Η κυτταρίνη CMC και ο χαρακτηρισμός της δομής της

Χρησιμοποιώντας την κυτταρίνη άχυρου ως πρώτη ύλη, τροποποιήθηκε με αιθεροποίηση. Μέσω της δοκιμής μονού παράγοντα και περιστροφής, οι βέλτιστες συνθήκες για την παρασκευή της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης προσδιορίστηκαν ότι είναι: χρόνος αιθεροποίησης 100 λεπτά, θερμοκρασία αιθεροποίησης 70℃, δοσολογία NaOH 3,2 g και δόση μονοχλωροξικού οξέος 3,0 g, η μέγιστη υποκατάσταση Ο βαθμός είναι 0,53.

Λέξεις κλειδιά: CMCκυτταρίνη; μονοχλωροξικό οξύ; αιθεροποίηση; τροποποίηση

Καρβοξυμεθυλοκυτταρίνηείναι ο αιθέρας κυτταρίνης που παράγεται και πωλείται περισσότερο στον κόσμο. Χρησιμοποιείται ευρέως σε απορρυπαντικά, τρόφιμα, οδοντόκρεμες, υφάσματα, εκτύπωση και βαφή, χαρτοποιία, πετρέλαιο, εξόρυξη, ιατρική, κεραμικά, ηλεκτρονικά εξαρτήματα, καουτσούκ, χρώματα, φυτοφάρμακα, καλλυντικά, δέρμα, πλαστικά και γεώτρηση λαδιού κ.λπ., γνωστά ως «βιομηχανικό γλουταμινικό μονονάτριο». Η καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη είναι ένα υδατοδιαλυτό παράγωγο αιθέρα κυτταρίνης που λαμβάνεται με χημική τροποποίηση της φυσικής κυτταρίνης. Η κυτταρίνη, η κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης, είναι ένας από τους πιο άφθονους φυσικούς ανανεώσιμους πόρους στη γη, με ετήσια παραγωγή εκατοντάδων δισεκατομμυρίων τόνων. Η χώρα μου είναι μια μεγάλη γεωργική χώρα και μια από τις χώρες με τους πιο άφθονους πόρους άχυρου. Το άχυρο ήταν πάντα ένα από τα κύρια καύσιμα διαβίωσης για τους κατοίκους της υπαίθρου. Αυτοί οι πόροι δεν έχουν αναπτυχθεί ορθολογικά για μεγάλο χρονικό διάστημα, και λιγότερο από το 2% των γεωργικών και δασικών αποβλήτων όπως το άχυρο χρησιμοποιείται στον κόσμο κάθε χρόνο. Το ρύζι είναι η κύρια οικονομική καλλιέργεια στην επαρχία Heilongjiang, με έκταση φύτευσης άνω των 2 εκατομμυρίων hm2, ετήσια παραγωγή 14 εκατομμυρίων τόνων ρυζιού και 11 εκατομμυρίων τόνων άχυρου. Οι αγρότες γενικά τα καίνε απευθείας στο χωράφι ως απόβλητα, τα οποία όχι μόνο αποτελούν τεράστια σπατάλη φυσικών πόρων, αλλά προκαλούν και σοβαρή ρύπανση στο περιβάλλον. Ως εκ τούτου, η συνειδητοποίηση της αξιοποίησης των πόρων του άχυρου είναι η ανάγκη της στρατηγικής βιώσιμης ανάπτυξης της γεωργίας.

1. Πειραματικά υλικά και μέθοδοι

1.1 Πειραματικά υλικά και εξοπλισμός

Κυτταρίνη από άχυρο, αυτοκατασκευασμένη στο εργαστήριο. JJ～Ηλεκτρικός αναδευτήρας 1 τύπου, Εργοστάσιο πειραματικών οργάνων Jintan Guowang. SHZW2C τύπου RS—Μια αντλία κενού, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pHS-3C pH meter, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A ηλεκτρική θέρμανση φούρνος στεγνώματος σταθερής θερμοκρασίας, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd. Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; αιθανόλη; υδροξείδιο του νατρίου; χλωροοξικό οξύ κ.λπ. (τα παραπάνω αντιδραστήρια είναι αναλυτικά καθαρά).

