۱٫ معرفی
در قلمرو تحقیقات، شیوه های پایدار به عنوان یک تمرکز اساسی ظاهر شده است، با دانشمندان به طور فعال به دنبال منابع تجدید پذیر، پایدار و زیست تخریب پذیر الیاف و مواد نساجی هستند. آگاهی زیست محیطی در بین مردم در حال رشد است و همچنین آلودگی روزافزون سیاره ما که تعادل اکوسیستم های آن را بر هم می زند. تولید الیاف مصنوعی که تقریباً ۶۰ درصد تولید جهانی الیاف را تشکیل می دهد.
میز ۱)، به عدم تعادل محیطی، به ویژه با غلبه پلی استر (PET) و پلی آمید (PA) کمک کرده است.
بر اساس داده های گردآوری بورس نساجی، تولید جهانی الیاف به طور قابل توجهی از ۵۸ میلیون تن در سال ۲۰۰۰ به ۱۱۳ میلیون تن در سال ۲۰۲۱ افزایش یافته است و برآورد می شود که در سال ۲۰۳۰، کل تولید الیاف به ۱۴۹ میلیون تن افزایش یابد. [
۱]. این افزایش تأثیر بسیار زیادی بر محیط زیست دارد، به ویژه در افزایش تولید الیاف مصنوعی، زیرا آنها با استفاده از منابع سوخت فسیلی تولید می شوند. بنابراین فرآیند تولید، توزیع، مصرف و مدیریت پسماند آن باعث انتشار گازهای گلخانه ای، استفاده از منابع تجدید ناپذیر و انتشار ذرات ناخواسته در محیط می شود. [
۲]. مواد نساجی ساخته شده از مواد تولیدی دارای پتانسیل انتشار میکروپلاستیک در جهان در طول مراحل تولید و تمیز کردن هستند. [
۳,
۴]، که موضوعی داغ است و منجر به درخواست راه حل های پایدارتر شده است. در نتیجه، الیاف طبیعی به عنوان گزینه ای مقرون به صرفه، سالم و زیست محیطی محبوبیت پیدا کرده اند. پایداری زیست‌محیطی مستلزم ایجاد تعادلی هماهنگ بین برآوردن نیازهای انسان و حفظ طبیعت، با تمرکز تلاش‌های جهانی بر دستیابی به این تعادل است.
با توجه به بزرگی آلودگی و ضایعات روی زمین، یافته‌های نوآورانه ضروری هستند که کاوش جایگزین‌های زیست‌محیطی بیشتری را برای اهداف متعدد هدایت می‌کنند. یکی از راه حل های کلیدی شامل استفاده از زباله های زیستی از نی غلات است که به عنوان زیست توده نسل دوم در نظر گرفته می شود. گندم (
شکل ۱)، دومین محصول غلات بزرگ جهان، دارای فتنه قابل توجهی است و به طور گسترده در دسترس است.
در دهه گذشته، اروپا بیش از ۳۰ درصد از تولید گندم جهان را به خود اختصاص داده است، در حالی که آسیا ۴۴ درصد و آمریکای شمالی و جنوبی ۱۵ درصد تولید کرده اند. [
۵]. کشت گندم در سطح جهان گسترده است و در شرایط آب و هوایی مختلف رونق دارد. امروزه، اهمیت این محصول ممکن است به لطف پتانسیل زباله زیستی آن افزایش یابد [
۶]. پس از برداشت، مقادیر قابل توجهی از بقایای کشاورزی، مانند کاه گندم، اغلب یا در مزارع رها می‌شوند، سوزانده می‌شوند یا بدون استفاده رها می‌شوند که بر محیط‌زیست تأثیر منفی می‌گذارد و اکوسیستم‌ها را به خطر می‌اندازد. [
۷,
۸,
۹,
۱۰]. کاه گندم، یکی از اجزای حیاتی زیست توده لیگنوسلولزی زائد، حاوی مقدار قابل توجهی سلولز است که تقریباً از ۳۰٪ تا ۵۰٪ متغیر است. [
۱۱,
۱۲,
۱۳]در مقایسه با سایر گزینه های برجسته تر، آن را به یک منبع امیدوارکننده از سلولز تبدیل می کند.
جدول ۲).
