آبکافت سلولوز با نانوکاتالیزگر مغناطیسی مایع یونی پلیمری بر پایه پلی (وینیل ایمیدازولیوم سولفونیک اسید)

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 قم، دانشگاه قم، دانشکده علوم، گروه شیمی، صندوق پستی: 466137161

2 بهشهر، دانشگاه علم و فناوری مازندران، دانشکده مهندسی شیمی، صندوق پستی: 4851878195

3 تهران، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده شیمی، صندوق پستی: 1639-11155

چکیده

سلولوز فراوان‌ترین منبع تولید زیست‌توده است و می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. راه حل کلی استفاده از سلولوز، تبدیل آن به گلوکوز و سپس تولید اتانول از آن است. روش آبکافت گرمایی به‌وسیله کاتالیزگرهای اسیدی جامد راه حل مناسبی برای آبکافت سلولوز است. در کار پژوهشی حاضر، کاتالیزگر اسیدی مغناطیسی بر پایه پلیمر مایع یونی با موفقیت تهیه شد. این کاتالیزگر از پلیمرشدن وینیل ایمیدازولیوم سولفونیک اسید در مجاورت نانوذره مغناطیسی اصلاح‌شده تهیه شد. از آنجا که بستر کاتالیزگر از خود مونومرها تهیه شد، کاتالیزگر در مقایسه با سایر کاتالیزگرهای اسیدی ناهمگن مقدار بارگذاری زیادی نشان داد. کاتالیزگر حاصل با روش‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه، گرماوزن‌سنجی، مغناطیس‌سنجی، طیف‌سنجی پراش پرتو X، دستگاه جذب اتمی و میکروسکوپی الکترونی عبوری شناسایی شد. طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه نشان داد، پلیمر یونی به‌خوبی روی سطح نانوذرات تثبیت شده است. نتایج آزمون گرمایی نیز نشان داد، مقدار بارگذاری پلیمر روی سطح بسیار زیاد است و کاتالیزگر پایداری گرمایی زیادی دارد. کاتالیزگر یونی حاصل نشان داد، در فرایند آبکافت سلولوز بسیار مؤثر است و بهره زیادی از گلوکوز را به‌دست می‌دهد. کاتالیزگر اسیدی تهیه‌شده با سایر کاتالیزورهای تجاری و معدنی مقایسه شد و نتایج گزینش‌پذیری بیشتر کاتالیزگر سنتزشده را تأیید کرد. همچنین کاتالیزگر به‌وسیله جداسازی با آهن‌ربا بازیابی شد و مجدداً در واکنش استفاده شد. تمام نتایج نشان داد، کاتالیزگر تهیه‌شده در مقایسه با سایر کاتالیزگرهای گزارش‌شده بهتر عمل کرده و به مقدار کمتری از کاتالیزگر برای انجام واکنش نیاز است. همه این نتایج نشان داد، کاتالیزگر و فرایند ارائه‌شده قابلیت استفاده در مقیاس زیاد را دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Hydrolysis of Cellulose by Magnetic Poly(ionic liquid) Nanocatalyst Based on Poly(vinylimidazolium sulfonic acid)

نویسندگان [English]

  • Nasrin Zohreh 1
  • Seyed Hassan Hosseini 2
  • Ali Pourjavadi 3
1 Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Qom, P.O. Box:4661137161, Qom, Iran
2 2. Department of Chemical Engineering, University of Science and Technology of Mazandaran, P.O. Box: 4851878195, Behshahr, Iran
3 3. Department of Chemistry, Sharif University of Technology, P.O. Box: 11155-1639, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Cellulose is the most abundant source of biomass, and it has a potential ability to become an alternative to fossil resources for sustainable production of chemicals and fuels for preventing global warming by decreasing atmospheric CO2 generated from the consumption of fossil fuels. Mildly hydrothermal method using solid acid catalysts for production of glucose from cellulose can be one of the key technologies for a future sustainable society using cellulose biomass.
Methods: In this manuscript, an acidic poly(ionic liquid) coated magnetic nanoparticle catalyst was successfully synthesized by polymerization of vinylimidazolium sulfonic acid in the presence of surface modified magnetic nanoparticles. The poly(ionic liquid) coated magnetic nanoparticle was prepared by distillation-precipitation-polymerization in the absence of any surfactant. Direct attachment of SO3H to imidazole groups in polymeric chains resulted to generation of highly dual acidic poly(ionic liquid) which can be used as a Bronsted acid catalyst. Since, the monomers make the catalyst bed, the catalyst has high loading level of acidic groups comparing to other heterogeneous acid catalysts. The resultant catalyst was characterized by various instrumental analyses such as FTIR, TGA, XRD, VSM, AA and TEM.
Finding: The resulting ionic heterogeneous catalyst is shown to be an efficient catalyst in hydrolysis of cellulose and gave high yield of glucose. The synthesized acidic catalyst was compared to industrial and mineral acids and the results showed higher selectivity of the presence catalyst. The catalyst was also separated by using an external magnet and reused in other runs. All the results proved that the present catalyst has better performance compared to other reported catalysts and lower amounts of catalyst was required to complete the reaction. All the results show that the presented catalyst and protocol can be scaled up.