1.2 Πειραματική μέθοδος

1.2.1 Παρασκευή καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

(1) Η μέθοδος παρασκευής της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης: Ζυγίζουμε 2 g κυτταρίνης σε τρίλαιμη φιάλη, προσθέτουμε 2,8 g NaOH, 20 mL διαλύματος αιθανόλης 75% και βυθίζουμε σε αλκάλιο σε υδατόλουτρο σταθερής θερμοκρασίας στους 25°C°C για 80 λεπτά. Ανακατεύουμε με ένα μίξερ να ενωθούν καλά. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η κυτταρίνη αντιδρά με αλκαλικό διάλυμα για να σχηματίσει αλκαλική κυτταρίνη. Στο στάδιο της αιθεροποίησης, προσθέστε 10 mL διαλύματος αιθανόλης 75% και 3 g χλωροοξικού οξέος στην τρίλαιμη φιάλη που αντέδρασε παραπάνω, αυξήστε τη θερμοκρασία στους 65-70° Γ., και αντιδρούν για 60 λεπτά. Προσθέστε αλκάλιο για δεύτερη φορά και στη συνέχεια προσθέστε 0,6 g NaOH στην παραπάνω φιάλη αντίδρασης για να διατηρήσετε τη θερμοκρασία στους 70°C°C, και ο χρόνος αντίδρασης είναι 40 λεπτά για να ληφθεί ακατέργαστο Na—CMC (νατριούχο καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη).

Εξουδετέρωση και πλύσιμο: προσθέστε 1moL·L-1 υδροχλωρικό οξύ και εξουδετερώστε την αντίδραση σε θερμοκρασία δωματίου μέχρι pH=7~8. Στη συνέχεια πλύνετε δύο φορές με αιθανόλη 50%, στη συνέχεια πλύνετε μία φορά με αιθανόλη 95%, διηθήστε με αναρρόφηση και στεγνώστε στους 80-90°C για 2 ώρες.

(2) Προσδιορισμός του βαθμού υποκατάστασης του δείγματος: μέθοδος προσδιορισμού μετρητή οξύτητας: Ζυγίστε 0,2 g (ακριβής έως 0,1 mg) του καθαρισμένου και αποξηραμένου δείγματος Na-CMC, διαλύστε το σε 80 ml απεσταγμένου νερού, ανακατέψτε το ηλεκτρομαγνητικά για 10 λεπτά και ρυθμίστε το διάλυμα με οξύ ή αλκάλιο Το διάλυμα έφερε το pH του διαλύματος στο 8. Στη συνέχεια ογκομετρήστε το διάλυμα δοκιμής με πρότυπο διάλυμα θειικού οξέος σε ποτήρι εξοπλισμένο με ηλεκτρόδιο μετρητή pH και παρατηρήστε την ένδειξη του μετρητή pH ενώ τιτλοδοτείτε μέχρι το pH να γίνει 3.74. Σημειώστε τον όγκο του προτύπου διαλύματος θειικού οξέος που χρησιμοποιείται.

1.2.2 Μέθοδος δοκιμής ενός παράγοντα

(1) Η επίδραση της ποσότητας αλκαλίου στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης: πραγματοποιήστε αλκαλοποίηση στους 25°C℃, εμβάπτιση αλκαλίου για 80 λεπτά, η συγκέντρωση σε διάλυμα αιθανόλης είναι 75%, έλεγχος της ποσότητας αντιδραστηρίου μονοχλωροοξικού οξέος 3g, θερμοκρασία αιθεροποίησης είναι 65 ~ 70°C, ο χρόνος αιθεροποίησης ήταν 100 λεπτά και η ποσότητα του υδροξειδίου του νατρίου άλλαξε για τη δοκιμή.

