نزح المياه المتسارع من ألياف السليلوز النانوية لإنتاج الورق

Sonication في تركيبة مع تعديل حمض اللبنيك (LA) هو نهج صديق للبيئة لتسريع عملية نزح المياه من ألياف السليلوز النانوية (CNFs) لإنتاج الورق. تشتهر ألياف السليلوز النانوية باحتفاظها العالي بالماء ، مما يتسبب في تأخيرات كبيرة في عملية الصرف ، وهي خطوة حاسمة في تحضير الورق النانوي وتطبيقات نانوسليلوز أخرى. تقلل هذه الطريقة من وقت التصريف بنسبة 75٪ ، من 45 دقيقة إلى 10 دقائق ، من خلال أسترة مجموعات هيدروكسيل السليلوز بواسطة حمض اللبنيك تحت صوتنة. يقلل هذا التعديل أيضا من لزوجة التعليق ويثبت أنه قابل للتطوير صناعيا ، مما يوفر حلا عمليا لتعزيز كفاءة ومعدل إنتاج المنتجات القائمة على ألياف السليلوز النانوية.

نزح المياه السريع من ألياف السليلوز النانوية المعدلة حمض اللاكتيك تحت صوتنة
(الدراسة والصورة: ©سيثي وآخرون ، 2018)

تعزيز كفاءة نزح المياه من ألياف السليلوز النانوية عن طريق تعديل حمض اللاكتيك بالموجات فوق الصوتية

يتم الاحتفال بألياف السليلوز النانوية (CNFs) لفوائدها العديدة في إنتاج الورق ، مثل تعزيز القوة وتعديل الريولوجيا. ومع ذلك ، فإن أحد العيوب المهمة هو مقدار الوقت المفرط اللازم لتصريف المياه من معلقات ألياف السليلوز النانوية ، وهي خطوة حاسمة في إعداد الأوراق النانوية. لا يؤثر هذا التحدي على إنتاج الورق النانوي فحسب ، بل يعيق أيضا المعالجة الصناعية للنانوسليلوز في المنتجات النهائية الأخرى. يرجع وقت الصرف المطول في المقام الأول إلى ارتفاع احتباس الماء بواسطة ألياف السليلوز النانوية ، وهو عنق الزجاجة في تسويق المنتجات المشتقة من ألياف السليلوز النانوية.
أدناه ، نقدم لك نتائج دراسة علمية أجراها Sethi وزملاؤه (2018) ، الذين طوروا تعديلا لحمض اللاكتيك بمساعدة الموجات فوق الصوتية لألياف السليلوز النانوية ، مما يؤدي إلى نزح المياه بنسبة 75٪ أسرع من CNFs وتحسين وظائف المواد.

تعديل بالموجات فوق الصوتية من ألياف السليلوز النانوية مع حمض اللبنيك

لمعالجة هذه المشكلة ، تم تطوير نهج صديق للبيئة قائم على الماء يتضمن طاقة صوتنة وحمض اللاكتيك (LA) لتعديل سطح ألياف السليلوز النانوية. تعمل هذه الطريقة على تسريع عملية نزح المياه بشكل كبير ، مما يقلل من وقت الصرف بنسبة تصل إلى 75٪.
تتضمن عملية التعديل تخفيف معلقات ألياف السليلوز النانوية إلى تركيز 0.35٪ بالوزن وإضافة حمض اللاكتيك بكميات مختلفة بالنسبة إلى المحتوى الجاف من ألياف السليلوز النانوية (0.5 مرة ، 1 مرة ، 5 مرات ، و 10 مرات من محتوى السليلوز النانوي الجاف في التعليق). يتم خلط الألياف النانوية والماء وحمض اللاكتيك باستخدام محرك عالي السرعة عند 1500 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق ثم صوتنة مع جهاز صوتي Hielscher UP400S مزود بطرف من التيتانيوم (قطره 22 مم). يتم إجراء صوتنة على مستويات الطاقة المختلفة ، مع أقصى طاقة منقولة من 600 J / ml ، الموافق 10 دقائق من صوتنة.

التأثير على استنزاف الوقت

تعديل حمض اللاكتيك بالموجات فوق الصوتية له تأثير عميق على وقت تصريف معلقات ألياف السليلوز النانوية. يستغرق التعليق المرجعي حوالي 45 دقيقة لنزح المياه. بعد تعديل حمض اللبنيك بمساعدة الصوتنة ، يتم تقليل هذه المرة إلى 10 دقائق ، مما يمثل تحسنا بنسبة 75٪. حتى مع صوتنة خفيفة (5 جول / مل) ، يتم تقليل وقت التصريف إلى النصف إلى 23 دقيقة. يتناقص وقت التصريف مع زيادة طاقة الصوتنة ، ويصل في النهاية إلى هضبة في حوالي 10 دقائق.
ويعزى هذا التحسن إلى استبدال مجموعات الهيدروكسيل المحبة للماء من السليلوز مع شقوق كارهة للماء من حمض اللبنيك. مجموعات الهيدروكسيل مسؤولة بشكل أساسي عن ارتفاع احتباس الماء. يمكن أن يشارك حمض اللبنيك ، بمجموعته الكربوكسيلية ، في تفاعل الأسترة مع مجموعات الهيدروكسيل من السليلوز تحت صوتنة. يخلق Sonication تجاويف فراغ صغيرة في الوسط السائل ، والتي تنهار لإنتاج ظروف قاسية (درجة حرارة 5000 K وضغط 1000 atm) ، وهو ما يكفي للحث على التفاعلات الكيميائية ، بما في ذلك الأسترة.

طاقة Sonication مقابل وقت التصريف (بالدقائق) لإعداد الورق النانوي (المقابلة لعينة CNF (1) LA).
100 J / ml من طاقة الصوتنة يتوافق مع 100 ثانية من الصوتنة ، إلخ.
(الدراسة والصورة: ©سيثي وآخرون ، 2018)

الحد من اللزوجة من معلقات ألياف السليلوز النانوية

تساهم طاقة Sonication أيضا في انخفاض لزوجة معلقات ألياف السليلوز النانوية. تتناسب اللزوجة عكسيا مع طاقة الصوتنة ، مع أدنى لزوجة لوحظت عند 600 جول / مل ، تليها 300 جول / مل و 60 جول / مل. يساعد هذا الانخفاض في اللزوجة بشكل أكبر في تحسين كفاءة نزح المياه.

الأهمية الصناعية لتعديل ألياف السليلوز النانوية بالموجات فوق الصوتية

طريقة تعديل حمض اللاكتيك بالموجات فوق الصوتية ليست فعالة فحسب ، بل متوافقة أيضا مع التطبيقات الصناعية. Hielscher للدولة من بين الفن sonicators قادرة على التعامل مع معالجة كبيرة الحجم يمكن إكمال المهمة بكفاءة، مما يجعل هذه الطريقة مناسبة لعمليات واسعة النطاق.
بالإضافة إلى ذلك ، يسمح هذا النهج بدمج ما يصل إلى 10٪ من ألياف السليلوز النانوية بالوزن في الأوراق الورقية ، مع الانتهاء من نزح المياه في دقيقتين فقط ، مقارنة ب 23 دقيقة لألياف السليلوز النانوية غير المعدلة. يمكن لهذا التحسن الكبير أن يحدث ثورة في استخدام ألياف السليلوز النانوية في صناعة الورق ، والتغلب على إحدى العقبات الرئيسية في تسويقها.

Sonicators لألياف السليلوز النانوية وإنتاج الورق

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الصوتنة من نوع المسبار:

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا

Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.

Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.