کلیدواژه‌ها [English]

  • poly(ionic liquid)
  • magnetic nanoparticle
  • catalyst
  • cellulose hydrolysis

1.Demirbaş A., Biomass Resource Facilities and Biomass Conversion Processing for Fuels and Chemicals, Energy Convers. Manage., 42, 1357-1378, 2001.
2.Sun Y. and Cheng J., Hydrolysis of Lignocellulosic Materials for Ethanol Production: A Review. Bioresour. Technol., 83, 1-11, 2002.
3.Fukuoka A. and Dhepe P.L., Catalytic Conversion of Cellulose into Sugar Alcohols., Angew. Chem. Int. Ed., 45, 5161-5163, 2006.
4.Abbasian M., Pakzad M., Ramazani A., and Nazari K., Cellulose Modification Through Grafting of Polyacrylonitrile by Atom Transfer Radical Polymerization, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 28, 332-323, 2015.
5.Omrani fard H., Ghazanfari Moghaddam A., Shamsi M., and Ataei S.A., Mechanical Properties and Kinetics of Thermal Degradation of Bioplastics Based on Straw Cellulose and Whole Wheat Flour, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 25, 65-74, 2012.
6.Zhang H., Wu J., Zhang J., and He J., 1-Allyl-3-Methylimidazolium Chloride Room Temperature Ionic Liquid: A New and Powerful Nonderivatizing Solvent Forcellulose, Macromolecules, 38, 8272-8277, 2005.
7.Amirshahi S.H. and Ghanbar M., Chemical Modification of Cellulose to Improve Its Transfer Printability, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 13, 227-232, 2000.
8.Alvira P., Tomás-Pejó E.Ballesteros M., and Negro M., Pretreatment tTechnologies for an Efficient Bioethanol Production Process Based on Enzymatic Hydrolysis: A Review, Bioresour. Technol., 101, 4851-4861, 2010.
9.Taherzadeh M.J. and Karimi K., Enzymatic-Based Hydrolysis Processes for Ethanol from Lignocellulosic Materials: A Review, BioResources, 2, 707-738, 2007.
10.Suganuma S., Nakajima K., Kitano M., Yamaguchi D., Kato H., Hayashi S., and Hara M., Hydrolysis of Cellulose by a Amorphous Carbon Bearing SO3H, COOH, and OH Groups, J. Am. Chem. Soc., 130, 12787-12793, 2008.
11.Rinaldi R. and Schüth F., Acid hydrolysis of Cellulose as the Entry Point into Biorefinery Schemes, Chem. Sus Chem., 2, 1096-1107, 2009.
12.Vilcocq L., Castilho P.C., Carvalheiro F., and Duarte L.C., Hydrolysis of Oligosaccharides over Solid Acid Catalysts: A Review, Chem. Sus Chem., 7, 1010-1019, 2014.
13.Huang Y.B. and Fu Y., Hydrolysis of Cellulose to Glucose by Solid Acid Catalysts, Green Chem., 15, 1095-1111, 2013.
14.Pourjavadi A., Hosseini S.H., Doulabi M., Fakoorpoor S.M., and Seidi F., Multi-layer Functionalized Poly(ionic liquid) Coated Magnetic Nanoparticles: Highly Recoverable and Magnetically Separable Brønsted Acid Catalyst, ACS Catalysis, 2, 1259-1266, 2012.
15.Aparicio S., Atilhan M., and Karadas F., Thermophysical Properties of Pureionic liquids: Review of Present Situation,Ind. Eng. Chem. Res., 49, 9580-9595, 2010.
16.Abdulkhani A., Mirshokraie S.A., Hamzeh Y., Hejazi S., and Nouri A., Elucidation of Chemical Structure of Wood Lignin by Dissolving in 1-Butyl-3-Methylimidazolium Chloride Ionic Liquid. Iran. J. Polym. Sci. Technol., (persian) 24, 279-289, 2012.
17.Welton T., Room-temperature Ionic Liquids. Solvents for Synthesis and Catalysis, Chem. Rev., 99, 2071-2084, 1999.
18.Zhang Q., Su H., Luo J., and Wei Y., A Magnetic Nanoparticle Supported Dual Acidic Ionic Liquid: A “Quasi-homogeneous” Catalyst for the One-Pot Synthesis of Benzoxanthenes, Green Chem., 14, 201-208, 2012.
19.Zhang Q., Luo J., and Wei Y., A Silica Gel Supported Dual Acidic Ionic Liquid: An Efficient and Recyclable Heterogeneous Catalyst for the One-Pot Synthesis of Amidoalkyl Naphthols, Green Chem., 12, 2246-2254, 2010.
