Functionalized Green and Sustainable Sponges based on Tree Gum Kondagogu: Preparation, Characterization, and Applications

Rohith Kunjiparambil Ramakrishnan

Doctoral thesis

Abstract:

Stromové pryskyřice jsou přírodní exudáty převážně tropických druhů stromů, které lze považovat za skvělý zdroj obnovitelných a udržitelných polymerů. Tyto hojně dostupné suroviny vykazují dobrou biologickou odbouratelnost, nízkou toxicitu, nízkou pořizovací cenu, dobré fyzikální a chemické vlastnosti a rozmanitost funkčních skupin. Vývoz zpracovaných stromových pryskyřic otevírá v současné době obrovský potenciál pro růst příjmů znevýhodněných komunit a jejich produkce může podpořit hospodářský rozvoj venkova, posílit socioekonomické postavení zranitelných skupin včetně žen, podpořit udržitelný management přírodních zdrojů a přispět ke zmírňováním změny klimatu. Hydrokoloidy ze stromových pryskyřic se již mnoho let hojně používají v potravinářském průmyslu jako stabilizátory, zahušťovadla, emulgátory a pojiva. Pro potravinářský průmysl jsou však vhodné pouze vysoce kvalitní pryskyřice s vyšší čistotou a nekvalitní pryskyřice jsou často považovány za odpad. Je výzvou najít využití pro tyto méně kvalitní bioodpady, které tvoří přibližně 60 % veškeré produkce. V posledních letech vzbudilo pozornost veřejnosti využití těchto gum pro nepotravinářské účely, např. ve farmacii, energetice a v ochraně životního prostředí. Tato práce zkoumá potenciál výroby porézních hub z pryskyřice guma kondagogu, jejímž zdrojem je strom Cochlospermum gossypium. Zaměřená je na jejich využití v environmentálních aplikacích. Ekologicky udržitelná produkce, hojná dostupnost a biologická odbouratelnost, spolu s nízkou toxicitou a nízkou cenou činí tento materiál vhodným pro použití při sanacích životního prostředí. Tato exudátová guma má však svá inherentní omezení, včetně vysoké hydrofility, nízké strukturní stability a nedostatečných mechanických vlastností pro tvorbu stabilních trojrozměrných útvarů. K překonání těchto omezení byly použity různé strategie, včetně síťování, silylace a tvorby nanokompozitních směsí. Výsledné houby byly sice stále biologicky odbouratelné, ale jejich fyzikální, chemické, mechanické a tepelné vlastnosti se výrazně zlepšily. Kromě toho byly vyhodnoceny konkrétní strategie sanace životního prostředí. Hydrofilní polymerní houby mohou být jednoduše přeměněny na lipofilní za pomocí jednoduché metody chemické depozice par a jsou vynikající pro selektivní separaci olej/voda. Iontty zesítěné houby si zachovávají nízkou hustotu a vysoce porézní strukturu, která je vysoce účinná pro adsorpci barviv. Konjugáty gum jsou umožňují ekologickou syntézu nanočástic a zároveň tyto nanočástice ukotvují do porézní houby pro vynikající katalytické vlastnosti. Souhrnně lze říci, že stěžejním bodem této práce je funkcionalizace polymerních hub na bázi stromové pryskyřice guma kondagogu pro environmentální aplikace. Výsledky ukazují vysokou vhodnost gumy kondagogu pro výrobu polymerních hub. Velkým přínosem je možnost přeměny jinak odpadního materiálu v užitečný nástroj pro vývoj špičkových aplikací.

Abstract:

Tree gums are natural exudates of various tree species, making up a group of renewable and sustainable polymers. These abundantly available tree gums exhibit good biodegradability, non-toxicity, low cost, good physical and chemical qualities, and functional diversity. Nowadays, their processed exports open an enormous potential for income growth, and their production can promote further economic development and secure rural livelihoods, empower vulnerable groups, including women, and promote integration with natural resource management and climate change mitigation. For many years, tree gum hydrocolloids have been used extensively in the food industry as stabilizers, thickeners, emulsifiers, and binders. However, only high-grade gums with better purity are suitable for the food industry, and low-grade gums are often discarded. It is a challenge to find a use for these low-grade biowastes, which account for about 60% of all gross production. In recent years, the use of these gums for non-food applications such as medications, energy, and the environment has sparked public attention. This thesis investigates the potential of sponge fabrication by tree gum kondagogu (Cochlospermum gossypium), focusing on their use in environmental applications. Its sustainability, abundant availability, and biodegradability, combined with non-toxicity and low cost make this material suitable for environmental remediation. However, this exudate gum has inherent limitations, including high hydrophilicity, structural stability, and low mechanical properties for stable three-dimensional structures. Different strategies have been employed to overcome these limitations, including crosslinking, silylation, and nanocomposite formations. While the resulting sponges were still biodegradable, their physical and chemical, mechanical, and thermal qualities were vastly improved. In addition, specific environmental remediation strategies have been evaluated. Hydrophilic gum sponges can be converted into hydrophobic and oleophilic by a simple chemical vapor deposition method and are excellent for selective oil/water separation. Ionically crosslinked sponges retain a low density and highly porous structure, which is highly efficient for dye adsorption. The gum conjugates emphasize the green synthesis of nanoparticles and, at the same time, embed these nanoparticles on the sponges for excellent catalytic application. To summarize, this work emphasizes the functionalization of tree gum kondagogu-based sponges for environmental applications. The results demonstrate the great future opportunities of tree gum kondagogu for sponge production. In addition, the added value of gum waste may be a useful resource for the development of cutting-edge applications.

Keywords

guma kondagogu, polymerní houby, environmentální aplikace, biologická rozložitelnost.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 12. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Dr. Vinod Vellora Thekkae Padil, Ph.D.

Technical University of Liberec

Technical University of Liberec

Doctoral programme / field:
Nanotechnology / Nanotechnology