Funkcionalizacija lignina v prilagodljivih zelenih topilih

Ristovska, Marija (avtor), Likozar, Blaž (mentor)

Lignin, ki predstavlja enega izmed ključnih sestavnih delov celičnih sten pri vibjih rastlinah, ima izjemen potencial za uporabo kot surovina v industriji zaradi svoje zapletene in aromatične strukture. Kljub temu pa lignin, kot naravno prisoten biopolimer, ostaja večinoma neizkoribčen in se ga prete~no uporablja kot nizkovredno gorivo v industriji celuloze in papirja. Vendar pa nedavne raziskave nakazujejo, da bi lignin lahko postal dragocen vir za proizvodnjo visokokakovostnih bioproduktov, če bi bil ustrezno predelan in funkcionaliziran. Lignin je po vsebnosti tretji najbogatejbi biopolimer na Zemlji, takoj za celulozo in hemicelulozo, in predstavlja največji naravni vir aromatskih spojin. Zaradi svoje zapletene kemijske strukture, ki vsebuje fenilpropanoidne enote, povezujejo pa jih različne etrske in karbon-karbon vezi, je lignin te~ko razgradljiv. Ta stabilnost predstavlja izziv pri njegovem predelovanju in funkcionalizaciji, kar pa je nujno za njegovo vključitev v nove aplikacije, zlasti na področju materialov, kemikalij in energetike. Cilj te raziskave je bil preučiti mo~nosti funkcionalizacije lignina z uporabo prilagodljivih zelenih topil, natančneje globokih evtektičnih topil (DES - Deep Eutectic Solvents), ki predstavljajo alternativo tradicionalnim organskim topilom. Globoka evtektična topila so sestavljena iz mebanic dveh ali več komponent, ki tvorijo stabilen sistem z nizko talibčem zaradi tvorbe močnih vodikovih vezi med komponentami. Ta topila imajo btevilne prednosti, kot so nizka cena, enostavna priprava, nizka toksičnost in okoljska prijaznost, kar jih postavlja v ospredje raziskav na področju zelenih kemikalij. V tej btudij smo pripravili različna globoka evtektična topila z uporabo kombinacij različnih donorskih (HBD) in akceptorskih komponent (HBA) vodikovih vezi. Kot donorske komponente (HBD) smo uporabili, citronovo kislino, sukcinsko kislino, jabolčno kislino in oksalno kislino. Te kisline omogočajo tvorbo močnih vodikovih vezi zaradi prisotnosti karboksilnih in hidroksilnih skupin. Kot akceptorsko komponento (HBA) pa smo uporabili holin klorid, ki se pogosto uporablja v DES zaradi svoje sposobnosti učinkovite tvorbe stabilnih evtektičnih zmesi. Priprava topil je vključevala segrevanje in mebanje sestavin do homogene zmesi. Viskoznost topila je bila prav tako preučena z mebanjem DES z vodo, saj voda lahko zmanjba viskoznost, vendar lahko vpliva na reaktivnost in učinkovitost reakcije. Ugotovljeno je bilo, da prisotnost vode lahko vpliva na reaktivnost, odvisno od HBD. Funkcionalizacija lignina je bila izvedena v blagih pogojih, pri atmosferskem tlaku in temperaturah, ni~jih od 100 °C, kar predstavlja pomembno prednost v primerjavi s tradicionalnimi metodami, ki pogosto zahtevajo visoke temperature in agresivne kemikalije. Reakcije so potekale v navzočnosti DES, pri čemer smo uporabili različne kombinacije topil in kraft lignina. Kraft lignin se pridobiva kot stranski produkt v Kraft procesu, ki je najpogosteje uporabljen postopek za pridobivanje celuloze iz lesa. V tem procesu se les obdeluje z vročo raztopino natrijevega hidroksida (NaOH) in natrijevega sulfida (Na2S), kar povzroči razgradnjo lignina v lesu. Alkalni lignin je znan po svoji večji topnosti in reaktivnosti, kar ga dela primernega za nadaljnje kemične modifikacije. Po zaključku reakcije smo funkcionalizirani lignin centrifugirali in osubili in ga nato analizirali z uporabo Fourierjeve transformacijske infrardeče spektroskopije (FTIR), ki je omogočila vpogled v kemijsko strukturo lignina pred in po modifikaciji. Rezultati FTIR analize so pokazale, da ima vrh pri 1720 cm-1, povezan s karboksilnimi skupinami, večjo intenziteto v funkcionaliziranem ligninu kot v navadnem, kar nakazuje na mogočnost funkcionalizacije lignina v prisotnosti različnih DES. Prisotnost vode ni bistveno vplivala na reakcijo, razen pri lignina ki smo ga dobili iz SA:ChCl, kjer je bila zabele~ena ni~ja intenzivnost reakcije. Ti rezultati ka~ejo na potencial DES za funkcionalizacijo lignina, kar odpira mo~nosti za razvoj bolj trajnostnih metod za pripravo biomaterialov. Nadaljne raziskave, vključno z forforjevo NMR analizo, bodo potrebne za potrditev prisotnosti -OH in -COOH funkcionalnih skupin v ligninu. Ko bo process funkcionalizacije potrjen, se lahko odprejo nove mo~nosti za razvoj inovativnih biomaterialov in trajnostnih rebitev v kemijski industriji.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: lignin, DES, funkcionalizacija, zelena topila, biomasa
• Vrsta gradiva: Diplomsko delo/naloga
• Organizacija: FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
• Leto izida: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-161353
• Datum objave v RUL: 10.09.2024

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Lignin functionalization in tunable green solvents

Izvleček

Lignin is a biopolymer mainly present in wood and herbaceous biomass, and it is the most abundant source of aromatics on Earth. Currently, the main application is for energy purposes. However, lignin shows a high potential for the development of biomaterials to replace fossil-based materials. To reach this goal, the lignin requires modification functionalization processes to make it suitable for biomaterials production. This research will focus on the modification of target lignin using tunable green solvents Deep Eutectic Solvents (DES) allowing simplifying the process and making the process environmentally friendly. Functionalization reactions will be performed in mild conditions (atmospheric pressure and reaction temperature < 100 °C), and the functionalized lignin will be recovered using an antisolvent. The amount of recovered lignin will be determined, and the chemical structure of the lignin will be studied using the FTIR technique. The effect of the tunable green solvents on the functionalization of lignin will be evaluated.

• Ključne besede: lignin, DES, functionalization, green solvents, biomass