ORTA YOĞUNLUKTA LİF LEVHA (MDF) TOZUNDAN NANOKRİSTALİN SELÜLOZ ÜRETİMİ

Abstract

Bu çalışmada mobilya endüstrisinde önemli miktarlarda ve ince tanecikli bir atık olarak ortaya çıkan MDF tozundan, yüksek katma değerli bir ürün olan nanokristalin selülozun üretimi araştırılmıştır. MDF tozu basit bir fosforik asitle kaynatma önişlemine tabi tutulduktan sonra, etil alkol ile bir reaktörde yüksek sıcaklık ve basınçta uygulanan organosolv işlemi ile yapıdaki hemiselüloz ve ligninin kısmen uzaklaştırılması sağlanmıştır. Ardından ileri seviyede ligninin uzaklaştırılması için sodyum hipoklorit ile bir ağartma işlemine tabi tutularak yüksek selüloz içerikli bir ürün elde edildikten sonra, uygulanan oksalik asit hidroliz işlemiyle nanokristalin selüloz elde edilmiştir. Deneylerde kullanılan MDF tozu % 37,43 selülozun yanı sıra ekstraktif madde, hemiselüloz ve lignin içermektedir. % 0,5'lik H3PO4 çözeltisiyle asidik ön işleme tabi tutulan -75+100 mesh fraksiyonundaki MDF tozu, optimize edilmiş şartlar olan % 60 etanol çözeltisiyle 0,1 M NaOH katalizörlüğünde 120°C sıcaklığında 1:10 katı/sıvı oranında 60 dk süreyle reaktörde organosolv işlemine tabi tutularak selüloz içeriği % 58,4'e kadar çıkarılmıştır. Bu arada çözeltiye geçen ligninin kazanılmasına yönelik çalışmalar yapılmış olup, organosolv sıvısından ligninin, büyük ölçüde çöktürülerek kazanılmasının mümkün olduğu belirlenmiştir. Organosolv ürünü biyokütlenin selüloz içeriğinin arttırılması için, % 4 aktif klor içeren sodyum hipoklorit ile 3,5 saat kaynatılarak uygulanan bir ağartma işlemiyle % 89,32 selüloz, % 6,68 hemiselüloz ve % 4,0 lignin içeren bir ürün elde edilmiştir. Ön işlemler neticesinde elde edilen yüksek selüloz içeriğine sahip bu ürüne bir oksalik asit hidroliz işlemi uygulanmıştır. Gerçekleştirilen oksalik asit hidroliz işlemi için en uygun işlem şartları, Yüzey Yanıt Yöntemiyle deneysel tasarım tekniklerinden biri olan Merkezi Kompozit Dizayn tekniği ile tasarlanan deneylerle belirlenmiştir. Ürün verimini ve selüloz kristalinitesini maksimize ortalama partikül boyutunu da minimize edecek şekilde gerçekleştirilen optimizasyon çalışmasında en uygun deney şartları 98,2 ?C sıcaklık, 6 M oksalik asit konsantrasyonu, 78,8 dk süre ve %1,14 H2SO4 katalizörü konsantrasyonu olarak belirlenmiştir. Optimum şartlarda gerçekleştirilen hidroliz işlemi neticesinde elde edilen ürünün ortalama partikül boyutu 237 nm, kristalinitesi % 69,40 ve selüloz verimi % 30,95 olarak bulunmuştur. Sonuç olarak çalışmada kullanılan MDF tozunun nanokristalin selüloz üretimi için kullanılabilme potansiyeli olan bir hammadde olduğu ortaya konulmuştur.

In this study, the production of nanocrystalline cellulose, a high value-added product, from MDF dust, which is a significant amount of fine-grained waste in the furniture industry, was investigated. After the MDF dust was subjected to a simple phosphoric acid boiling pretreatment, the hemicellulose and lignin in the structure were partially removed by organosolv treatment applied at high temperature and pressure in a reactor with ethyl alcohol. Then, it was subjected to a bleaching process with sodium hypochlorite to remove advanced lignin, and a product with high cellulose content was obtained, and then nanocrystalline cellulose was obtained by the applied oxalic acid hydrolysis process. The MDF dust used in the experiments contained 37.43% cellulose as well as extractive material, hemicellulose and lignin. MDF dust in the -75+100 mesh fraction, which was subjected to acidic pretreatment with 0.5% H3PO4 solution, was subjected to organosolv process in the reactor with 0.1 M NaOH catalyst in the optimized conditions at 120°C temperature with a solid/liquid ratio of 1:10 for 60 min, and the cellulose content was increased up to 58.4%. In the meantime, studies were carried out to recover lignin passing into the solution, and it was determined that it was possible to recover lignin from the organosolv liquid by precipitation to a large extent. In order to increase the cellulose content of the organosolv product biomass, a bleaching process was applied by boiling with sodium hypochlorite containing 4% active chlorine for 3.5 hours, and a product containing 89.32% cellulose, 6.68% hemicellulose and 4.0% lignin was obtained. This product with high cellulose content obtained as a result of pretreatments was subjected to an oxalic acid hydrolysis process. The most suitable process conditions for the oxalic acid hydrolysis process were determined by experiments designed with the Central Composite Design technique, one of the experimental design techniques with the Surface Response Method. In the optimization study carried out to maximize product yield and cellulose crystallinity and minimize average particle size, the most suitable experimental conditions were determined as 98.2 °C temperature, 6 M oxalic acid concentration, 78.8 min time and 1.14% H2SO4 catalyst concentration. As a result of the hydrolysis process carried out under optimum conditions, the average particle size of the product obtained was found to be 237 nm, its crystallinity was 69.40% and its cellulose yield was 30.95%. As a result, it was determined that the MDF dust used in the study is a raw material with the potential to be used for nanocrystalline cellulose production.