Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Production of Dialdehyde Cellulose and Periodate Regeneration: Towards feasible oxidation processes
Karlstad University, Faculty of Health, Science and Technology (starting 2013), Department of Engineering and Chemical Sciences.
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (One Year)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Produktion av dialdehydcellulosa och återgenerering av perjodat: Mot möjliga oxidationsprocesser (Swedish)
Abstract [en]

Cellulose is an attractive raw material that has lately become more interesting thanks to its degradability and renewability and the environmental awareness of our society. With the intention to find new material properties and applications, studies on cellulose derivatization have increased. Dialdehyde cellulose (DAC) is a derivative that is produced by selective cleavage of the C2-C3 bond in an anhydroglucose unit in the cellulose chain, utilizing sodium periodate (NaIO4) that works as a strong oxidant. At a fixed temperature, the reaction time as well as the amount of added periodate affect the resulting aldehyde content. DAC has shown to have promising properties, and by disintegrating the dialdehyde fibers into fibrils, thin films with extraordinary oxygen barrier at high humidity can be achieved. Normally, barrier properties of polysccharide films deteriorate at higher humidity due to their hygroscopic character. This DAC barrier could therefore be a potential environmentally-friendly replacement for aluminum which is utilized in many food packages today.

The aim of this study was to investigate the possibilities to produce dialdehyde cellulose at an industrial level, where the regeneration of consumed periodate plays a significant role to obtain a feasible process. A screening of the periodate oxidation of cellulose containing seven experiments was conducted by employing the program MODDE for experimental design. The reaction time was varied between 2-8 hours and the ratio NaIO4 to fiber in was between 1-2 (w/w) for small-scale experiments (1 g fiber), which resulted in an aldehyde content between 14-80 %. An oxidation degree around 30 % was set as a goal, and the optimal point at a fixed temperature of 50°C was assessed to be a ratio of 1.5 and a reaction time of 2.5 h, including 30 min of cooling. Furthermore, the MODDE evaluation suggested that the time and quantity of added periodate equally effected the reaction. An up-scaling of the system with 22.5 g of NaIO4 and 15 g of cellulose fibers and a total reaction time of 3h, resulted in 39 % oxidation degree and a yield of 92 %.

For the regeneration of periodate, Oxone® was tested, but too low yields were obtained. More studies are needed in order to understand and optimize this process. Better results where gained when utilizing a 10 % hypochlorite solution (NaOCl) that was refluxed with the filtrate from the periodate oxidation of cellulose. A spectrophotometric method was developed to be able to quantify the amount of periodate and thereby the amount of residual iodate (IO3-), i.e. the byproduct to oxidize back to IO4-. An optimization study was performed with eleven experiments with the time varying between 1-4 hours and the molar ratio of NaOCl to IO3- between 1-4. However, it was found that the residual periodate also consumed the hypochlorite, so the real molar ratio of NaOCl to IO3- and IO4- was only 0.38-1.52. The highest ratio of 1.52 with a reaction time of 4 h generated the highest regeneration of 81 %. From the MODDE evaluation it was suggested that the reaction time does not have as significant effect upon the process as the amount of added NaOCl has. By optimizing this reaction further, it should be possible to reach even more satisfying results. However, it was proved that the precipitated product was sodium paraperiodate, Na3H2IO6, and this regenerated product was successfully used to oxidize cellulose fibers to DAC. Surprisingly, the oxidation degree became much higher, 43 %, despite that the same condition was employed as before, but the reason for this can be the lower pH that was utilized. Even though there still are questions to be answered, this study has contributed to knowledge that could be utilized to take the oxidation process closer to industrialization.

Abstract [sv]

Cellulosa är en attraktiv råvara som blivit alltmer intressant tack vare dess nedbrytbarhet och förnybarhet samt samhällets miljömedvetenhet. Med avsikt att hitta nya materialegenskaper och applikationer har studier på derivatiseringen av cellulosa ökat. Dialdehydcellulosa (DAC) är ett derivat som framställs genom selektiv klyvning av C2-C3-bindningen i en vattenfri glukosenhet i cellulosakedjan där natriumperjodat (NaIO4) fungerar som ett starkt oxidationsmedel. Vid en konstant temperatur påverkar reaktionstiden liksom mängden tillsatt perjodat det resulterande aldehydinnehållet. DAC har visat sig ha lovande egenskaper och genom att lösa upp dialdehydfibrerna till fibriller kan tunna filmer med en utomordentlig syrebarriär vid hög fuktighet erhållas. Normalt sett blir den fina barriären gjord av polysackaridfilmer försämrad vid högre luftfuktighet på grund av den hygroskopiska karaktären. Denna DAC barriär kan därför vara en potentiell och miljövänlig ersättare till det aluminium som används i många livsmedelsförpackningar idag.

