Cellulose Nanofibrillen Based-Aerogel Microreactors eine hohe Effizienz und einfache Erzielbarer W
Einführung
Aerogel ist eine Art von interessantem Material, hergestellt durch das flüssige Lösungsmittel in einem Gel mit Luft zu ersetzen und gleichzeitig die Netzwerkstruktur zu halten. Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde. Darüber hinaus ist es sicher, stabil, ungiftig und biologisch abbaubar in der Natur. Nano Zellulose basierende Aerogels versprechen nicht nur eine sehr geringe Dichte und eine hohe Porosität, die in Aerogele typisch ist, sondern auch eine hohe Festigkeit und Duktilität, verglichen mit anorganischem oder polymeren Aerogele 1. Aufgrund dieser Vorteile, der Cellulose-Nanofibrillen (CNF) Aerogel haben viele empfangenen Aufmerksamkeit in vielen Anwendungen, insbesondere als Träger bei der selektiven Trennung oder als Gerüstmaterial und Träger für die Arzneimittelabgabe in der Medizin 2, 3. Zhang et al. berichtete, daß die Cellulose-Nanofibrillen von Aerogel-Polyamid-Epichlorhydrin-Harz, vernetzte zeigte sehr robuste und schnelle Wiederherstellung der Form Eigenschaften in Wasser 4. Auch kann der funktionelle vernetzt CNF Aerogel mit guten mechanischen Eigenschaften direkt für die Adsorption von Hand zu waschen in Wasser verunreinigt und regenerierte nur 5 verwendet werden, 6.
Die Aerogel-Mikrokügelchen hat viele einzigartige Eigenschaften im Vergleich mit jenen bulk Cellulosematerialien, die 7 in verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise in medizinischen Bereich verwendet werden kann, 8, 9. Die Dimension und strukturelle Eigenschaften der Mikrokügelchen sind Schlüsselfaktoren in einigen Anwendungen wie In-vivo-Verabreichung von Arzneimitteln und Tissue Engineering. Die meisten Routen zur Herstellung der Aerogel-Mikrokügelchen wurden auf Basis von Sol-Gel-Bildung, Emulsionsverfahren, Umgebungsdruck Trocknungs- und Extraktionstechnik überkritischer 10. Cai et al. erfolgreich Cellulose-Nanofibrillen Aerogel-Mikrokügelchen, hergestellt durch Sprühtgefriertrocknungsverfahren 11. Der Durchmesser der meisten CNF Aerogel-Mikrokügelchen verwendet, ist in dem Bereich von 60-120 & mgr; m. Es wird berichtet, dass wässriges TEMPO ((2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl) oxyl) oxidierter Cellulose-Nanofibrillen (TOCN) Suspensionen von Anions Ladungen bestehen, so sind sie in hohem Maße homogen. Das Verfahren der Verwendung eines Ultraschallvernebler TOCN winzige Suspension durch Hochfrequenzschwingung zu erzeugen, ist eine sehr effektive Methode zur Herstellung von kleinen und einheitlichen celluloseWasserTröpfchen. In der Medizin ist ein Ultraschall-Vernebler ein Gerät verwendet, um flüssige Medizin in feine Tröpfchen, wie in Aerosol- oder Nebelform herzustellen, die mit einer sehr engen Größenverteilung sehr kleine Tröpfchen. Als Folge bewegen sich die Teilchen in die ganze Alveolen und die vernebelte Medikamente Lösung ist in der Lage ausreichend durch den menschlichen Atemwege aufgenommen werden, was zu den besten therapeutischen Effekte 12.