20.Fang D.Zhou X.L., Ye Z.W., and Liu Z.L., Brønsted Acidic Ionic Liquids and Their Use as Dual Solvent−Catalysts for Fischer Esterifications, Ind. Eng. Chem. Res., 45, 7982-7984, 2006.
21.Pourjavadi A., Hosseini S.H., and Soleyman R., Crosslinked Poly(ionic liquid) as High Loaded Dual Acidic Organocatalyst, J. Mol. Catal. A: Chem., 365, 55-59, 2012.
22.Amarasekara A.S., Acidic Ionic Liquids, Chem. Rev., 116, 6133-6183, 2016.
23.Mehnert C.P., Supported Ionic Liquid Catalysis, Chemistry-A Eur. J., 11, 50-56, 2005.
24.Valkenberg M., Hölderich W., Immobilisation of Ionic Liquids on Solid Supports, Green Chem., 4, 93-98, 2002.
25.Ghasemzadeh Mohammadi H., Jamshidbeigi S., and Dargahi M., Nanomagnetic Hydrogels Based on Carboxymethylcellulose/Diatomaceous Earth Grafted with Acrylamide for Adsorption of Cationic Crystal Violet Dye, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 171-185, 2018.
26.Pourjavadi A., Hosseini S.H., Moghaddam F.M., Foroushani B.K., and Bennett C., Tungstate Based Poly(ionic liquid) Entrapped Magnetic Nanoparticles: A Robust Oxidation Catalyst, Green Chem., 15, 2913-2919, 2013.
27.Pourjavadi A., Hosseini S.H., Hosseini S.T., and Aghayeemeibody S.A., Magnetic Nanoparticles Coated by Acidic Functionalized Poly(amidoamine) Dendrimer: Effective Acidic Organocatalyst, Catal. Commun., 28, 86-89, 2012.
28.Pourjavadi A., Hosseini S.H., Zohreh N., and Bennett C., Magnetic Nanoparticles Entrapped in the Cross-linked Poly(imidazole/imidazolium) Immobilized Cu (II): An Effective Heterogeneous Copper Catalyst, RSC Adv., 4, 46418-46426, 2014.
29.Zhu S., Wu Y., Chen Q., Yu Z., Wang C., Jin S., Ding Y., and Wu G., Dissolution of Cellulose with Ionic Liquids and Its Application: A Mini-Review, Green Chem., 8, 325-327, 2006.
30.Takagaki A., Tagusagawa C., and Domen K., Glucose Production from Saccharides Using Layered Transition Metal Oxide and Exfoliated Nanosheets as Awater-Tolerant Solid Acid Catalyst, Chem. Commun., 5363-5365, 2008.
31.Shuai L. and Pan X., Hydrolysis of Cellulose by Cellulase-mimetic Solid Catalyst, Energ. Environm. Sci., 5, 6889-6894, 2012.
32.Wu Y., Fu Z., Yin D., Xu Q., Liu F., Lu C., and Mao L., Microwave-assisted Hydrolysis of Crystalline Cellulose Catalyzed by Biomass Char Sulfonic Acids., Green Chem., 12, 696-700, 2010.
33.Guo H., Qi X., Li L., and Smith Jr R.L., Hydrolysis of Cellulose over Functionalized Glucose-Derived Carbon Catalyst in Ionic Liquid, Bioresour. Technol., 116, 355-359, 2012.
34.Pang J., Wang A., Zheng M., and Zhang T., Hydrolysis of Cellulose into Glucose over Carbons Sulfonated at Elevated Temperatures, Chem. Commun., 46, 6935-6937, 2010.
35.Van de Vyver S., Peng L., Geboers J., Schepers H., de Clippel F., Gommes C.J., Goderis B., Jacobs P.A., and Sels B.F., Sulfonated Silica/Carbon Nanocomposites as Novel Catalysts for Hydrolysis of Cellulose to Glucose, Green Chem., 12, 1560-1563, 2010.
36.Tian J., Wang J., Zhao S., Jiang C., Zhang X., and Wang X., Hydrolysis of Cellulose by the Heteropoly Acid H 3 PW 12 O 40, Cellulose, 17, 587-594, 2010.
37.Lai D.M., Deng L., Guo Q.X., and Fu Y., Hydrolysis of Biomass by Magnetic Solid Acid., Energ. Environm. Sci., 4, 3552-3557, 2011.
38.Takagaki A., Nishimura M., Nishimura S., and Ebitani K., Hydrolysis of Sugars Using Magnetic Silica Nanoparticles with Sulfonic Acid Groups, Chem. Lett., 40, 1195-1197, 2011.
39.Zhang M., Wu M., Liu Q., Wang X., Lv T., and Jia L., Graphene Oxide Mediated Cellulose-Derived Carbon as a Highly Selective Catalyst for the Hydrolysis of Cellulose to Glucose, Appl. Catalysis A: General, 543, 218-224, 2017.