Παραγωγή νανοκυτταρίνης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα μέσω ανάπτυξης ήπιας χημικής και εναλλακτικής μηχανικής μεθόδου επεξεργασίας

Abstract

Η αναζήτηση νέων, βιοδιασπώμενων και γενικότερα φιλικών προς το περιβάλλον υλικών με σημαντικές μηχανικές ιδιότητες, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να αξιοποιηθούν σε ευρεία γκάμα εφαρμογών, αποτελεί σήμερα αντικείμενο έρευνας πολυάριθμων ερευνητών παγκοσμίως. Σε αυτό το πλαίσιο, διερευνήθηκε στην παρούσα εργασία η παραγωγή νανοκυτταρίνης από λιγνοκυτταρινική βιομάζα, αρχικά εφαρμόζοντας και τροποποιώντας μία ήπια χημική μέθοδο και στη συνέχεια συνδυάζοντας τη με μία εναλλακτική μηχανική μέθοδο. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα αυτοφυές λιβαδικό φυτό, η φαλαρίδα, ως πρώτη ύλη με πολλά υποσχόμενα χαρακτηριστικά, όπως για παράδειγμα η χαμηλή περιεκτικότητα λιγνίνης. Μέσω της στατιστικά βελτιστοποιημένης χημικής επεξεργασίας επιτεύχθηκε η απομάκρυνση της λιγνίνης και της ημικυτταρίνης από τη βιομάζα, με απώτερο στόχο την απομόνωση της κυτταρίνης. Πιο αναλυτικά, εφαρμόστηκαν διαφορετικές συνθήκες επεξεργασίας σε τρία επιλεγμένα στάδια, την αλκαλική προεπεξεργασία, τη λεύκανση και την όξινη υδρόλυση, έτσι ώστε να εντοπιστούν οι βέλτιστοι χρόνοι επεξεργασίας και οι βέλτιστες θερμοκρασίες που μεγιστοποιούν τον δείκτη κρυσταλλικότητας της παραγόμενης νανοκυτταρίνης (η μέγιστη τιμή ήταν 75,4%). Βρέθηκε πως το στάδιο της όξινης υδρόλυσης είναι το πιο σημαντικό στάδιο και αυτό που συνεισφέρει περισσότερο στη μεταβολή της κρυσταλλικότητας. Οι βέλτιστες συνθήκες για τα τρία στάδια (χρόνος αλκαλικής επεξεργασίας 210 min (70 οC, 2 επαναλήψεις), θερμοκρασία λεύκανσης 70 οC (4 ώρες, 2 επαναλήψεις), και θερμοκρασία όξινης υδρόλυσης 45 οC (45 min)) εφαρμόστηκαν στη συνέχεια σε πειράματα κλιμάκωσης.Πιο συγκεκριμένα, εκτός της νανοκυτταρίνης που παράχθηκε μέσω της αποκλειστικά χημικής μεθόδου, και η οποία είχε τη δομή νανοκρυστάλλων σε μορφή ράβδων (NCC), ανακτήθηκε και νανοκυτταρίνη που υπέστη άλεση στον πλανητικό σφαιρόμυλο μετά ακριβώς τη χημική επεξεργασία. Με βάση το συνδυαστικό αυτό χημικό-μηχανικό πρωτόκολλο έλαβε χώρα η τροποποίηση της δομής της νανοκυτταρίνης σε μορφή νανοϊνιδίων (NFC). Σε κάθε περίπτωση, η κρυσταλλικότητα των δειγμάτων νανοκυτταρίνης ήταν ικανοποιητικά υψηλή. Ο χαρακτηρισμός των NCC και NFC, μέσω των μεθόδων FTIR, DSC, SEM και XRD, έκανε δυνατή την ποσοτικοποίηση των κριτηρίων βελτιστοποίησης της μεθόδου και τον εντοπισμό των περιπτώσεων που εμφάνισαν υψηλή απόδοση παραγωγής ή/και μέγιστη κρυσταλλικότητα. Επιπλέον στόχος βελτιστοποίησης της διεργασίας ήταν η ελαχιστοποίηση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου, μέσω μείωσης του όγκου διαλυτών, καθώς και ελάττωσης των θερμοκρασιών και των χρόνων επεξεργασίας.