In dieser Studie wurde ein einfacher Ansatz zur Herstellung von TOCN Aerogel-Mikrokügelchen berichtet über ein Atomisierung-Gefriertrocknungsverfahren. Der ultraleichte (
2.1 mg cm -3) micropsheres besitzen kleine und einheitliche Teilchengrße (meistens innerhalb 2-7 um), und eine hohe Wasserabsorptionsfähigkeit (
120 g g -1). Die Extraktionsanwendungen der Membran auf Basis von Aerogel-Mikrokügelchen verändert durch Verändern Strippmittels in den Mikrokügelchen und Trägern in organischen Phasen werden könnten. Die Ergebnisse zeigten, dass 93% des Phenols und 82% Cu 2+ kann durch Verwendung TOCN Aerogel Mikrokügelchen basierten Mikroreaktor aus wäßriger Lösung extrahiert werden. Darüber hinaus könnten die verwendeten Mikrokügelchen einfach durch Filtration regeneriert werden, Quetschen und Waschen. Das regenerierte Mikroreaktorsystem weist eine ausgezeichnete Wiederverwendungsfähigkeit. Alle diese zeigten, dass Cellulose Nanofibrillen Aerogel Mikrokügelchen auf Basis Membran als neues Extraktionswerkzeug bedient werden konnten und hat ein großes Potenzial für industrielle Anwendungen.
Weichholzpulpe Fasern mit Durchmessern zwischen 20 und 50 um wurden als das Ausgangsmaterial verwendet TOCN vorzubereiten. Nach dem TEMPO-Oxidation wurde der Carboxylgruppengehalt der Cellulose 1,83 mmol g -1. die Leitfähigkeit wurde durch Titrationsverfahren gemessen. Danach wurde die TEMPO oxidiertes Cellulosesuspension unter dem mechanischen Defibrillation durch Ultraschall Prozessor TOCNs zu erhalten. Wenn es in Wasser dispergiert wurde, hat TOCN nicht ausflocken, sondern wurde stattdessen eine homogene Mischung. Es wurde, dass die Ultraschallvernebelung Verfahren erzeugen können nicht nur kleine und einheitliche Tröpfchen gefunden, aber auch die instabile Zerstäubung Probleme vermeiden. Schematische Darstellung der Ultraschall-Zerstäubung und Gefriertrocknungsverfahren zur Herstellung der vernetzten TOCN Aerogel-Mikrokügelchen wurden in der Fig. 1 (a). Die zerstäubten TOCN Aerosole wurde direkt in flüssigen Stickstoff gesprüht. Die gefrorenen kugelförmigen Proben wurden gefriergetrocknet, um Aerogel-Mikrokugeln zu erhalten. Die getrockneten Aerogel-Mikrokügelchen wurden für 3 h in einem Vakuumofen bei 120 ° C ausgehärtet, um eine ausreichende kovalente Vernetzung zu erzielen. Polyamid-Epichlorhydrin-Harz wurde als ein Naßfestmittel in der Papierindustrie weit verbreitet. Der Vernetzer des Harzes kann sowohl Selbstvernetzung bilden und externe Vernetzung mit Cellulose, die auch verwendet werden kann Naßfestigkeit von Aerogel-Mikrokugeln zu erhöhen.
(A) Schematische Darstellung der Ultraschall-Zerstäubung und Gefriertrocknungsverfahren für die vernetzten TOCN Aerogel-Mikrokügelchen, hergestellt wird. (B) Die Nomenklatur der TOCN Aerogel micropsheres.
(A, b) REM-Aufnahmen von TNM-6-2; (C, d) REM-Aufnahmen von TNM-4; (E, f) REM-Aufnahmen von TNM-2.
