Date of Award
5-2024
Document Type
Dissertation
Degree Name
Doctor of Philosophy in Chemical Engineering
Department
Chemical and Petroleum Engineering
First Advisor
Basim Abu−Jdayil
Second Advisor
Ali Al-Marzouqi
Abstract
This dissertation focuses on the utilization of date palm waste, a lignocellulosic material, as a source for the extraction of nanocellulose (NC), a versatile biopolymer with applications in biodegradable composites, bioplastics, and food packaging. Conventional methods of NC production using mineral acids such as sulphuric and hydrochloric acid are reaching their limits of toxicity, so more environmentally friendly alternatives such as ionic liquids (ILs) are being explored. The research focuses on the characterization of different date palm wastes to evaluate their α−cellulose content, lignocellulosic character, and thermal stability. By comparing extraction methods with mineral acids and ILs, the study evaluates critical parameters such as NC yield and particle size. A novel approach integrates transition metal complex such as copper nitrate with pyridine to increase the hydrolysis efficiency of NC production by improving the yield by 10−25%, reducing particle size of nanocellulose (≈100 nm), improving crystallinity index (𝐶𝑟𝑙=60−80%), increased thermal stability (𝑇𝑜𝑛𝑒𝑡 ≥250°C), and activation energy (𝐸𝑎 ≥150 kJ/mol) when used in an amount of 0.5−1.5 wt%. The purity of NC, free of copper residues, is confirmed by energy dispersion X-ray spectroscopy (EDX). In addition, the hydrophilic nature of NC is modified by silanization, enabling its potential application in biodegradable composites. This shift to green solvents hydrolysis coupled with transition metal complexes not only improves yields but also promotes sustainable waste management practices, especially in regions such as the United Arab Emirates and the Gulf region, where date palm waste is abundant.
Arabic Abstract
يوجد ما يقدر بنحو 42 مليون نخلة في دولة الإمارات العربية المتحدة، ويتم إنتاج آلاف الأطنان من مخلفات النخيل سنوياً. تعتبر مخلفات نخيل التمر مادة لجينية سليلوزية ويمكن استخدامها لاستخراج السليلوز، وهو البوليمر الحيوي الأكثر وفرة وتجددًا على وجه الأرض. ركزت هذه الأطروحة على التوصيف الشامل والتحليل الحركي لمختلف مخلفات نخيل التمر لتقييم نسبة الفا سليلوز والطبيعة اللجينية السليلوزية، والثبات الحراري، يليها استخلاص وتوصيف السليلوز والنانوسليلوز (NC). NC هو مرشح ناشئ لإنتاج مركبات قابلة للتحلل ومنخفضة التكلفة كالمواد البلاستيكية الحيوية، والمواد العازلة، وألاغشية المستعملة في تغليف المواد الغذائية، وما إلى ذلك. ويخضع إنتاج NC عن طريق عمليات التحلل المائي التقليدية باستخدام حمض الكبريتيك (H2SO4) وحمض الهيدروكلوريك (HCl) لقيود معينة التي تعيق إنتاجها على نطاق تجاري. هنا يمكن للسوائل الأيونية (ILs) كمذيبات خضراء أن تنتج NC من النفايات اللجينية السليلوزية ذات الخصائص الفيزيائية والكيميائية والحرارية الجيدة. تقدم هذه الأطروحة البحثية عملية جديدة يتم فيها دعم التحلل المائي للسليلوز باستخدام الأحماض المعدنية و ILsبواسطة مجمعات معدنية انتقالية. أدى استخدام مجمع المعادن الانتقالية مثل نترات النحاس مع البيريدي إلى تحسين الانتاجية بنسبة 10−25٪، وتقليل حجم جسيمات النانوسليلوز (≈100 نانومتر)، وتحسين مؤشر التبلور (𝐶𝑟𝑙=60−80%)، وزيادة الثبات الحراري (𝑇𝑜𝑛𝑒𝑡 ≥250°C)، وطاقة التنشيط (𝐸𝑎 ≥150 كيلوجول/مول) عند استخدامها بكمية 0.5−1.5٪ بالوزن. أكد التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة (EDX) على نقاء NC مع عدم وجود النحاس المتبقي. وأخيرًا، تم تعديل طبيعة NC المحبة للماء من خلال عملية silanization لجعلها تنتشر من جديد، مما يدعم تطبيقها المحتمل في إنتاج مركبات قابلة للتحلل. تم تمييز NC المستخرج باستخدام الأحماض المعدنية والتحلل المائي Ils باستخدام تقنيات متقدمة، مثل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل وقياس الوزن الحراري (TGA)، وقياس السعرات الحرارية بالمسح التفاضلي (DSC)، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وتحليل وضع زيتا، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وتحليل (𝐸𝑎). سيكون لنشر نتائج هذه الدراسة تأثيرًا عميقًا على صناعة وإنتاج NC، مما يؤدي إلى تحسين المحاصيل وإنتاج ألياف بحجم النانو باستخدام المذيبات الخضراء كالتحلل المائي للسليلوز، وإزالة القيود الكبيرة المرتبطة بالأحماض المعدنية. ويساعد هذا المشروع أيضًا على تسليط الضوء على استخدام النفايات الخشبية الخلوية وتقليل تكلفة أنظمة إدارة النفايات باهظة الثمن ومتطلبات مدافن النفايات في دولة الإمارات العربية المتحدة ومنطقة الخليج.
Recommended Citation
Raza, Mohsin, "VALORIZATION OF DATE PALM WASTE FOR THE ISOLATION, CHARACTERIZATION, AND SURFACE CHEMISTRY MODIFICATION OF NANOCELLULOSE" (2024). Dissertations. 329.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_dissertations/329
