Physical properties and solubility properties of trimethylglycine-based deep eutectic solvents
Kauppi, Heikki (2019)
2019
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019120524768
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2019120524768
Tiivistelmä
Työn tarkoituksena oli luoda tietolähde työnantajalle sisältäen katsauksen biomassan ominaisuuksiin, sekä yhteenveto ionisiin nesteihin ja eutektisiin seoksiin. Lisäksi työssä käytettiin em. tietoja hyväksi tutkittaessa kuuden betaiinipohjaisen eutektisen seoksen fysikaalisia ominaisuuksia ja niiden kykyä liuottaa lignosulfonaattisakkaa.
Kirjallisuusosassa perehdyttiin biomassan eri komponentteihin, niiden rakenteeseen ja kemiallisiin ominaisuuksiin, lisäksi tehtiin katsaus lignosulfonaatteihin. Biomassan esikäsittelymenetelmistä käsiteltiin tarkemmin ionisia nesteitä ja eutektisiä seoksia. Niiden fysikaalisia ominaisuuksia, rakennetta ja käyttöä käytiin läpi.
Kokeellisessa osassa tutkittiin kuutta eri eutektista seosta, joista kaksi hylättiin heti alussa. Seoksista määritettiin viskositeetti ja johtokyky eri lämpötiloissa, tuloksista piirrettiin Waldenin graafi, jolla määritettiin seosten keskinäinen ionisuuden voimakkuus. Kahta lignosulfonaattipohjaista sakkaa tutkittiin eri analyysimenetelmillä ja lopuksi määritettiin neljän eutektisen seoksen kyky liuottaa näitä sakkoja.
Työssä osoitettiin, että urea, etikkahappo, maitohappo ja muurahaishappo muodostivat eutektinen seoksen betaiinin kanssa. Näille seoksille määritettiin viskositeetti, seosten järjestys korkeimmasta matalimpaan oli: maitohappo > etikkahappo > urea > muurahaishappo. Seosten johtokyky oli järjestyksessä korkeimmasta matalimpaan: muurahaishappo > maitohappo > etikkahappo > urea. Waldenin graafista määritettiin seosten ionisuuden voimakkuuden olevan korkeimmasta matalimpaan: muurahaishappo > maitohappo > etikkahappo > urea. Seosten kyky liuottaa lignosulfonaattisakkaa määritettiin spektrofotometrisesti, ureapohjainen seos liuotti näytteen kokonaisuudessaan ja muurahaishappopohjainen seos heikoiten. Yllättävästi ionisuuden voimakkuuden todettiin korreloivan sakan liuotuspotentiaalin kanssa erittäin hyvin (korrelaatiokerroin R²=0,9904). Toisen sakoista, furfuraalihiilen, todettiin liukenevan erittäin helposti laimeaan 0,1M NaOH liuokseen, joten sen liukoisuutta eutektisiin seoksiin ei tutkittu. Furfuraalihiilen moolimassaksi mitattiin keskimäärin n. 750 g/mol. The purpose of this thesis was to create an information source for the employer containing an overview of biomass properties, and a summary to ionic liquids and deep eutectic solvents. The gathered information was then used to study the physicochemical properties of six deep eutectic solvents and their ability to dissolve lignosulfonate.
In the literature section information was summed up of a composition of biomass, its structure, and chemical properties, additionally, lignosulfonates were studied in this section. Ionic liquids and deep eutectic solvents were studied in more detail in the second part of biomass pretreatment methods.
Six deep eutectic solvents were studies in the experimental section, two of them were immediately discarded from further testing. Viscosity and conductivity were measured in different temperatures from these solvents. A Walden plot was created from these results, the relative strength of ionicity was defined from this plot. Two lignosulfonate-based sediments were studies with various analysis methods and finally, the deep eutectic solvent’s ability to dissolve the sediments was measured.
This study showed that urea, acetic acid, lactic acid, and formic acid formed a eutectic solvent with betaine. The viscosity of these solvents was measured, and it decreased in the following order: lactic acid > acetic acid > urea > formic acid. Conductivity followed the following order: formic acid > lactic acid > acetic acid > urea. A Walden plot was created from these results and the order of ionicity decreased in the following order: formic acid > lactic acid > acetic acid > urea. Solvents’ ability to dissolve lignosulfonate was determined by spectrophotometric. Urea-based solvent dissolved the sample completely and formic acid-based the least. Surprisingly ionicity was noticed to correlate with the dissolving ability very strongly (correlation factor R²=0,9904). One of the sediments, furfural coal, was noticed to dissolve easily in mild 0,1M NaOH solution, so its dissolution was not studied with the deep eutectic solvents. The molar mass of furfural coal was determined to be on average ca. 750 g/mol.