Syftet med denna studie var att undersöka möjligheterna att kunna producera dialdehydcellulosa på en industriell nivå, där regenerering av förbrukad perjodat spelar en viktig roll för att erhålla en genomförbar process. En screening av perjodatoxidering av cellulosa innehållande sju experiment utfördes genom att använda programmet MODDE för experimentell design. Reaktionstiden varierade mellan 2-8 timmar och förhållandet NaIO4 till fibrer i gram mellan 1-2 för småskaliga experiment (1 g fiber), vilket resulterade i en aldehydhalt mellan 14-80 %. En oxidationsgrad omkring 30 % sattes som ett mål och den optimala punkten vid en konstant temperatur av 50° C bedömdes vara ett förhållande på 1,5 och en reaktionstid om 2,5 timmar inklusive 30 min avsvalning. Vidare föreslog MODDE-utvärderingen att tiden och mängden tillsatt perjodat påverkade reaktionen likvärdigt. En uppskalning av systemet med 22,5 g NaIO4 och 15 g cellulosafibrer och en total reaktionstid om 3 timmar resulterade i en oxidationsgrad på 39 % och ett utbyte på 92 %.

För att återgenerera perjodat testades Oxone® men alltför låga utbyten erhölls. Fler studier behövs för att förstå och optimera denna process. Bättre resultat erhölls när en 10 % hypokloritlösning (NaOCl) användes, vilken återloppskokades med filtratet från perjodatoxideringen av cellulosa. En spektrofotometrisk metod utvecklades för att kunna kvantifiera mängden perjodat och därmed mängden kvarvarande jodat (IO3-), dvs. biprodukten att oxidera tillbaka till IO4-. En optimeringsstudie utfördes med elva experiment där tiden varierade mellan 1-4 timmar och det molära förhållandet av NaOCl till IO3- mellan 1-4. Efter detta visade det sig att den kvarvarande perjodaten också konsumerade hypoklorit, så det verkliga molförhållandet mellan NaOCl till IO3- och IO4- var endast 0,38-1,52. Det högsta förhållandet 1,52 med en reaktionstid om 4 timmar genererade den högsta återgenereringen på 81 %. Från MODDE-utvärderingen föreslogs att reaktionstiden inte har lika stor inverkan på processen som mängden tillsatt NaOCl har. Genom att optimera denna reaktion ytterligare bör det vara möjligt att nå än mer tillfredsställande resultat. Hur som helst bevisades det att den utfällda produkten var natriumparaperjodat, Na3H2IO6 och denna regenererade produkt användes framgångsrikt för att oxidera cellulosafibrer till DAC. Överraskande nog blev oxidationsgraden mycket högre, 43 %, trots applicering av samma betingelser som tidigare, men orsaken till detta kan vara att ett lägre pH användes. Även om det fortfarande finns frågor kvar att besvara så har denna studie bidragit till kunskap som kan användas för att ta denna oxidationsprocess närmre industrialisering.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 36 p.
Keyword [en]
Dialdehyde cellulose, periodate regeneration
National Category
Chemical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-38156OAI: oai:DiVA.org:kau-38156DiVA: diva2:860429
External cooperation
Stora Enso Research Center Karlstad, VINN Excellence Center BiMaC Innovation
Subject / course
Chemistry
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-10-13 Created: 2015-10-12 Last updated: 2015-10-13Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Production of Dialdehyde Cellulose and Periodate Regeneration: Towards feasible oxidation processes(1890 kB)1804 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1890 kBChecksum SHA-512
c496e662089d3c26bb6c69622aa0015fe9de60ad7caa30f7d56fb1cf4c461e5e2d0ad351068b023143767793e2053727d9460faadc537344df89b7da123cb528
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Engineering and Chemical Sciences
Chemical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 1804 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 504 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf