सेल्यूलोज, पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला प्राकृतिक बहुलक, पौधे की कोशिका भित्ति का संरचनात्मक आधार बनाता है। इसके अद्वितीय गुण इसे वस्त्र, कागज, बायोमैटेरियल और ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए मूल्यवान बनाते हैं। हालाँकि, सेल्यूलोज की उच्च क्रिस्टलीयता और मजबूत हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क इसे पारंपरिक सॉल्वैंट्स में अघुलनशील बनाते हैं, जिससे इसकी औद्योगिक क्षमता सीमित हो जाती है।
हाल के शोध में लिथियम नमक समाधान - विशेष रूप से लिथियम ब्रोमाइड (LiBr) - को सेल्यूलोज विघटन के लिए आशाजनक विलायक प्रणालियों के रूप में पहचाना गया है। यह लेख डेटा-संचालित दृष्टिकोण से LiBr-आधारित सेल्यूलोज विघटन की तंत्र, गतिशीलता, प्रभावित करने वाले कारकों, अनुप्रयोगों और चुनौतियों का विश्लेषण करता है।
लिथियम आयनों (Li+) में असाधारण रूप से उच्च चार्ज घनत्व होता है ( 52 C·mm -3 ), जो सोडियम ( 12 C·mm -3 ) या पोटेशियम आयनों ( 7 C·mm -3 ) से काफी अधिक है। यह सेल्यूलोज हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ मजबूत समन्वय को सक्षम बनाता है, जो अंतर-आणविक हाइड्रोजन बंधनों को बाधित करता है।
सेल्यूलोज के हाइड्रोजन बंधन ( 20-40 kJ/mol प्रति बंधन) एक मजबूत क्रिस्टलीय संरचना बनाते हैं। Li+ समन्वय इन अंतःक्रियाओं को कमजोर करता है, पर्याप्त Li+ सांद्रता पर पूर्ण नेटवर्क व्यवधान होता है।
DMSO और DMAc जैसे ध्रुवीय एप्रोटिक विलायक Li+ और घुले हुए सेल्यूलोज श्रृंखलाओं को स्थिर करके विघटन को बढ़ाते हैं। इष्टतम विलायक प्रणालियाँ उच्च परावैद्युत स्थिरांकों को उपयुक्त घुलनशीलता मापदंडों के साथ जोड़ती हैं।
लिथियम लवणों में विघटन क्षमता काफी भिन्न होती है:
प्रभावी विलायकों में बड़े, कम चार्ज-घने आयन Li+ समन्वय स्थलों के लिए प्रतिस्पर्धा को कम करते हैं।
माइक्रोक्रिस्टलाइन सेल्यूलोज (MCC) निलंबन विघटन के दौरान अपारदर्शी से पारदर्शी में बदल जाते हैं। टर्बिडिटी माप से पता चलता है कि इस प्रक्रिया में आमतौर पर 80-100 डिग्री सेल्सियस पर 2-4 घंटे लगते हैं।
ध्रुवीकृत प्रकाश माइक्रोस्कोपी क्रिस्टलीय डोमेन आकार में प्रगतिशील कमी का खुलासा करती है, पूर्ण विघटन के साथ पूर्ण गायब होना सहसंबद्ध होता है।
तीन अलग-अलग चिपचिपापन चरण उभरते हैं:
Arrhenius विश्लेषण 40-60 kJ/mol की विघटन सक्रियण ऊर्जा का पता चलता है, जो महत्वपूर्ण तापमान संवेदनशीलता का संकेत देता है। इष्टतम तापमान सेल्यूलोज के अपघटन के विरुद्ध विघटन दर को संतुलित करते हैं।
उच्च DP सेल्यूलोज ( >500 ग्लूकोज इकाइयाँ ) बढ़ी हुई श्रृंखला उलझन और हाइड्रोजन बंधन के कारण उल्लेखनीय रूप से धीमी विघटन कैनेटीक्स का प्रदर्शन करता है।
छोटे कण ( <50 μm ) तक घुल जाते हैं 3× तेजी से बड़े समकक्षों की तुलना में सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात में वृद्धि के कारण।
नियंत्रित अम्ल योग ( 0.1-1.0 M ) विघटन समय को 50-70% तक कम कर सकता है:
LiBr समाधान बेहतर डाई अपटेक और कार्यात्मक गुणों के लिए फाइबर संशोधन को सक्षम करते हैं।
घुलित सेल्यूलोज चिकित्सा अनुप्रयोगों में झिल्लियों, हाइड्रो जेल और नैनोफाइबर के लिए अग्रदूत के रूप में कार्य करता है।
यह प्रणाली अपशिष्ट कागज धाराओं से सेल्यूलोज की रिकवरी के लिए आशाजनक है।
LiBr समाधानों के लिए स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम जैसी संक्षारण-प्रतिरोधी सामग्रियों की आवश्यकता होती है।
विलायक पुनर्प्राप्ति प्रणालियों को आर्थिक व्यवहार्यता के लिए > 90% LiBr पुनर्कर्षण प्राप्त करना चाहिए।
अनुकूलित प्रक्रिया की स्थिति विघटन के दौरान DP में कमी को <10% तक सीमित कर सकती है।
जबकि LiBr-आधारित सेल्यूलोज विघटन कई उद्योगों में महत्वपूर्ण वादा दिखाता है, औद्योगिक अपनाने के लिए संक्षारण, लागत और गिरावट की चुनौतियों का समाधान करना महत्वपूर्ण बना हुआ है। भविष्य के शोध को सतत कार्यान्वयन को सक्षम करने के लिए विलायक प्रणाली अनुकूलन, प्रक्रिया गहनता और पर्यावरणीय प्रभाव में कमी पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।