Kirjallisuusosassa perehdyttiin biomassan eri komponentteihin, niiden rakenteeseen ja kemiallisiin ominaisuuksiin, lisäksi tehtiin katsaus lignosulfonaatteihin. Biomassan esikäsittelymenetelmistä käsiteltiin tarkemmin ionisia nesteitä ja eutektisiä seoksia. Niiden fysikaalisia ominaisuuksia, rakennetta ja käyttöä käytiin läpi.
Kokeellisessa osassa tutkittiin kuutta eri eutektista seosta, joista kaksi hylättiin heti alussa. Seoksista määritettiin viskositeetti ja johtokyky eri lämpötiloissa, tuloksista piirrettiin Waldenin graafi, jolla määritettiin seosten keskinäinen ionisuuden voimakkuus. Kahta lignosulfonaattipohjaista sakkaa tutkittiin eri analyysimenetelmillä ja lopuksi määritettiin neljän eutektisen seoksen kyky liuottaa näitä sakkoja.
Työssä osoitettiin, että urea, etikkahappo, maitohappo ja muurahaishappo muodostivat eutektinen seoksen betaiinin kanssa. Näille seoksille määritettiin viskositeetti, seosten järjestys korkeimmasta matalimpaan oli: maitohappo > etikkahappo > urea > muurahaishappo. Seosten johtokyky oli järjestyksessä korkeimmasta matalimpaan: muurahaishappo > maitohappo > etikkahappo > urea. Waldenin graafista määritettiin seosten ionisuuden voimakkuuden olevan korkeimmasta matalimpaan: muurahaishappo > maitohappo > etikkahappo > urea. Seosten kyky liuottaa lignosulfonaattisakkaa määritettiin spektrofotometrisesti, ureapohjainen seos liuotti näytteen kokonaisuudessaan ja muurahaishappopohjainen seos heikoiten. Yllättävästi ionisuuden voimakkuuden todettiin korreloivan sakan liuotuspotentiaalin kanssa erittäin hyvin (korrelaatiokerroin R²=0,9904). Toisen sakoista, furfuraalihiilen, todettiin liukenevan erittäin helposti laimeaan 0,1M NaOH liuokseen, joten sen liukoisuutta eutektisiin seoksiin ei tutkittu. Furfuraalihiilen moolimassaksi mitattiin keskimäärin n. 750 g/mol.
In the literature section information was summed up of a composition of biomass, its structure, and chemical properties, additionally, lignosulfonates were studied in this section. Ionic liquids and deep eutectic solvents were studied in more detail in the second part of biomass pretreatment methods.
Six deep eutectic solvents were studies in the experimental section, two of them were immediately discarded from further testing. Viscosity and conductivity were measured in different temperatures from these solvents. A Walden plot was created from these results, the relative strength of ionicity was defined from this plot. Two lignosulfonate-based sediments were studies with various analysis methods and finally, the deep eutectic solvent’s ability to dissolve the sediments was measured.
This study showed that urea, acetic acid, lactic acid, and formic acid formed a eutectic solvent with betaine. The viscosity of these solvents was measured, and it decreased in the following order: lactic acid > acetic acid > urea > formic acid. Conductivity followed the following order: formic acid > lactic acid > acetic acid > urea. A Walden plot was created from these results and the order of ionicity decreased in the following order: formic acid > lactic acid > acetic acid > urea. Solvents’ ability to dissolve lignosulfonate was determined by spectrophotometric. Urea-based solvent dissolved the sample completely and formic acid-based the least. Surprisingly ionicity was noticed to correlate with the dissolving ability very strongly (correlation factor R²=0,9904). One of the sediments, furfural coal, was noticed to dissolve easily in mild 0,1M NaOH solution, so its dissolution was not studied with the deep eutectic solvents. The molar mass of furfural coal was determined to be on average ca. 750 g/mol.