 درجه سانتی­گراد و در غلظت 90 درصد د­ی­اکسید کربن مربوط به سلولز نانو کریستالی مودار بوده و برابر 63/7 میلی­گرم برگرم می­باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Spliethoff, H. and Spliethoff, H., 2010. Solid fuels (pp. 15-56). Springer Berlin Heidelberg.
[2] Chmielniak, T., 2004. Energy Technologies. Scientific Papers. Electrical Engineering/Opole University of Technology, 295(53), pp. 105-111
[3] Sarkar, S., 2009. Fuels and combustion. Universities Press.
[4] Madejski, P., Chmiel, K., Subramanian, N. and Kuś, T., 2022. Methods and techniques for CO2 capture: Review of potential solutions and applications in modern energy technologies. Energies, 15(3), p.887.
[5] Chaudhary, A. and Bhaskarwar, A.N., 2015. A novel ionic liquid for carbon capture. Athens J Sci, 2(3), pp.187-202.
[6] Ho, N.A.D. and Leo, C.P., 2021. A review on the emerging applications of cellulose, cellulose derivatives and nanocellulose in carbon capture. Environmental Research, 197, p.111100.
[7] Zhang, X., Zhang, X., Dong, H., Zhao, Z., Zhang, S. and Huang, Y., 2012. Carbon capture with ionic liquids: overview and progress. Energy and Environmental Science, 5(5), pp.6668-6681.
[8]         Sepahvand, S., Jonoobi, M. and Ashori, A., 2019. Effect of phthalimide-modified cellulose nanofibers on carbon dioxide adsorption. Wood and paper science research, 10(3), pp.397-406. (In Persian).
[9] Albayati, N., Waisi, B., Al-Furaiji, M., Kadhom, M. and Alalwan, H., 2021. Effect of COVID-19 on air quality and pollution in different countries. Journal of transport and health, 21, p.101061.
[10]        Azzouz, A., Platon, N., Nousir, S., Ghomari, K., Nistor, D., Shiao, T.C. and Roy, R., 2013. OH-enriched organo-montmorillonites for potential applications in carbon dioxide separation and concentration. Separation and purification technology, 108, pp.181-188.
[11]        Bains, P., Psarras, P. and Wilcox, J., 2017. CO2 capture from the industry sector. Progress in Energy and Combustion Science, 63, pp.146-172.
[12]        Kajama, M.N., Nwogu, N.C. and Gobina, E., 2014. Experimental study of carbon dioxide separation with nanoporous ceramic membranes. WIT Transactions on Ecology and the Environment, 186, pp.625-633.
[13]        Lai, J.Y., Ngu, L.H. and Hashim, S.S., 2021. A review of CO2 adsorbents performance for different carbon capture technology processes conditions. Greenhouse Gases: Science and Technology, 11(5), pp.1076-1117.
[14]        Huber, T., Müssig, J., Curnow, O., Pang, S., Bickerton, S. and Staiger, M.P., 2012. A critical review of all-cellulose composites. Journal of Materials Science, 47, pp.1171-1186.
[15]        Moon, R.J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J. and Youngblood, J., 2011. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, 40(7), pp.3941-3994.
[16]        Demirbas, A., 2008. Heavy metal adsorption onto agro-based waste materials: a review. Journal of hazardous materials, 157(2-3), pp.220-229.
[17]        van de Ven, T. G. M. and Sheikhi, A., 2016. Hairy cellulose nanocrystalloids: a novel class of nanocellulose. Nanoscale, 8(33), pp. 15101-15114.
[18]        Iwamoto, S., Nakagaito, A. N. and Yano, H., 2007. Nano-fibrillation of pulp fibers for the processing of transparent nanocomposites. Applied Physics A, 89(2), pp. 461-466.
[19]        Alemdar, A. and Sain, M. 2008. Isolation and characterization of nanofibers from agricultural residues – Wheat straw and soy hulls. Bioresource Technology, 99(6), pp. 1664-1671.
[20]        Wang, S. and Cheng, Q., 2009. A novel process to isolate fibrils from cellulose fibers by high-intensity ultrasonication, Part 1: Process optimization. Journal of Applied Polymer Science, 113(2), pp. 1270-1275.