استفاده از این منبع به عنوان منبع تجدیدپذیر الیاف سلولزی، استراتژی پایدارتری برای کاهش حجم قابل توجهی از پسماندهای کشاورزی ارائه می‌کند. این نوع زیست توده به عنوان یک اکتشاف جدید در تعقیب آینده‌ای متعادل و دارای قابلیت بسیار زیادی به عنوان یک ماده خام با ارزش برای مقاصد مختلف، از جمله تولید خمیر و کاغذ، پلاستیک‌های زیستی، منسوجات و نیروی ترموالکتریک است. [
۱۸,
۱۹,
۲۰,
۲۱,
۲۲]. بررسی ادبیات، ارائه شده در
جدول ۳، استفاده از کاه گندم را به عنوان تقویت کننده مصالح ساختمانی آشکار کرد [
۲۳,
۲۴]. علاوه بر این، می توان از آن برای تولید سوخت زیستی و تثبیت خاک استفاده کرد [
۲۵,
۲۶,
۲۷]. از طرف دیگر، می تواند به عنوان یک ماده خام برای ساخت نانوسلولز عمل کند، که سپس می تواند به عنوان یک پاک کننده فاضلاب مورد استفاده قرار گیرد. [
۲۸,
۲۹,
۳۰]. الیاف سلولز گندم در حال حاضر در صنایع کامپوزیت و کاغذ استفاده می شود [
۳۱,
۳۲,
۳۳,
۳۴,
۳۵,
۳۶,
۳۷] و پس از اصلاح، می تواند برای اهداف بسیار متفاوت استفاده شود [
۳۸,
۳۹,
۴۰,
۴۱,
۴۲,
۴۳,
۴۴].
الیاف سلولزی را می‌توان از طریق روش‌های مختلف از جمله بازگردانی بیولوژیکی یا شیمیایی، فرآیندهای مکانیکی و/یا فیزیکی و همچنین ترکیبی از آنها از ساقه گیاه جدا کرد یا استخراج کرد. [
۴۶,
۴۷,
۴۸,
۴۹,
۵۰]. روش‌های بازگردانی شیمیایی اغلب برای جداسازی الیاف از نی استفاده می‌شوند و معمولاً با روش‌های مکانیکی و فیزیکی دنبال می‌شوند. این روش ها شامل شرایط سخت از نظر مواد شیمیایی استفاده شده، دما و زمان پیش تصفیه و سایر عوامل هستند [
۵۱]. استفاده بهینه از الیاف کوتاه معمولاً در صنعت کاغذ است. پتانسیل الیاف طولانی در صنعت کامپوزیت بیشتر است، جایی که می توان از آنها به عنوان تقویت کننده استفاده کرد. علاوه بر این، در صورتی که طول آنها با شرایط چرخش پذیری مطابقت داشته باشد، می توانند در پوشاک استفاده شوند [
۵۲]. در این مطالعه، گروه تحقیقاتی ما در تلاش است تا به چند مشکل زیست‌محیطی مانند تولید بیش از حد الیاف مصنوعی، مقادیر زیاد زباله‌های کشاورزی باقی مانده در مزارع، یا تولید ناکافی بالای انرژی از منابع تجدیدپذیر اشاره کند. یکی از راه حل های ممکن برای غلبه بر این چالش ها، بهره برداری از زیست توده کاه غلات است. به عنوان یک منبع تجدید پذیر رضایت بخش برای جداسازی الیاف سلولزی و تولید سوخت زیست توده ثابت شده است. تا آنجا که نویسندگان می دانند، در ادبیات [
۶,
۱۰,
۱۱,
۱۲,
۱۵,
۱۸,
۱۹,
۲۰,
۲۱,
۲۲,
۲۳,
۲۴,
۲۵,
۲۶,
۲۷,
۲۸,
۲۹,
۳۰,
۳۱,
۳۲,
۳۳,
۳۴,
۳۵,
۳۶,
۳۷,
۳۸,
۳۹,
۴۰,
۴۱,
۴۲,
۴۳,
۴۴]، این اولین مطالعه در مورد استفاده کامل از ارقام پیشرو گندم در کرواسی است. در این مقاله، مقدار کمتری از ماده قلیایی در طول فرآیند باز کردن برای حفظ یکپارچگی و کیفیت الیاف استفاده شد. علاوه بر این، روش جامع جداسازی الیاف بلند از کاه گندم خانگی، همراه با جمع‌آوری ضایعات سفت و سیال در فرآیند خیساندن شیمیایی، باعث ایجاد اقتصاد دایره‌ای می‌شود. هنگامی که دانه گندم برای اهداف غذایی مورد استفاده قرار می گیرد، ضایعات کشاورزی باقی مانده (کاه) به عنوان منبعی برای تولید الیاف عمل می کند. به