Cellulose, polymer tự nhiên phong phú nhất trên Trái Đất, tạo thành nền tảng cấu trúc của thành tế bào thực vật. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó có giá trị đối với dệt may, giấy, vật liệu sinh học và các ứng dụng năng lượng. Tuy nhiên, độ kết tinh cao và mạng lưới liên kết hydro mạnh của cellulose khiến nó không hòa tan trong các dung môi thông thường, hạn chế tiềm năng công nghiệp của nó.
Nghiên cứu gần đây đã xác định các dung dịch muối lithium—đặc biệt là lithium bromide (LiBr)—là các hệ dung môi đầy hứa hẹn để hòa tan cellulose. Bài viết này phân tích các cơ chế, động lực học, các yếu tố ảnh hưởng, ứng dụng và thách thức của việc hòa tan cellulose dựa trên LiBr từ góc độ dựa trên dữ liệu.
Các ion lithium (Li+) có mật độ điện tích cực cao ( 52 C·mm -3 ), lớn hơn đáng kể so với natri ( 12 C·mm -3 ) hoặc ion kali ( 7 C·mm -3 ). Điều này cho phép sự phối hợp mạnh mẽ với các nhóm hydroxyl cellulose, phá vỡ các liên kết hydro nội phân tử.
Các liên kết hydro của cellulose ( 20-40 kJ/mol trên mỗi liên kết) tạo ra một cấu trúc tinh thể mạnh mẽ. Sự phối hợp của Li+ làm suy yếu các tương tác này, với sự phá vỡ hoàn toàn mạng lưới xảy ra ở nồng độ Li+ đủ lớn.
Các dung môi aprotic phân cực như DMSO và DMAc tăng cường sự hòa tan bằng cách ổn định Li+ và các chuỗi cellulose hòa tan. Các hệ dung môi tối ưu kết hợp các hằng số điện môi cao với các thông số độ hòa tan thích hợp.
Khả năng hòa tan khác nhau đáng kể giữa các muối lithium:
Các anion lớn hơn, ít mật độ điện tích hơn trong các dung môi hiệu quả làm giảm thiểu sự cạnh tranh cho các vị trí phối hợp Li+.
Huyền phù cellulose vi tinh thể (MCC) chuyển từ đục sang trong suốt trong quá trình hòa tan. Các phép đo độ đục cho thấy quá trình này thường cần 2-4 giờ ở 80-100°C.
Kính hiển vi ánh sáng phân cực cho thấy sự giảm dần kích thước miền tinh thể, với sự biến mất hoàn toàn tương quan với sự hòa tan hoàn toàn.
Ba pha độ nhớt khác biệt xuất hiện:
Phân tích Arrhenius cho thấy năng lượng kích hoạt hòa tan là 40-60 kJ/mol , cho thấy độ nhạy nhiệt độ đáng kể. Nhiệt độ tối ưu cân bằng tốc độ hòa tan với sự phân hủy cellulose.
Cellulose DP cao hơn ( >500 đơn vị glucose ) thể hiện động học hòa tan chậm hơn đáng kể do sự vướng víu chuỗi và liên kết hydro tăng lên.
Các hạt nhỏ hơn ( <50 μm ) hòa tan nhanh hơn tới 3× so với các đối tác lớn hơn do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên.
Việc bổ sung axit có kiểm soát ( 0.1-1.0 M ) có thể giảm thời gian hòa tan xuống 50-70% thông qua:
Các dung dịch LiBr cho phép sửa đổi sợi để cải thiện khả năng hấp thụ thuốc nhuộm và các đặc tính chức năng.
Cellulose hòa tan đóng vai trò là tiền chất cho màng, hydrogel và sợi nano trong các ứng dụng y tế.
Hệ thống cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc thu hồi cellulose từ dòng chất thải giấy.
Các dung dịch LiBr yêu cầu các vật liệu chống ăn mòn như thép không gỉ hoặc titan.
Hệ thống thu hồi dung môi phải đạt > 90% tái tạo LiBr để có khả năng kinh tế.
Các điều kiện quy trình được tối ưu hóa có thể hạn chế việc giảm DP xuống <10% trong quá trình hòa tan.
Mặc dù việc hòa tan cellulose dựa trên LiBr cho thấy nhiều hứa hẹn trong nhiều ngành công nghiệp, việc giải quyết các thách thức về ăn mòn, chi phí và suy thoái vẫn là yếu tố quan trọng để áp dụng trong công nghiệp. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống dung môi, tăng cường quy trình và giảm tác động đến môi trường để cho phép thực hiện bền vững.