Die Größe der TOCN Aerogel-Mikrokügelchen wurde mittels SEM untersucht. Die Partikelgröße wurde durch die Tröpfchengröße vom Ultraschallvernebler erzeugt wird, bestimmt. Die Durchmesser der Mikrokügelchen wurden innerhalb von 1-10 & mgr; m mit einer Mehrheit von 2-7 & mgr; m, die in Fig. 3 dargestellt ist (a). Figur 3 (b, c) sammelt physikalische Eigenschaften der TOCN Aerogel-Mikrokügelchen. Durch den Vergleich verschiedener Proben in Fig. 3 (b). die TOCN Aerogel-Mikrokügelchen Dichte nahezu linear proportional zur Dispersionskonzentrationen. Obwohl die Schüttdichte der TNM-6-4 fast 2 mal von TNM-6-1 ist, sind ihre Wasseraufnahmekapazitäten sehr ähnlich (95-118 g g -1). Die superabsorbierenden Eigenschaften von TOCN Aerogel-Mikrokugeln hängen nicht nur von der hydrophilen Natur von TOCN sondern auch weitgehend auf die Lagerfähigkeit der Poren im Inneren. Wenn die Aerogel-Mikrokügelchen in ein wässriges Medium eingetaucht wurde, das Wasser leicht in die Aerogel-Matrix durch die Mikroporen diffundiert, und wurde dann in dem Aerogel-Mikrokügelchen eingeschlossen ist. Durch den Vergleich verschiedener Proben in Fig. 3 (c). es wurde gefunden, dass, obwohl die Schüttdichte der Mikrokügelchen, Aerogel ziemlich ähnlich ist, Wasserabsorptionskapazitäten dieser Absorptionsmitteln weit 80-120 g g -1 variiert. Das Phänomen wurde vermutlich durch unterschiedliche Porenstrukturen verursacht wird, die in Fig gesehen werden kann. 2. Es ist offensichtlich, dass die höheren poröse Struktur der TNM-3 größere Menge an Wasser im Vergleich zu anderen Proben halten konnte.
(A) Partikelgrößenverteilung von TNM-6-2. Die physikalischen Eigenschaften von (b) TNM-01.06. TNM-6-2, TNM-6-3, TNM-6-4; (C) TNM-2, TNM-4, TNM-6-2.
Es wird angenommen, dass das kleine Tröpfchendurchmesser der Mikrokügelchen ein wesentliches Kriterium ist, dass eine stabilere Suspension und höhere Massenübertragungsrate liefert, wenn es als W / O / W-Mikroreaktor-Trennsystem verwendet wird. Um festzustellen, die ein wirksames und stabiles Mikrokügelchen-basiertes Mikroreaktorsystem, ein organisches Lösungsmittel, das das Wasser gesättigtes Aerogelteilchen dispergieren kann, muß gestützt werden. Das Öl Dichte und Viskosität könnten eine wichtige Rolle spielen. Es gibt auch einige andere Anforderungen an der Auswahl des Lösungsmittels: geringe Löslichkeit in der inneren und äußeren wässrigen Phase, die Kompatibilität mit dem Tensid, moderate Viskosität (nicht zu niedrig als Membranstabilität Kompromissen), eine Dichte, die von den wässrigen ausreichend verschieden ist Phase 16 Kerosene wurde in dieser Studie ausgewählt, weil sie eine kostengünstige und am häufigsten verwendete Lösungsmittel in ELM ist. Es wurde jedoch schnell festgestellt, dass die gesättigten Aerogel-Mikrokugeln können nicht gut in Kerosin dispergiert werden, auch wenn ein Tensid Span 80 verwendet wurde. Stattdessen haben wir festgestellt, dass Aerogel-Mikrokügelchen werden auch in einer Mischung aus Kerosin-Silikonöl dispergiert könnte (Volumenverhältnis 1: 1), wie in Fig 4 (b).. und sie konnten auch leicht von der äußeren wässrigen Phase durch einfache nach Extraktion Filtration abgetrennt werden.
(A) Schematische Darstellung von Cellulose-Nanofibrillen based-Aerogel als W / O / W-Membran-Mikroreaktor für die Extraktion und Trennung. (B) optisches Mikroskopbild von gesättigten Aerogel-Mikrokügelchen dispergiert in Petroleum-Silikonöl. (C) Extraktion von Phenol unter Verwendung von NaOH gesättigtem TNM-6-2 Membran auf, NaOH = 0,8 Gew%, Öl: gesättigter Aerogel = 1,5: 1 (v / v), Membranphase: äußeree Phase = 1: 2 (v / v ), Span80 = 2 Gew%, bezogen Öl; Die Extraktion von Cu 2+ unter Verwendung von EDTA gesättigten TNM-6-2 basierend Membran, EDTA-2Na = 1 Gew%, Öl: gesättigter Aerogel = 1,5: 1 (v / v), Membranphase: äußeree Phase = 1: 2 (v / v), Span80 = 2 Gew%, bezogen Öl, Metral ® 84 H = 10 Vol%, bezogen Öl. (D) Phenol Extraktionseffizienz als Funktion des Wiederholungszyklus unter Verwendung der TNM-6-2 regeneriert.