طور همزمان، پس از روش جداسازی فیبر، بقایای شرکت تولید شده، همراه با فیلترهای تبخیر شده، به عنوان مواد ورودی برای تولید سوخت زیستی جامد مورد استفاده قرار می گیرند. با اعمال محدودیت های قانونی در اتحادیه اروپا که سوزاندن ضایعات کشاورزی در مزارع باز را ممنوع می کند، استفاده از کاه گندم به عنوان منبع تجدیدپذیر الیاف سلولزی (الیاف پایه) به عنوان یک جایگزین پایدارتر و دوستدار محیط زیست ظاهر می شود. این مطالعه به پتانسیل گونه‌های مختلف گندم، یعنی Srpanjka و Kraljica، در زمینه تولید فیبر و سوخت زیستی می‌پردازد. استخراج کارآمد الیاف کاه گندم (طولانی تر در مقایسه با الیاف گندم و طول آنها در ادبیات موجود است) [
۳۷,
۳۹,
۴۳,
۴۵] و کاربرد بعدی آنها در صنعت مد یا برای ایجاد منسوجات فنی در حالی که به طور همزمان از استفاده کامل از باقی مانده از فرآیند استخراج الیاف اطمینان حاصل می شود، محصولات زیستی پایدار و خلاقانه ای را معرفی می کند.
۲٫ مواد و روشها
۲٫۱٫ تنوع گندم
گندم کرالیکا (واریته “جدید”) یکی از ارقام متوسط رشد زودرس زمستانه است. ساقه تقریباً ۷۰ سانتی متر طول دارد و در برابر نشستن مقاوم است و ساختاری محکم و کشسان دارد. پتانسیل عملکرد دانه بالا و سازگاری با شرایط مختلف تولید را نشان می دهد. علاوه بر این، تحمل به شایع ترین بیماری ها را نشان می دهد [
۵۳,
۵۴]. گندم سرپنجکا (نوع “قدیمی”) یک رقم زمستانه بسیار زود رشد با رویش کمتر تقریباً ۶۴ سانتی متر است. با ارتفاع کم مشخص می شود و مقاومت بالایی در برابر دماهای پایین و بیماری ها نشان می دهد [
۵۴,
۵۵]. کاه گندم مورد استفاده در محل موسسه کشاورزی اوسیجک در دوره رشد ۱۰ ماهه (اکتبر تا ژوئیه) کشت شد.
۲٫۲٫ پیش تصفیه و جداسازی فیبر زیست توده
یک فرآیند بازگرداندن شیمیایی مورد استفاده قرار گرفت، که یک نسخه کمی تغییر یافته از یک فرآیند است که از بررسی موجود در ادبیات منبع گرفته شده است. [
۵۶]. زیست توده گندم به قطعات ۱۲ سانتی متری تقسیم شد و در یک حمام حاوی ۳ درصد در معرض یک فعل و انفعال شیمیایی قرار گرفت.
w/v هیدروکسید سدیم (NaOH). حمام در نسبت ۱:۲۰ حفظ شد و مدت درمان ۹۰ دقیقه طول کشید. پیچیدگی های بیشتر این آزمایش در یک انتشار قبلی توضیح داده شده است [
۵۷]. توضیح جامعی از فرآیند آزمایشی در ارائه شده است
شکل ۲.
۲٫۳٫ تست الیاف
ارزیابی‌های انجام‌شده شامل اندازه‌گیری محتوای فیبر و باقیمانده پس از روش جداسازی الیاف، خواص کششی، طول الیاف، محتوای رطوبت، بازیابی رطوبت و چگالی بود. علاوه بر این، این مطالعه مورفولوژی الیاف کاه گندم جدا شده را بررسی کرد و آزمایشاتی را برای تعیین ترکیب شیمیایی آنها انجام داد.
محاسبه درصد برای فیبر و بازده باقیمانده (
Yf% و
سال%) با استفاده از روش وزن سنجی که در معادلات (۱) و (۲) شرح داده شده است انجام شد. [
۱۴]. اندازه‌گیری‌ها برای دقت و پایایی سه‌بار انجام شد.
در این زمینه، Yf% نشان دهنده درصد بازده فیبر است، mf نماد وزن الیاف گندم جدا شده از کاه گندم و مایل نشانگر جرم اولیه کاه گندم است. به همین ترتیب، سال% نشان دهنده درصد بازده باقی مانده است و آقای نشان دهنده وزن بقایای گندم پس از جداسازی الیاف است.