(2) Η επίδραση της συγκέντρωσης του διαλύματος αιθανόλης στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης: η ποσότητα του σταθερού αλκαλίου είναι 3,2 g, αλκαλική βύθιση σε λουτρό νερού σταθερής θερμοκρασίας στους 25°C°C για 80 λεπτά, η συγκέντρωση του διαλύματος αιθανόλης είναι 75%, η ποσότητα του αντιδραστηρίου μονοχλωροξικού οξέος ελέγχεται στα 3 g, αιθεροποίηση Η θερμοκρασία είναι 65-70°C, ο χρόνος αιθεροποίησης είναι 100 λεπτά και η συγκέντρωση του διαλύματος αιθανόλης αλλάζει για το πείραμα.

(3) Η επίδραση της ποσότητας του μονοχλωροξικού οξέος στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης: σταθεροποίηση στο 25°C για αλκαλοποίηση, μουλιάστε σε αλκάλια για 80 λεπτά, προσθέστε 3,2 g υδροξειδίου του νατρίου για να γίνει η συγκέντρωση του διαλύματος αιθανόλης 75%, αιθέρας Η θερμοκρασία είναι 65~70°C, ο χρόνος αιθεροποίησης είναι 100 λεπτά και η ποσότητα του μονοχλωροξικού οξέος αλλάζει για το πείραμα.

(4) Επίδραση της θερμοκρασίας αιθεροποίησης στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης: σταθεροποίηση στους 25°C για αλκαλοποίηση, μουλιάστε σε αλκάλι για 80 λεπτά, προσθέστε 3,2 g υδροξειδίου του νατρίου για να γίνει η συγκέντρωση του διαλύματος αιθανόλης 75%, θερμοκρασία αιθεροποίησης Η θερμοκρασία είναι 65~70℃, ο χρόνος αιθεροποίησης είναι 100 λεπτά και το πείραμα πραγματοποιείται αλλάζοντας τη δόση του μονοχλωροξικού οξέος.

(5) Επίδραση του χρόνου αιθεροποίησης στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης: σταθερό στο 25°C για αλκαλοποίηση, προστέθηκαν 3,2 g υδροξειδίου του νατρίου και εμποτίστηκαν σε αλκάλια για 80 λεπτά για να γίνει η συγκέντρωση του διαλύματος αιθανόλης 75%, και ελεγχόμενο μονοχλωρίδιο Η δόση του αντιδραστηρίου οξικού οξέος είναι 3 g, η θερμοκρασία αιθεροποίησης είναι 65~70°C, και ο χρόνος αιθεροποίησης αλλάζει για το πείραμα.

1.2.3 Σχέδιο δοκιμής και βελτιστοποίηση καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

Με βάση το πείραμα ενός παράγοντα, σχεδιάστηκε ένα συνδυασμένο πείραμα ορθογώνιας περιστροφής τετραγωνικής παλινδρόμησης με τέσσερις παράγοντες και πέντε επίπεδα. Οι τέσσερις παράγοντες είναι ο χρόνος αιθεροποίησης, η θερμοκρασία αιθεροποίησης, η ποσότητα του NaOH και η ποσότητα του μονοχλωροξικού οξέος. Η επεξεργασία δεδομένων χρησιμοποιεί το στατιστικό λογισμικό SAS8.2 για την επεξεργασία δεδομένων, το οποίο αποκαλύπτει τη σχέση μεταξύ κάθε παράγοντα που επηρεάζει και τον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης. εσωτερικός νόμος.