Schlussfolgerung
Experimental
Herstellung von Cellulose-Nanofibrillen Aerogel-Mikrokügelchen
Kommerzielle vollständig gebleichten Nadelholz-Kraftzellstoff wurde als Ausgangsmaterial verwendet TEMPO-oxidierter Cellulose-Nanofibrillen herzustellen. Kurz gesagt, Cellulosefasern wurden in Wasser, enthaltend TEMPO und Natriumbromid (0,016 und 0,16 Gramm pro Gramm Cellulose jeweils) suspendiert. Die Oxidation wurde durch Zugabe einer gewünschten Menge von NaClO (20 mMol NaClO pro Gramm Cellulose) gestartet. pH-Wert wurde auf 10,5 durch Zugabe von 2 mol L -1 NaOH-Lösung gehalten. Nach 2 h wurde die erhaltene Cellulose mit destilliertem Wasser gewaschen, und die erhaltene Cellulosefaser-Suspensionen wurden zu dem mechanischen Defibrillationsvorgang auf die gewünschte Konzentration und dann einem verdünnte durch die Verwendung eines Sondentyp-Ultraschallprozessors (Ultrasonics FS-300) erzeugen TOCN . Dann wurde eine gewogene Menge an Vernetzer (Polyamid-Epichlorhydrin-Harz) wurde unter mechanischem Rühren in die TOCN Suspensionen zugesetzt. Etwa 150 ml von Nanofibrillen Suspensionen wurden in einen Becher überführt, die durch Ultraschallwellen des medizinischen Ultraschallvernebler beeinflusst wird (Yuyue, 420AI, Leistung: 1,7 MHz ± 10%) wurden die TOCN Suspensionen zerstäubt und dann geblasen in flüssigen Stickstoff für sofortige Gefrieren für 12 h (: Scientz-12N gefrier~~POS=TRUNC) bei -50 ° C durch Gefriertrocknung folgte. Um die vernetzten Aerogel Kugeln, getrocknete Proben wurden in einem Vakuumofen bei 120 ° C für 3 h ausgehärtet zu erhalten. Um einen Vergleich der Eigenschaften zu machen, mit unterschiedlichen Bedingungen hergestellte Proben wurden in der Fig. 1 (b).
Charakterisierung
Rasterelektronenmikroskopie (SEM, JSM-7600F) wurde für die morphologische Charakterisierung verwendet. Die Schüttdichte wurde durch die Übertragung eine bekannte Menge von Mikrokugeln in einen 100 ml Meßzylinder bestimmt und 3 mal in 2 s Intervallen tippen. Die Schüttdichte wurde durch Teilen des Gewichts der Probe durch das Endvolumen der Probe erhalten. Wasseraufnahmevermögen wurde durch das gravimetrische Verfahren bestimmt. Etwa 0,5 g der getrockneten Probe wurde gewogen und dann in Wasser eingeweicht, bis das Gewicht konstant blieb. Die benetzten Proben wurden mit einem Stück Löschpapier abgewischt und sofort gewogen, so dass die Wasseraufnahmefähigkeit kann durch ihre erhöhte Gewicht bestimmt werden. Alle Tests der Wasseraufnahmefähigkeit und Schüttdichte der Mikrokügelchen wurden 3-mal wiederholt. Die Absorptionskapazitäten an NaOH (0,8 Gew%) Lösung sowie die EDTA-Lösung (1 Gew%) wurden nach dem oben beschriebenen Verfahren gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass etwa 93 g von 0,8 Gew% NaOH und 101 g 1 Gew% EDTA-Lösung von 1 g TNM-6-2 jeweils absorbiert wurden. Teilchengröße von TOCN Aerogel-Mikrokügelchen wurde von mehr als 100 Teilchen mehr Bilder, die aus der Rasterelektronenmikroskopie (SEM, JSM-7600F) unter Verwendung von Mittelwert bestimmt.