خواص مکانیکی مربوط به خواص کششی انواع مختلف الیاف گندم با استفاده از دستگاه‌های Vibroskop 500 و Vibrodyn 500 تولید شده توسط Lenzing Instruments مورد بررسی قرار گرفت. پنجاه (۵۰) الیاف برای هر رقم با استفاده از پارامترهای زیر اندازه گیری شد: پیش بارگذاری (۱۵۰۰ میلی گرم)، سرعت آزمایش (۳ میلی متر در دقیقه)، و طول گیج (۵ میلی متر).
طول صد الیاف (فردی) از گونه های قدیمی و جدید با کمک مقیاسی که به موازات الیاف کشیده نشده در فرم صاف آنها قرار گرفته است اندازه گیری شد.
فرآیند تعیین مجدد رطوبت و محتوای آن با محاسبه جرم نمونه پس از خشک شدن نمونه در هوا آغاز شد. سپس نمونه در یک محفظه اقلیمی قرار گرفت و به مدت ۲۴ ساعت در شرایط جوی استاندارد قرار گرفت. پس از تهویه، جرم نمونه محاسبه شد و پس از آن یک دوره خشک شدن ۲۴ ساعت دیگر انجام شد. بازیابی رطوبت و محتوای آن با توجه به معادلات (۳) و (۴) محاسبه شد. آزمایش در سه تکرار برای اطمینان از دقت و سازگاری انجام شد.
جایی که MC% نشان دهنده میزان رطوبت است، آقای٪ نشان دهنده بازیابی رطوبت است، متر۱ نشان دهنده جرم یک نمونه خشک شده در هوا است، متر۲ نشان دهنده جرم نمونه کاملا خشک شده است و متر۳ نشان دهنده جرم نمونه شرطی شده است.
چگالی نمونه با استفاده از پیکنومتر گازی Ultrapyc 1200e ارائه شده توسط Anton Paar ارزیابی شد. چگالی الیاف گندم در شرایط جوی مطابق با استاندارد ASTM تعیین شد. [
۵۸]. گاز نیتروژن (N
2) از خلوص بالا به دلیل قابلیت نفوذ به منافذ ریز استفاده شد و در نتیجه دقت اندازه گیری را افزایش داد. این اندازه گیری ها سه بار برای تضمین دقت انجام شد.
شکل‌گیری ساختاری الیاف با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی Mira II LMU (SEM)، ساخت شرکت Tescan مورد بررسی قرار گرفت. قبل از تجزیه و تحلیل SEM، الیاف تحت پوشش کروم قرار گرفتند تا رسانایی نمونه بهبود یابد. مشاهدات SEM در شتاب ولتاژ الکترون ۵ کیلوولت انجام شد.
شیمی سطح گندم (کاه و الیاف) با استفاده از طیف سنج Spectrum 100 FTIR، ارائه شده توسط Perkin Elmer، با استفاده از روش بازتاب کلی ضعیف (ATR) مورد بررسی قرار گرفت. تمام طیف ها در محدوده ۴۰۰۰ سانتی متر ثبت شد-۱ تا ۳۸۰ سانتی متر-۱با حفظ وضوح ۴ سانتی متر-۱ بیش از چهار اسکن مقدار میانگین پنج اندازه گیری جداگانه اعمال شد. نرمال سازی طیف در ۱۱۵۹ سانتی متر انجام شد-۱، که ناحیه کشش نامتقارن COC است.
۴٫ نتیجه گیری
برای ارتقای اقتصاد زیستی دایره ای، این مطالعه بر بررسی خواص الیاف حاصل از دو نوع گندم از کاه متمرکز شد. چنین الیافی از طریق یک فرآیند بازگرداندن شیمیایی تحت شرایط قلیایی خفیف، با استفاده از غلظت کم NaOH برای ترویج یک فرآیند بی‌خیم محیطی استخراج شدند. هدف استفاده از الیاف جدا شده برای مواد بیوکامپوزیت برای اهداف فنی نساجی بود.
بهترین نتایج عملکرد فیبر (۱۵٫۳۴٪) از طریق رقم Srpanjka برداشت شده در سال ۲۰۲۲ به دست آمد. اگرچه تنوع قابل توجهی در نتایج رقم جدید Kraljica وجود داشت، تمایل مثبت در فیبر (۱۱٫۵۵-۱۲٫۶۰٪) و باقیمانده (۳۷٫۲۳-۳۹٫۵۴) درصد عملکرد مشاهده شد. این یک ملاحظات مهم است، به ویژه با توجه به اثرات نامطلوب تغییرات آب و هوایی، مانند تشدید وقوع خشکسالی.