1.2.4 Μέθοδος ανάλυσης SEM

Το δείγμα ξηρής σκόνης στερεώθηκε στο στάδιο του δείγματος με αγώγιμη κόλλα και μετά από ψεκασμό χρυσού υπό κενό, παρατηρήθηκε και φωτογραφήθηκε κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Αποτελέσματα και ανάλυση

2.1 Επίδραση απλού παράγοντα στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

2.1.1 Η επίδραση της ποσότητας αλκαλίου στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

Όταν προστέθηκε NaOH3,2 g σε 2 g κυτταρίνης, ο βαθμός υποκατάστασης του προϊόντος ήταν ο υψηλότερος. Η ποσότητα του NaOH μειώνεται, η οποία δεν είναι αρκετή για να σχηματίσει την εξουδετέρωση της αλκαλικής κυτταρίνης και τον παράγοντα αιθεροποίησης, και το προϊόν έχει μικρό βαθμό υποκατάστασης και χαμηλό ιξώδες. Αντίθετα, εάν η ποσότητα του NaOH είναι πολύ μεγάλη, οι παράπλευρες αντιδράσεις κατά την υδρόλυση του χλωροοξικού οξέος θα αυξηθούν, η κατανάλωση αιθεροποιητικού παράγοντα θα αυξηθεί και το ιξώδες του προϊόντος θα μειωθεί επίσης.

2.1.2 Επίδραση της συγκέντρωσης του διαλύματος αιθανόλης στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

Μέρος του νερού στο διάλυμα αιθανόλης υπάρχει στο μέσο αντίδρασης έξω από την κυτταρίνη και το άλλο μέρος υπάρχει στην κυτταρίνη. Εάν η περιεκτικότητα σε νερό είναι πολύ μεγάλη, το CMC θα διογκωθεί σε νερό για να σχηματίσει ζελέ κατά τη διάρκεια της αιθεροποίησης, με αποτέλεσμα πολύ άνιση αντίδραση. Εάν η περιεκτικότητα σε νερό είναι πολύ μικρή, η αντίδραση θα είναι δύσκολο να προχωρήσει λόγω της έλλειψης μέσου αντίδρασης. Γενικά, η αιθανόλη 80% είναι ο καταλληλότερος διαλύτης.

2.1.3 Επίδραση της δόσης του μονοχλωροξικού οξέος στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

Η ποσότητα του μονοχλωροξικού οξέος και του υδροξειδίου του νατρίου είναι θεωρητικά 1:2, αλλά για να μετακινηθεί η αντίδραση προς την κατεύθυνση δημιουργίας CMC, βεβαιωθείτε ότι υπάρχει μια κατάλληλη ελεύθερη βάση στο σύστημα αντίδρασης, έτσι ώστε η καρβοξυμεθυλίωση να προχωρήσει ομαλά. Για το λόγο αυτό υιοθετείται η μέθοδος περίσσειας αλκαλίων, δηλαδή η μοριακή αναλογία όξινων και αλκαλικών ουσιών είναι 1:2,2.

2.1.4 Επίδραση της θερμοκρασίας αιθεροποίησης στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία αιθεροποίησης, τόσο πιο γρήγορος είναι ο ρυθμός αντίδρασης, αλλά και οι παράπλευρες αντιδράσεις επιταχύνονται. Από την άποψη της χημικής ισορροπίας, η αύξηση της θερμοκρασίας δεν είναι ευνοϊκή για το σχηματισμό CMC, αλλά εάν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή, ο ρυθμός αντίδρασης είναι αργός και ο ρυθμός χρήσης του αιθεροποιητικού παράγοντα είναι χαμηλός. Μπορεί να φανεί ότι η βέλτιστη θερμοκρασία για αιθεροποίηση είναι 70°C°C.

2.1.5 Επίδραση του χρόνου αιθεροποίησης στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης

Με την αύξηση του χρόνου αιθεροποίησης, ο βαθμός υποκατάστασης του CMC αυξάνεται και η ταχύτητα αντίδρασης επιταχύνεται, αλλά μετά από ορισμένο χρόνο, οι πλευρικές αντιδράσεις αυξάνονται και ο βαθμός υποκατάστασης μειώνεται. Όταν ο χρόνος αιθεροποίησης είναι 100 λεπτά, ο βαθμός υποκατάστασης είναι μέγιστος.