Schadstoffentfrachtung Studien
Phenol wurde aus äußeren wässrigen Lösung in die Nanocellulose Aerogel basierte Mikroreaktor extrahiert. Die Ölmembranphase wurde durch Mischen von Tensid (Span 80), Kerosin-Silikonöl-Mischung und TOCN Aerogel-Mikrokügelchen (TNM-6-2) gesättigt mit NaOH-Lösung (0,8 Gew%) unter mechanischem Rühren (1500 rpm min -1) vorbereitet 30 Minuten. Die Membran wurde dann in die Phenollösung (100 mg L -1) und bei einer geringen Geschwindigkeit (200 UpM) gerührt. UV-VIS-Spektralphotometer (UV757CRT / PC) wurde verwendet, um die Konzentration von Phenol in der abgetrennten äußeren Phase (Wellenlänge bei 287 nm) zu messen. Kupfer (100 mg L -1) Lösung wurde in entionisiertem Wasser durch Lösen gewünschte Menge an CuSO4 5H2 O hergestellt. Die Aerogel-Mikrokugeln (TNM-6-2) wurden zuerst mit 1 Gew% EDTA-Lösung (internal Strippmittel) gesättigt, dann mit einer Mischung aus Silikonöl-Kerosin gemischt, das 10 Vol% Trägern (Mextral ® 84 H) und 2 Gew % Emulgator (Span 80) unter einem mechanischen für 30 min bei 1500 Upm gerührt wird. Die Membran wurde dann in die Cu 2+ -Lösung gerührt und bei niedriger Geschwindigkeit (200 UpM). Die Konzentration von Cu 2+ wurde durch einen Atomabsorptionsspektrophotometer (TAS-990) bei 324 nm analysiert. Nachdem der Extraktionsschritt abgeschlossen war, wurde der Membran und äußeren Phase durch Absetzen getrennt. Die Ölphase wassergesättigtes Aerogel-Mikrokügelchen enthält, wurde filtriert, und das Nanocellulose-Mikrokügelchen wurden gesammelt. Das Filtrat enthält, organisches Öl, Emulgator und Träger wurde direkt weiterverwendet. Die gefilterte Wasser-gesättigte Aerogel-Mikrokügelchen wurden durch Auspressen vom Phenol--Na-Lösung regeneriert und für neuen Charge von Experiment wiederverwendet.
zusätzliche Information
Anmerkung des Herausgebers: Springer Natur bleibt neutral in Bezug auf gerichtliche Ansprüche in veröffentlichten Karten und institutionelle Verbindungen.
Referenzen
Cahn, R. P. - Li, N. N. Die Abtrennung von Phenol aus Abwasser durch die Flüssigmembran-Technik. September Sci. Technol.9. 509-519 (1974).
Li, N. N. Chan, R. P. Naden, D. - Lai, R. W. M. Flüssigmembranverfahren zur Kupfergewinnung. Hydrometallurgy. Hydrometallurgy. 9. 277-305 (1983).
Anerkennungen
Informationen zum Autor
Zugehörigkeiten
Jiangsu Provincial Key Lab von Zellstoff und Papier Wissenschaft und Technologie, Nanjing Forestry University, 159 Longpan Road, Nanjing, Jiangsu Province 210037, P. R. China
- Fang Zhang
- . Hao Ren
- . Jing Dou
- - Guolin Tong
School of Chemical Biomolecular Engineering and RBI, Georgia Institute of Technology, 500 10th Street N. W. Atlanta, Georgia 30332-0620, USA
Suchen Sie nach Fang Zhang in:
Suchen Sie nach Hao Ren in:
Suchen Sie nach Jing Dou in:
Suchen Sie nach Guolin Tong in:
Suchen Sie nach Yulin Deng in:
Beiträge
Fang Zhang und Yulin Deng schrieb das Haupt Manuskript. Hao Ren, Jing Dou und Guolin Tong half Fang Zhang Figuren 1-4 hergestellt. Alle Autoren überprüften das Manuskript.