مقاومت الیاف در گونه Kraljica از هر دو برداشت (تقریباً ۲۵ cN/tex) در مقایسه با رقم Srpanjka (تقریباً ۲۱ cN/tex) کمی بیشتر بود. هر دو رقم گندم از برداشت ۲۰۲۱ و ۲۰۲۲ استحکام الیافی بیشتر از ۱۰ cN/tex را نشان دادند که نشان دهنده پتانسیل چرخاندن این الیاف به نخ است.
پارامتر طول الیاف به طور قابل توجهی تحت تاثیر سال برداشت گندم قرار گرفت. طول الیاف الیاف گندم برداشت شده در سال ۲۰۲۱ (به طور متوسط بین ۲٫۷۶ تا ۲٫۹۵ سانتی متر) طولانی ترین بود. تجزیه و تحلیل توزیع طول نشان داد که الیاف آزمایش شده بهترین نتایج فرکانس را در محدوده ۲ تا ۳ سانتی متر به نمایش گذاشتند، جدا از هر دو گونه ۲۰۲۱، که قابل توجه ترین فرکانس را در محدوده طول ۱-۲ سانتی متر نشان دادند. این طول های الیاف مقادیر رضایت بخشی را برای استفاده به عنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی نشان دادند.
مقادیر رطوبت به طور قابل توجهی تحت تاثیر تنوع خوراک و سال برداشت قرار می گیرد. محتوای رطوبت در الیاف استخراج شده از کاه برداشت سال ۲۰۲۲ از ۶٫۵۸٪ تا ۷٫۲۱٪ متغیر بود که شرایط ذخیره سازی موثر و کاهش مصرف انرژی را نشان می دهد. همه الیاف اندازه‌گیری‌شده، بازیابی رطوبت را در محدوده ۹٫۷۲% تا ۱۱٫۴۰% نشان دادند که با الیاف پایه همراستا شدند. الیافی که رطوبت کم را نشان می دهند، زمانی که برای تقویت در مواد کامپوزیت به کار می روند، به دلیل چسبندگی بیشتر بین هر دو جزء کامپوزیت، کارآمدتر هستند.
چگالی فیبر از ۱٫۴۱۷۸ گرم در سانتی متر متغیر بود۳ به ۱٫۵۰۶۳ گرم در سانتی متر۳، همراستایی با مقادیر معمولی برای الیاف طبیعی. هر دو نوع الیاف گندم برای استفاده به عنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی مناسب هستند. استفاده از الیاف از گونه جدید Kraljica ممکن است به محصول نهایی کمی سبک تر منجر شود. این بهبود در انرژی و بهره وری اقتصادی می تواند سودمند باشد، به ویژه در صنعت خودرو.
تجزیه و تحلیل مورفولوژی الیاف ویژگی‌های هندسی نامنظم را بر روی سطوح آنها نشان داد که یک ویژگی مشترک در میان الیاف طبیعی مشتق شده از ساقه‌های گیاه است. زبری بالاتر سطح الیاف زمانی بهتر است که این الیاف به عنوان تقویت کننده در مواد کامپوزیت استفاده شوند، زیرا توپوگرافی بافت آنها چسبندگی بین الیاف طبیعی و ماتریس پلیمری را افزایش می دهد.
ترکیب الیاف جدا شده به طور غیرمستقیم توسط FTIR مورد بررسی قرار گرفت، که نشان دهنده کاهش شدت لیگنین و همی سلولز است که نشان دهنده حذف موثر آنها با استفاده از پیش تصفیه شیمیایی کارآمد از نظر زیست محیطی است.
این مطالعه بخشی از یک تحقیق گسترده تر در مورد استفاده بالقوه از زیست توده لیگنوسلولزی برای تولید الیاف و سوخت های زیستی است. بنابراین، اقدامات آتی ما بر ترکیب الیاف سلولز گندم به عنوان تقویت کننده در مواد کامپوزیتی تاکید خواهد داشت، در حالی که درصد قابل توجهی از زباله جامد باقی مانده پس از جداسازی الیاف برای تولید سوخت های زیستی با کیفیت بالا استفاده خواهد شد.
