Aerogeles de celulosa de la paja de arroz combinada con almidón

Abstract

[ES] La paja de arroz es un residuo agroalimentario que contiene compuestos de gran interés como la celulosa, y cuya revalorización es fundamental en el marco de la economía circular. En el presente trabajo se ha obtenido la fracción celulósica de la paja de arroz mediante extracción en agua subcrítica a 180 oC y cuatro etapas de blanqueo con agua oxigenada. Estas fibras de celulosa fueron sometidas a micro y nano-fibrilación mediante la aplicación de ultrasonidos para la obtención de aerogeles de celulosa. A su vez, se ha analizado el efecto en la estructuración de los aerogeles de su combinación con almidón, a dos proporciones almidón celulosa (2:1 y 4:1), y Poliamida-Amina-Epiclorohedrina (PAE) al 8 % (respecto a solidos totales en cada formulación). Los aerogeles obtenidos fueron caracterizados en sus propiedades mecánicas, densidad y porosidad, aspecto y microestructura, capacidad de absorción y retención de agua y aceite, estabilidad térmica del material, y carácter higroscópico mediante las isotermas de adsorción de agua. En general, los aerogeles presentaron baja densidad (13-30 mg.cm-3) y alta porosidad (98,3-99,3 %), características que se vieron afectadas por la concentración total de sólidos en la dispersión inicial. Una concentración de sólidos inferior al 1 % puede provocar el colapso de la estructura, mientras que una mayor concentración de sólidos fortalece la estructura. El análisis microscópico reveló que la combinación de celulosa y almidón dio lugar a aerogeles donde las fibras celulósicas estuvieron interconectadas por las lamelas formadas por la agregación de material soluble durante la crio-concentración de la dispersión acuosa. Sin embargo, la incorporación de PAE, aunque benefició a los aerogeles de celulosa pura, proporcionó discontinuidad a las lamelas de almidón, lo que repercutió en su estabilidad térmica y en los parámetros relacionados con la fuerza estructural de los aerogeles. Los aerogeles de almidón mostraron una gran capacidad de absorción de aceite (67,1 g aceite.g-1 de aerogel), mientras que los de celulosa presentaron una gran capacidad de absorción de agua (52,7 g agua.g-1 aerogel). La adición de PAE mejoró significativamente las propiedades mecánicas de los aerogeles de celulosa gracias a su efecto entrecruzante y aumentó su capacidad de absorción y retención de aceite, alcanzando 69,0 y 19,9 %, respectivamente. Además, la incorporación de PAE reforzó los microporos del aerogel fomentando la condensación capilar cuando el aerogel se equilibra a humedad relativas altas.

[EN] Rice straw is an agro-food waste that contains compounds of great interest such as cellulose, and its valorization is essential within the framework of the circular economy. In the present work, the cellulose fraction of rice straw has been obtained by subcritical water extraction at 180 °C and four stages of bleaching with hydrogen peroxide. These cellulose fibers were subjected to micro and nano-fibrillation by the application of ultrasound for the production of cellulose aerogels. In turn, the effect on the structuring of the aerogels of their combination with starch, at two starch-cellulose ratios (2:1 and 4:1), and Polyamide-Amine-Epichlorohydrin (PAE) at 8% (with respect to total solids in each formulation) was analyzed. The obtained aerogels were characterized in their mechanical properties, density and porosity, appearance and microstructure, water and oil absorption and retention capacity, thermal stability of the material, and hygroscopic character through water adsorption isotherms. In general, the aerogels presented low density (13-30 mg.cm-3) and high porosity (98.3-99.3%), characteristics that were affected by the total concentration of solids in the initial dispersion. A solids concentration lower than 1% can cause the structure to collapse, while a higher concentration of solids strengthens the structure. Microscopic analysis revealed that the combination of cellulose and starch resulted in aerogels where the cellulose fibers were interconnected by lamellae formed by the aggregation of soluble material during the cryo-concentration of the aqueous dispersion. However, the incorporation of PAE, although it benefited the pure cellulose aerogels, provided discontinuity to the starch lamellae, which affected their thermal stability and parameters related to the structural strength of the aerogels. Starch aerogels showed a high oil absorption capacity (67.1 g oil.g-1 aerogel), while cellulose aerogels showed a high water absorption capacity (52.7 g water.g-1 aerogel). The addition of PAE significantly improved the mechanical properties of the cellulose aerogels thanks to its cross-linking effect and increased their oil absorption and retention capacity, reaching 69.0 and 19.9 g oil.g-1 aerogel, respectively. Additionally, the incorporation of PAE reinforced the micropores of the aerogel promoting capillary condensation when the aerogel is equilibrated to high relative humidity.