University of Oulu

Effect of water on cellulose treatment with choline chloride-urea deep eutectic solvent

Saved in:
Author: Haataja, Riikka1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.9 MB)
Pages: 87
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202111309191
Language: English
Published: Oulu : R. Haataja, 2021
Publish Date: 2021-12-02
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Sirviö, Juho
Suopajärvi, Terhi
Liimatainen, Henrikki
Reviewer: Sirviö, Juho
Suopajärvi, Terhi
Liimatainen, Henrikki
Description:

Abstract

Deep eutectic solvents (DES) have emerged as a new green solvent class which have many advantages over conventional solvents. One of the numerous applications for DESs is treatment of cellulose fibers. The aim of this study was to find out if aqueous solutions of choline chloride and urea (CC:U) could be used to swell cellulose fibers and how water affects the properties of CC:U. In addition, various methods to determine Kamlet-Taft polarity parameters for aqueous CC:U were explored as they have not yet been determined in literature.

Cellulose pulp was treated with 18 CC:U DESs with different molar ratios and water contents. The fiber properties were measured to observe possible swelling and cellulose hydrolysis. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to perceive if chemical reactions had occurred during the DES treatment. The reactivity of DES pretreated cellulose was studied with conductometric titration after (2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-yl)oxyl (TEMPO) treatment. Moreover, DES properties such as viscosity, conductivity, and pH were examined. Kamlet-Taft polarity parameters were determined with solvatochromic and solvatomagnetic methods.

It was found that treatment efficiency of CC:U did not decrease remarkably with increasing water content. However, the largest fiber widths were obtained with treatments without mixing. FTIR measurements indicated that no chemical reactions had occurred during the cellulose treatment. DES pH decreased and conductivity increased with increasing water content while viscosity decreased with increasing temperature and shear rate. Most reasonable Kamlet-Taft parameter values were obtained with combination of solvatochromic and solvatomagnetic methods. Kamlet-Taft parameters could also be used to evaluate the swelling properties of solvent. As a result of the study, it can be concluded that water does dot degrade swelling efficiency and eases the handling of CC:U.

Veden vaikutus selluloosan käsittelyyn koliinikloridi-urea syväeutektisella liuottimella

Tiivistelmä

Syväeutektiset liuottimet (Deep eutectic solvents, DES) ovat herättäneet kiinnostusta uudentyyppisinä vihreinä liuottimina, sillä niillä on monia etuja verrattuna perinteisiin liuottimiin. Yksi lukuisista DES:ien sovellutuksista on selluloosakuitujen turvottaminen. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, voidaanko vesipitoista koliikloridi-ureaa (choline chloride:urea, CC:U) käyttää selluloosakuitujen turvottamiseen ja millä tavoin vesi vaikuttaa CC:U:n rakenteeseen. Lisäksi tutkittiin useita eri menetelmiä Kamlet-Taft-polaarisuusparametrien määrittämiseksi vesipitoisille CC:U:lle, sillä niitä ei ole vielä esitetty kirjallisuudessa.

Selluloosamassaa käsiteltiin 18:sta eri CC:U DES:llä, joilla oli toisistaan poikkeavat moolisuhteet ja vesipitoisuudet. Kuitujen morfologisia ominaisuuksia tutkittiin turpoamisen ja pilkkoutumisen havaitsemiseksi ja mahdollisia käsittelyn aikana tapahtuneita kemiallisia muutoksia havainnoitiin Fourier-infrapunaspektroskopialla. DES-käsitelty sellu hapetettiin (2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-yl)oxyl (TEMPO)-reagenssilla, jonka jälkeen sellun reaktiivisuus määritettiin konduktometrisellä titrauksella. DES:ien ominaisuuksista määritettiin viskositeetti, pH ja johtokyky. Lisäksi määritettiin DES:ien Kamlet-Taft-parametrit solvatokromisella ja solvatomagnettisella menetelmällä.

Tutkimuksessa havaittiin, että CC:U käsittelyn tehokkuus ei merkittävästi heikentynyt vesipitoisuuden kasvaessa. Suurin kuitujen turpoaminen saatiin aikaan käsittelemällä sellu ilman sekoitusta. Fourier-infrapunaspektroskopia osoitti, että kemiallisia muutoksia ei ollut tapahtunut DES-käsittelyjen aikana. Liuottimien pH laski ja johtokyky nousi vesipitoisuuden kasvaessa, kun taas viskositeetin havaittiin laskevan lämpötilan ja leikkausvoiman kasvaessa. Luotettavimmat Kamlet-Taft-parametrit saatiin solvatokromisen ja solvatomagnettisen menetelmän yhdistelmällä. Tutkimuksessa havaittiin myös, että näitä parametrejä voidaan käyttää arvioimaan liuottimen kykyä turvottaa selluloosakuituja. Tämän työn lopputuloksena voidaan todeta, että vesi ei huononna CC:U:n tehoa, mutta helpottaa sen käsittelyä.

see all

Subjects:
Copyright information: © Riikka Haataja, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.