kth.sePublications
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
Surface tailoring of cellulose aerogel-like structures with ultrathin coatings using molecular layer-by-layer assembly
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0001-6156-1643
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology.ORCID iD: 0000-0002-0999-6671
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology.ORCID iD: 0000-0002-7410-0333
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Fibre- and Polymer Technology, Fibre Technology. KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Centres, Wallenberg Wood Science Center.ORCID iD: 0000-0001-8622-0386
2022 (English)In: Carbohydrate Polymers, ISSN 0144-8617, E-ISSN 1879-1344, Vol. 282, article id 119098Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Cellulose nanofibril-based aerogels have promising applicability in various fields; however, developing an effi-cient technique to functionalize and tune their surface properties is challenging. In this study, physically and covalently crosslinked cellulose nanofibril-based aerogel-like structures were prepared and modified by a mo-lecular layer-by-layer (m-LBL) deposition method. Following three m-LBL depositions, an ultrathin polyamide layer was formed throughout the aerogel and its structure and chemical composition was studied in detail. Analysis of model cellulose surfaces showed that the thickness of the deposited layer after three m-LBLs was approximately 1 nm. Although the deposited layer was extremely thin, it led to a 2.6-fold increase in the wet specific modulus, improved the acid-base resistance, and changed the aerogels from hydrophilic to hydrophobic making them suitable materials for oil absorption with the absorption capacity of 16-36 g/g. Thus, demon-strating m-LBL assembly is a powerful technique for tailoring surface properties and functionality of cellulose substrates.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier BV , 2022. Vol. 282, article id 119098
Keywords [en]
Cellulose nanofibril, Aerogels, Molecular layer-by-layer deposition, Surface functionality, Wet strength, Oil absorption
National Category
Paper, Pulp and Fiber Technology Materials Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-311623DOI: 10.1016/j.carbpol.2022.119098ISI: 000782089400002PubMedID: 35123738Scopus ID: 2-s2.0-85122644631OAI: oai:DiVA.org:kth-311623DiVA, id: diva2:1655234
Note

QC 20220502

Available from: 2022-05-02 Created: 2022-05-02 Last updated: 2024-01-30Bibliographically approved
In thesis
1. Development and Tailoring of Low‐Density Cellulose‐Based Structures for Water Treatment
Open this publication in new window or tab >>Development and Tailoring of Low‐Density Cellulose‐Based Structures for Water Treatment
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The challenges posed by our limited clean water sources and the well-known global water pollution demand more efficient water purification technologies. Additionally, the increasing environmental awareness has inspired a shift towards eco-friendly and renewable materials and technologies. This thesis is focused on developing effective adsorbent materials from renewable resources to eliminate organic solvents, dyes, and metal ions from water. Cellulose, the most abundant biopolymer in nature, is the main component used to develop new materials in the present study. Its distinctive physical and colloidal properties, in the form of nanocellulose, along with tunable surface chemistry, play key roles in enhancing the effectiveness of the developed materials.

The primary focus of the first part of the thesis was to develop a molecular layer-by-layer modification technique to customize the surface functionality of cellulose aerogels in a uniform and controlled manner. Through the sequential deposition of diamine and triacid monomers, exceeding lythin polyamide coatings were formed on the cellulose aerogels, altering the surface properties from hydrophilic to hydrophobic. This transformation made them well-suited structures for oil-water separation.

Following this, a biohybrid aerogel was developed based on cellulose nanofibrils (CNFs) and amyloid nanofibrils (ANFs), the latter derived by heat treatment of β-lactoglobulin proteins. The pH-tunable surface charge of the aerogel, controlled by the amphiphilicity of the protein, allowed for the adsorption of both cationic and anionic contaminants by adjusting the pH of the solutions. Furthermore, the aerogels exhibited remarkable selectivity for lead (II) ions and they could also be regenerated and reused after each adsorption cycle without a significant loss of their adsorption capacity. This was to a large extent possible due to the excellent wet stability of these aerogels, which was achieved by crosslinking the CNFs during freezing and ice templating, eliminating the need for freeze-drying. However, a solvent exchange to acetone after melting was still necessary to reduce the influence of the capillary forces during drying to avoid the collapse of the aerogels. In a consecutive study, the foaming characteristics of the heat-treated β-lactoglobulin system were exploited to create highly stable Pickering foams with the aid of using CNFs as stabilizers and to physically lock the system through a controlled pH reduction. Interestingly, these Pickering foams could be directly oven-dried without collapsing, yielding low-density foams. Furthermore, it was demonstrated that the foams can be chemically crosslinked by incorporating chemical crosslinkers in the formulation or by pre-functionalizing the CNFs with dialdehydes. This crosslinking naturally also provided wet stability to the oven-dried foams.

Finally, an innovative and environmentally friendly method was introduced to increase the charge of cellulose fibers by radical polymerization of acrylic acid from the fibers, enabling the preparation of fibers with an exceptionally high charge of 6.7 mmol/g. The introduction of these charged groups significantly enhanced the interaction of the fibers with methylene blue as a model dye and lead (II), Copper (II), and Zinc (II) ions as model metal ions, showing the huge potential of these fibers as building blocks for a wide range of adsorbent applications. Overall, this thesis demonstrates the development and characterization of several bio-based adsorbents for water remediation.

