Modification of native and waste starch by depolymerization and cationization:utilization of modified starch in binding of heavy metal ions from an aqueous solution

• Main Author: Lappalainen, K. (Katja)
• Other Authors: Lajunen, M. (Marja)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2015
• Subjects: cationization; depolymerisation; ionic liquids; metal ion binding; microwave activation; starch; waste starch; depolymerointi; ioninen neste; jätetärkkelys; kationisointi; metalli-ionien sitominen; mikroaaltoaktivointi; tärkkelys
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526209661; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526209661

Abstract Starch is one of the most abundant polysaccharides found in nature and is widely utilized in various fields of industry. Due to the complex structure of native starch it is insoluble in most organic solvents and needs modification prior utilization. In this study, ionic liquids (ILs), modern green chemistry alternatives for common solvents were used as reaction media in starch modification. At first various starch species were depolymerized in 1-allyl-3-methylimidazolium chloride ([AMIM]Cl) with p-TsOH as a catalyst. Microwave activation or conventional bath heating were used as heating methods while HPLC-ELSD was used as an analytical method. All studied starch species depolymerized similarly into water-soluble starch oligomers while microwave activation shortened the depolymerization time considerably compared to oil bath heating. Barley starch was chosen for further experiments, in which various ILs were studied as potential media for starch dissolution and depolymerization. Results suggested that both the anion and the cation part of the IL had an effect on the dissolution and depolymerization of barley starch. After the depolymerization reactions, the depolymerized barley starch was further modified by cationization. [AMIM]Cl was used as the reaction media, microwave activation as the heating method while HPLC-ELSD, 1H NMR and elemental analysis were used as analytical methods. The modified products had DS values from 0.2 to 0.5 depending on the reaction conditions. The products were studied as potential binding agents for heavy metal ions which showed that moderately substituted modified starch (DS 0.4) could be used to bind Cu(II), Fe(III) and Zn(II) ions from an aqueous solution. Finally, potato peel waste was studied as an alternative starch source to produce cationized starch for wastewater purification. Peel waste was pre-treated by alkaline depolymerization after which it was cationized in a water solution to produce cationized products with DS from 0 to 0.35. The cationized peel waste products were studied preliminary as binding agents for Cu(II) ions from a water solution using ICP-OES as an analytical method. The results suggested that when the molar ratio between cationized waste starch and copper was 3:1, cationized waste starch was an effective binding agent for copper ions. === Tiivistelmä Tärkkelys on yksi yleisimmistä luonnossa esiintyvistä polysakkarideista. Sitä hyödynnetään useilla eri teollisuuden aloilla. Monimutkaisen rakenteensa vuoksi tärkkelys on liukenematon useimpiin orgaanisiin liuottimiin ja veteen, minkä vuoksi sitä täytyy modifioida ennen käyttöä. Tässä väitöstutkimuksessa tärkkelyksen modifioinnissa käytettiin ionisia nesteitä reaktioväliaineena. Tutkimuksen alussa eri tärkkelyslajeja depolymeroitiin 1-allyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridissa ([AMIM]Cl) katalyyttinä p-TsOH. Mikroaaltoaktivointia ja haudekuumennusta käytettiin vaihtoehtoisina lämmitysmenetelminä. Reaktion edistymistä ja tuotteiden muodostumista tutkittiin HPLC-ELSD -menetelmällä. Eri tärkkelyslajit depolymeroituivat samankaltaisesti vesiliukoisiksi, lyhytketjuisiksi tärkkelysoligomeereiksi. Mikroaaltoaktivointi lyhensi reaktioaikaa haudekuumennukseen verrattuna. Tutkimuksen seuraavassa vaiheessa tutkittiin ohratärkkelyksen liukoisuutta ja depolymeroitumista eri ionisissa nesteissä. Tulosten perusteella ionisen nesteen sekä anioni- että kationiosa vaikuttivat tärkkelyksen liukenemiseen. Depolymeroidun ohratärkkelyksen modifiointitutkimuksia jatkettiin [AMIM]Cl:ssa kationisoinnilla. Lämmitysmenetelmänä käytettiin mikroaaltoaktivointia. Tuotteet tutkittiin käyttäen alkuaineanalyysiä sekä HPLC-ELSD- että 1H NMR-tekniikoita. Kationisoitujen tuotteiden substituutioaste (DS) vaihteli reaktio-olosuhteista riippuen välillä 0.2–0.5. Saatuja tuotteita tutkittiin raskasmetalli-ionien sitomisessa vesiliuoksesta. Havaittiin, että kohtalaisesti substituoitu (DS 0.4) modifioitu tärkkelys sitoi Cu(II)-, Fe(III)- ja Zn(II)-ioneja vesiliuoksesta. Tutkimuksen loppuosassa tutkittiin perunan kuorijätettä vaihtoehtoisena tärkkelyslähteenä kationisoidun tärkkelyksen valmistamisessa. Kuorijäte esikäsiteltiin kuumentamalla se emäksisessä etanoliliuoksessa, minkä jälkeen sille suoritettiin kationisointi vesiliuoksessa. Kationisten tuotteiden substituutioasteet vaihtelivat välillä 0–0.35. Tuotteiden soveltuvuutta Cu(II)-ionien sitomiseen vesiliuoksesta tutkittiin ICP-OES -menetelmän avulla. Alustavien tulosten mukaan kationisoitu jätetärkkelys sitoi kupari-ioneja vedestä, kun tärkkelyksen ja kuparin moolisuhde oli 3:1.