2.2 Ορθογώνια αποτελέσματα δοκιμών και ανάλυση ομάδων καρβοξυμεθυλίου

Μπορεί να φανεί από τον πίνακα ανάλυσης διακύμανσης ότι στο κύριο στοιχείο, οι τέσσερις παράγοντες του χρόνου αιθεροποίησης, η θερμοκρασία αιθεροποίησης, η ποσότητα του NaOH και η ποσότητα του μονοχλωροξικού οξέος έχουν πολύ σημαντικό αντίκτυπο στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης (σελ. <0,01) . Μεταξύ των στοιχείων αλληλεπίδρασης, τα στοιχεία αλληλεπίδρασης του χρόνου αιθεροποίησης και της ποσότητας μονοχλωροξικού οξέος και τα στοιχεία αλληλεπίδρασης της θερμοκρασίας αιθεροποίησης και της ποσότητας του μονοχλωροξικού οξέος είχαν πολύ σημαντική επίδραση στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης (ρ<0,01). Η σειρά επιρροής των διαφόρων παραγόντων στον βαθμό υποκατάστασης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης ήταν: θερμοκρασία αιθεροποίησης> ποσότητα μονοχλωροοξικού οξέος> χρόνος αιθεροποίησης> ποσότητα NaOH.

Μετά την ανάλυση των αποτελεσμάτων δοκιμής του σχεδίου συνδυασμού ορθογωνικής περιστροφής τετραγωνικής παλινδρόμησης, μπορεί να προσδιοριστεί ότι οι βέλτιστες συνθήκες διεργασίας για τροποποίηση καρβοξυμεθυλίωσης είναι: χρόνος αιθεροποίησης 100 λεπτά, θερμοκρασία αιθεροποίησης 70℃, δοσολογία NaOH 3,2 g και μονοχλωροξικό οξύ Η δόση είναι 3,0 g και ο μέγιστος βαθμός υποκατάστασης είναι 0,53.

2.3 Μικροσκοπικός χαρακτηρισμός απόδοσης

Η επιφανειακή μορφολογία της κυτταρίνης, της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης και των σωματιδίων διασυνδεδεμένης καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης μελετήθηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Η κυτταρίνη αναπτύσσεται σε σχήμα λωρίδας με λεία επιφάνεια. το άκρο της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης είναι πιο τραχύ από αυτό της εκχυλισμένης κυτταρίνης και η δομή της κοιλότητας αυξάνεται και ο όγκος γίνεται μεγαλύτερος. Αυτό συμβαίνει επειδή η δομή της δέσμης γίνεται μεγαλύτερη λόγω της διόγκωσης της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης.

3. Συμπέρασμα

3.1 Παρασκευή καρβοξυμεθυλαιθεροποιημένης κυτταρίνης Η σειρά σπουδαιότητας των τεσσάρων παραγόντων που επηρεάζουν τον βαθμό υποκατάστασης της κυτταρίνης είναι: θερμοκρασία αιθεροποίησης > δοσολογία μονοχλωροξικού οξέος > χρόνος αιθεροποίησης > δόση NaOH. Οι βέλτιστες συνθήκες διεργασίας τροποποίησης καρβοξυμεθυλίωσης είναι χρόνος αιθεροποίησης 100 λεπτά, θερμοκρασία αιθεροποίησης 70℃, δοσολογία NaOH 3,2 g, δόση μονοχλωροξικού οξέος 3,0 g και μέγιστος βαθμός υποκατάστασης 0,53.

3.2 Οι βέλτιστες τεχνολογικές συνθήκες τροποποίησης καρβοξυμεθυλίωσης είναι: χρόνος αιθεροποίησης 100 λεπτά, θερμοκρασία αιθεροποίησης 70℃, δοσολογία NaOH 3,2 g, δοσολογία μονοχλωροξικού οξέος 3,0 g, μέγιστος βαθμός υποκατάστασης 0,53.