सेल्यूलोज, पृथ्वी पर सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला प्राकृतिक बहुलक, पौधे की कोशिका भित्ति का संरचनात्मक आधार बनाता है। इसके अद्वितीय गुण इसे वस्त्र, कागज, बायोमैटेरियल और ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए मूल्यवान बनाते हैं। हालाँकि, सेल्यूलोज की उच्च क्रिस्टलीयता और मजबूत हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क इसे पारंपरिक सॉल्वैंट्स में अघुलनशील बनाते हैं, जिससे इसकी औद्योगिक क्षमता सीमित हो जाती है।
हाल के शोध में लिथियम नमक समाधान - विशेष रूप से लिथियम ब्रोमाइड (LiBr) - को सेल्यूलोज विघटन के लिए आशाजनक विलायक प्रणालियों के रूप में पहचाना गया है। यह लेख डेटा-संचालित दृष्टिकोण से LiBr-आधारित सेल्यूलोज विघटन की तंत्र, गतिशीलता, प्रभावित करने वाले कारकों, अनुप्रयोगों और चुनौतियों का विश्लेषण करता है।
लिथियम आयनों (Li+) में असाधारण रूप से उच्च चार्ज घनत्व होता है ( 52 C·mm -3 ), जो सोडियम ( 12 C·mm -3 ) या पोटेशियम आयनों ( 7 C·mm -3 ) से काफी अधिक है। यह सेल्यूलोज हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ मजबूत समन्वय को सक्षम बनाता है, जो अंतर-आणविक हाइड्रोजन बंधनों को बाधित करता है।
सेल्यूलोज के हाइड्रोजन बंधन ( 20-40 kJ/mol प्रति बंधन) एक मजबूत क्रिस्टलीय संरचना बनाते हैं। Li+ समन्वय इन अंतःक्रियाओं को कमजोर करता है, पर्याप्त Li+ सांद्रता पर पूर्ण नेटवर्क व्यवधान होता है।
DMSO और DMAc जैसे ध्रुवीय एप्रोटिक विलायक Li+ और घुले हुए सेल्यूलोज श्रृंखलाओं को स्थिर करके विघटन को बढ़ाते हैं। इष्टतम विलायक प्रणालियाँ उच्च परावैद्युत स्थिरांकों को उपयुक्त घुलनशीलता मापदंडों के साथ जोड़ती हैं।
लिथियम लवणों में विघटन क्षमता काफी भिन्न होती है:
प्रभावी विलायकों में बड़े, कम चार्ज-घने आयन Li+ समन्वय स्थलों के लिए प्रतिस्पर्धा को कम करते हैं।
माइक्रोक्रिस्टलाइन सेल्यूलोज (MCC) निलंबन विघटन के दौरान अपारदर्शी से पारदर्शी में बदल जाते हैं। टर्बिडिटी माप से पता चलता है कि इस प्रक्रिया में आमतौर पर 80-100 डिग्री सेल्सियस पर 2-4 घंटे लगते हैं।
ध्रुवीकृत प्रकाश माइक्रोस्कोपी क्रिस्टलीय डोमेन आकार में प्रगतिशील कमी का खुलासा करती है, पूर्ण विघटन के साथ पूर्ण गायब होना सहसंबद्ध होता है।
तीन अलग-अलग चिपचिपापन चरण उभरते हैं:
Arrhenius विश्लेषण 40-60 kJ/mol की विघटन सक्रियण ऊर्जा का पता चलता है, जो महत्वपूर्ण तापमान संवेदनशीलता का संकेत देता है। इष्टतम तापमान सेल्यूलोज के अपघटन के विरुद्ध विघटन दर को संतुलित करते हैं।
उच्च DP सेल्यूलोज ( >500 ग्लूकोज इकाइयाँ ) बढ़ी हुई श्रृंखला उलझन और हाइड्रोजन बंधन के कारण उल्लेखनीय रूप से धीमी विघटन कैनेटीक्स का प्रदर्शन करता है।
छोटे कण ( <50 μm ) तक घुल जाते हैं 3× तेजी से बड़े समकक्षों की तुलना में सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात में वृद्धि के कारण।
नियंत्रित अम्ल योग ( 0.1-1.0 M ) विघटन समय को 50-70% तक कम कर सकता है:
LiBr समाधान बेहतर डाई अपटेक और कार्यात्मक गुणों के लिए फाइबर संशोधन को सक्षम करते हैं।
घुलित सेल्यूलोज चिकित्सा अनुप्रयोगों में झिल्लियों, हाइड्रो जेल और नैनोफाइबर के लिए अग्रदूत के रूप में कार्य करता है।
यह प्रणाली अपशिष्ट कागज धाराओं से सेल्यूलोज की रिकवरी के लिए आशाजनक है।
LiBr समाधानों के लिए स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम जैसी संक्षारण-प्रतिरोधी सामग्रियों की आवश्यकता होती है।
विलायक पुनर्प्राप्ति प्रणालियों को आर्थिक व्यवहार्यता के लिए > 90% LiBr पुनर्कर्षण प्राप्त करना चाहिए।
अनुकूलित प्रक्रिया की स्थिति विघटन के दौरान DP में कमी को <10% तक सीमित कर सकती है।
जबकि LiBr-आधारित सेल्यूलोज विघटन कई उद्योगों में महत्वपूर्ण वादा दिखाता है, औद्योगिक अपनाने के लिए संक्षारण, लागत और गिरावट की चुनौतियों का समाधान करना महत्वपूर्ण बना हुआ है। भविष्य के शोध को सतत कार्यान्वयन को सक्षम करने के लिए विलायक प्रणाली अनुकूलन, प्रक्रिया गहनता और पर्यावरणीय प्रभाव में कमी पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।