Abstract [sv]

De utmaningar som vi ställs inför på grund av den begränsade tillgången på rent vatten och de globala vattenföroreningarna har ökat behovet av nya och effektivare vattenreningstekniker. Dessutom har vårt ökade miljömedvetande uppmuntrat till en utveckling av miljövänliga och förnybara material och processer. Arbetet i denna avhandling har därför fokuserats på att utveckla effektiva adsorptionsmaterial, ifrån förnybara råvaror, för att eliminera organiska lösningsmedel, färgämnen och metalljoner ifrån olika vattenströmmar. Vi har valt att använda cellulosa, naturens vanligaste biopolymer, som basråvara i de nya material som utvecklats. Cellulosans utmärkta fysikaliska och kolloidala egenskaper, i form av nano-cellulosa, i kombination med en kontrollerbar ytkemi, har varit en grundförutsättning för att styra och kontrollera effektiviteten hos de utvecklade materialen.

Det primära syftet med den första delen av avhandlingen var att utveckla en molekylär skikt-för-skikt-modifieringsmetodik för att styra ytfunktionaliteten hos cellulosaaerogeler på ett jämt och kontrollerat sätt. Genom att sekventiellt belägga aerogelen med molekylära skikt av trimesoyl klorid(TMC) and m-xylylen diamin (MXD) skapades ytterst tunna polyamidbeläggningar på cellulosaaerogelerna, vilket omvandlade ytorna ifrån att vara hydrofila till att vara hydrofoba. De modifierade materialen visade sig väl lämpade att separera olja ifrån blandningar av vatten och olja.

Efter detta utvecklades en biohybridaerogel bestående av dels cellulosananofibriller (CNF) och dels av amyloidnanofibriller (ANF) som kunde prepareras genom en enkel värmebehandling av β-laktoglobulinprotein. Dessa aerogeler har en ytladdning som enkelt kan styras genom en pH-ändring och som beror av amfifiliteten hos det protein som används för att tillverka de ANF som används. Detta, i sin tur, gör det möjligt att adsorbera både katjoniska och anjoniska föroreningar och den mängd som kan adsorberas går att styra genom att ändra lösningarnas pH. Dessutom visade aerogelerna en anmärkningsvärd selektivitet för bly (II)-joner. Det visade sig också vara möjligt att regenerera och återanvända aerogelerna efter varje adsorptionscykel utan någon större förlust av deras adsorptionsförmåga. Grunden till detta var den utmärkta våtstabiliteten hos aerogelerna som skapdes genom att tvärbinda CNF:erna via en enkel frysning och smältning av vattenfasen, vilket eliminerade behovet av en kostsam frystorkning. För att minska inverkan av kapillärkrafterna under torkningen och för att undvika kollaps av aerogelerna visade det sig emellertid nödvändigt att använda ett lösningsmedelsutbyte till aceton efter smältningen. I en efterföljande undersökning utnyttjades skumningsegenskaperna hos det värmebehandlade β-laktoglobulinsystemet för att skapa mycket stabila sk. Pickering-skum genom att använda CNF:er som stabilisatorer och för att fysiskt låsa skummet genom en kontrollerad pH-sänkning. Intressant nog visade det sig också vara möjligt att ugnstorka dessa Pickering-skum utan att kollapsa strukturen, vilket resulterade i skummer med lågdensitet. Det visade sig också vara möjligt att kovalent låsa skummet genom att inkorporera kemiska tvärbindare i skum-formuleringen eller genom att förse den CNF som användes med dialdehydfunktionalitet. Denna tvärbindning gav också våtstabilitet åt de ugnstorkade skummerna.

Slutligen utvecklades en innovativ och miljövänlig metod för att öka laddningen hos cellulosarika fibrer och för att samtidigt skräddarsy fibrerna för en följande ymppolymerisation av akrylsyra till demodifierade fibrerna. Detta gjorde det möjligt att preparera fibrer med en exceptionellt hög laddning av 6,7 mmol/g. Med hjälp av denna höga laddningstäthet visade det sig att fibrerna hade en utmärkt förmåga att adsorbera metylenblått, som modellfärgämne, och bly (II), koppar (II) och zink (II) joner som modellmetalljoner. Detta visar också på den enorma användarpotential dessa högmodifierade fibrer har i olika typer av adsorbentapplikationer.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2024. p. 71
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:8
Keywords
Adsorption, Aerogels, Amyloid nanofibrils, Cellulose, Cellulose nanofibrils, β- lactoglobulin, water treatment, Adsorption, Aerogel, Amyloid nanofibriller, Cellulosa, Cellulosa nanofibriller, β- laktoglobulin, vattenbehandling
National Category
Materials Chemistry Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-342745 (URN)978-91-8040-834-9 (ISBN)
Public defence
2024-02-23, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Mistra - The Swedish Foundation for Strategic Environmental Research, 2015/31
Note

QC 20240131

Available from: 2024-01-31 Created: 2024-01-30 Last updated: 2024-02-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Authority records

Atoufi, ZhalehReid, Michael S.Larsson, Per A.Wågberg, Lars

Search in DiVA

By author/editor
Atoufi, ZhalehReid, Michael S.Larsson, Per A.Wågberg, Lars
By organisation
Fibre TechnologyFibre- and Polymer TechnologyWallenberg Wood Science Center
In the same journal
Carbohydrate Polymers
Paper, Pulp and Fiber TechnologyMaterials Chemistry

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetric score

doi
pubmed
urn-nbn
Total: 82 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