[21]        Abdul Khalil, H. P. S., Davoudpour, Y., Islam, M. N., Mustapha, A., Sudesh, K., Dungani, R. and Jawaid, M., 2014. Production and modification of nanofibrillated cellulose using various mechanical processes: A review. Carbohydrate Polymers, 99, pp. 649-665.
[22]        Muthami, J., Wamea, P., Pitcher, M., Sakib, M.N., Liu, Z., Arora, S., Kennedy, D., Chang, Y.J. and Sheikhi, A., 2021. Hairy cellulose nanocrystals: from synthesis to advanced applications in the water–energy–health–food nexus.
[23]        Young, S.A., Muthami, J., Pitcher, M., Antovski, P., Wamea, P., Murphy, R.D., Haghniaz, R., Schmidt, A., Clark, S., Khademhosseini, A. and Sheikhi, A., 2022. Engineering hairy cellulose nanocrystals for chemotherapy drug capture. Materials Today Chemistry, 23, p.100711.
[24]        Koshani, R., Zhang, J., van de Ven, T.G., Lu, X. and Wang, Y., 2021. Modified hairy nanocrystalline cellulose as photobactericidal nanofillers for food packaging application. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 9(31), pp.10513-10523.
[25]        Amin Ojagh, S.M., Amini, M., Cranmer-Smith, S., Vahabzadeh, F., Arjmand, M., Tam, K.C., Rojas, O.J., Kamkar, M. and van de Ven, T.G., 2023. Crystalline and hairy nanocelluloses for 3D printed hydrogels and strongly structured cryogels. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 11(14), pp.5674-5684.
[26]        Yu, C., Jhong, M., Lin, F., Chen, M. and Wang, G., 2022. Aldehyde content of dialdehyde cellulose determined via nitrate analysis. BioResources, 17(2), pp. 2457.
[27]        Kim, U.-J., Kuga, S., Wada, M., Okano, T. and Kondo, T., 2000. Periodate Oxidation of Crystalline Cellulose. Biomacromolecules, 1(3), pp. 488-492
[28]        Wang, C. and Okubayashi, S., 2019. Polyethyleneimine-crosslinked cellulose aerogel for combustion CO2 capture. Carbohydrate polymers, 225, p.115248.
 
[29]        Liu, S., Zhang, Y., Jiang, H., Wang, X., Zhang, T. and Yao, Y., 2018. High CO 2 adsorption by amino-modified bio-spherical cellulose nanofibres aerogels. Environmental chemistry letters, 16, pp.605-614.
[30]        Yang, H., 2016. Multifunctional hairy nanocrystalline cellulose. McGill University (Canada).
[31]        Koshani, R., Eiyegbenin, J.E., Wang, Y. and van de Ven, T.G., 2022. Synthesis and characterization of hairy aminated nanocrystalline cellulose. Journal of Colloid and Interface Science, 607, pp.134-144.
[32]         Zhou, G., Wang, K., Liu, R., Tian, Y., Kong, B. and Qi, G., 2021. Synthesis and CO2 adsorption performance of TEPA-loaded cellulose whisker/silica composite aerogel. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 631, p.127675.
[33]         Mohd, N.H., Kargazadeh, H., Miyamoto, M., Uemiya, S., Sharer, N., Baharum, A., Peng, T.L., Ahmad, I., Yarmo, M.A. and Othaman, R., 2021. Aminosilanes grafted nanocrystalline cellulose from oil palm empty fruit bunch aerogel for carbon dioxide capture. Journal of Materials Research and Technology, 13, pp.2287-2296.
[34]         Wu, Y., Zhang, Y., Chen, N., Dai, S., Jiang, H. and Wang, S., 2018. Effects of amine loading on the properties of cellulose nanofibrils aerogel and its CO2 capturing performance. Carbohydrate polymers, 194, pp.252-259.
[35]         Doan, Q.K.T. and Chiang, K.Y., 2023. Facile synthesis of polyethyleneimine-modified cellulose nanocrystal/silica hybrid aerogel for CO2 adsorption. Environmental Science and Pollution Research, pp.1-18.
[36]         Zhang, T., Zhang, W., Zhang, Y., Shen, M. and Zhang, J., 2020. Gas phase synthesis of aminated nanocellulose aerogel for carbon dioxide adsorption. Cellulose, 27, pp.2953-2958.