Cellulose, polymer tự nhiên phong phú nhất trên Trái Đất, tạo thành nền tảng cấu trúc của thành tế bào thực vật. Các đặc tính độc đáo của nó làm cho nó có giá trị đối với dệt may, giấy, vật liệu sinh học và các ứng dụng năng lượng. Tuy nhiên, độ kết tinh cao và mạng lưới liên kết hydro mạnh của cellulose khiến nó không hòa tan trong các dung môi thông thường, hạn chế tiềm năng công nghiệp của nó.
Nghiên cứu gần đây đã xác định các dung dịch muối lithium—đặc biệt là lithium bromide (LiBr)—là các hệ dung môi đầy hứa hẹn để hòa tan cellulose. Bài viết này phân tích các cơ chế, động lực học, các yếu tố ảnh hưởng, ứng dụng và thách thức của việc hòa tan cellulose dựa trên LiBr từ góc độ dựa trên dữ liệu.
Các ion lithium (Li+) có mật độ điện tích cực cao ( 52 C·mm -3 ), lớn hơn đáng kể so với natri ( 12 C·mm -3 ) hoặc ion kali ( 7 C·mm -3 ). Điều này cho phép sự phối hợp mạnh mẽ với các nhóm hydroxyl cellulose, phá vỡ các liên kết hydro nội phân tử.
Các liên kết hydro của cellulose ( 20-40 kJ/mol trên mỗi liên kết) tạo ra một cấu trúc tinh thể mạnh mẽ. Sự phối hợp của Li+ làm suy yếu các tương tác này, với sự phá vỡ hoàn toàn mạng lưới xảy ra ở nồng độ Li+ đủ lớn.
Các dung môi aprotic phân cực như DMSO và DMAc tăng cường sự hòa tan bằng cách ổn định Li+ và các chuỗi cellulose hòa tan. Các hệ dung môi tối ưu kết hợp các hằng số điện môi cao với các thông số độ hòa tan thích hợp.
Khả năng hòa tan khác nhau đáng kể giữa các muối lithium:
Các anion lớn hơn, ít mật độ điện tích hơn trong các dung môi hiệu quả làm giảm thiểu sự cạnh tranh cho các vị trí phối hợp Li+.
Huyền phù cellulose vi tinh thể (MCC) chuyển từ đục sang trong suốt trong quá trình hòa tan. Các phép đo độ đục cho thấy quá trình này thường cần 2-4 giờ ở 80-100°C.
Kính hiển vi ánh sáng phân cực cho thấy sự giảm dần kích thước miền tinh thể, với sự biến mất hoàn toàn tương quan với sự hòa tan hoàn toàn.
Ba pha độ nhớt khác biệt xuất hiện:
Phân tích Arrhenius cho thấy năng lượng kích hoạt hòa tan là 40-60 kJ/mol , cho thấy độ nhạy nhiệt độ đáng kể. Nhiệt độ tối ưu cân bằng tốc độ hòa tan với sự phân hủy cellulose.
Cellulose DP cao hơn ( >500 đơn vị glucose ) thể hiện động học hòa tan chậm hơn đáng kể do sự vướng víu chuỗi và liên kết hydro tăng lên.
Các hạt nhỏ hơn ( <50 μm ) hòa tan nhanh hơn tới 3× so với các đối tác lớn hơn do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên.
Việc bổ sung axit có kiểm soát ( 0.1-1.0 M ) có thể giảm thời gian hòa tan xuống 50-70% thông qua:
Các dung dịch LiBr cho phép sửa đổi sợi để cải thiện khả năng hấp thụ thuốc nhuộm và các đặc tính chức năng.
Cellulose hòa tan đóng vai trò là tiền chất cho màng, hydrogel và sợi nano trong các ứng dụng y tế.
Hệ thống cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc thu hồi cellulose từ dòng chất thải giấy.
Các dung dịch LiBr yêu cầu các vật liệu chống ăn mòn như thép không gỉ hoặc titan.
Hệ thống thu hồi dung môi phải đạt > 90% tái tạo LiBr để có khả năng kinh tế.
Các điều kiện quy trình được tối ưu hóa có thể hạn chế việc giảm DP xuống <10% trong quá trình hòa tan.
Mặc dù việc hòa tan cellulose dựa trên LiBr cho thấy nhiều hứa hẹn trong nhiều ngành công nghiệp, việc giải quyết các thách thức về ăn mòn, chi phí và suy thoái vẫn là yếu tố quan trọng để áp dụng trong công nghiệp. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống dung môi, tăng cường quy trình và giảm tác động đến môi trường để cho phép thực hiện bền vững.
