تسريع نزع الماء من ألياف السليلوز النانوية لإنتاج الورق

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية بالاقتران مع التعديل بحمض اللاكتيك (LA) نهجًا صديقًا للبيئة لتسريع عملية نزع الماء من ألياف السليلوز النانوية (CNFs) لإنتاج الورق. وتُعرف ألياف السليلوز النانوية بقدرتها العالية على الاحتفاظ بالماء، مما يسبب تأخيرات كبيرة في عملية تصريف الماء، وهي خطوة أساسية في تحضير الورق النانوي وتطبيقات السليلوز النانوي الأخرى. وتقلل هذه الطريقة زمن تصريف الماء بنسبة 75%، من 45 دقيقة إلى 10 دقائق، من خلال أسترة مجموعات الهيدروكسيل في السليلوز بحمض اللاكتيك أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. ويقلل هذا التعديل أيضًا لزوجة المعلّق، ويثبت قابليته للتوسّع إلى النطاق الصناعي، مما يوفر حلًا عمليًا لتعزيز كفاءة المنتجات القائمة على ألياف السليلوز النانوية ومعدل إنتاجها.

النزع السريع للماء من ألياف السليلوز النانوية المعدّلة بحمض اللاكتيك أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية
(الدراسة والصورة: ©Sethi et al., 2018)

تعزيز كفاءة نزع الماء من ألياف السليلوز النانوية من خلال التعديل بحمض اللاكتيك باستخدام الموجات فوق الصوتية

تُعرف ألياف السليلوز النانوية (CNFs) بفوائدها العديدة في إنتاج الورق، مثل تعزيز المتانة وتعديل الخصائص الريولوجية. إلا أن أحد عيوبها المهمة هو الوقت الطويل جدًا اللازم لتصريف الماء من معلّقات ألياف السليلوز النانوية، وهي خطوة أساسية في تحضير الورق النانوي. ولا يؤثر هذا التحدي في إنتاج الورق النانوي فحسب، بل يعيق أيضًا المعالجة الصناعية للسليلوز النانوي لتحويله إلى منتجات نهائية أخرى. ويرجع طول زمن تصريف الماء أساسًا إلى قدرة ألياف السليلوز النانوية العالية على الاحتفاظ بالماء، مما يشكل عائقًا أمام تسويق المنتجات المشتقة منها.
نعرض فيما يلي نتائج دراسة علمية أجراها Sethi وزملاؤه (2018)، الذين طوّروا طريقة لتعديل ألياف السليلوز النانوية بحمض اللاكتيك بمساعدة الموجات فوق الصوتية، تؤدي إلى نزع الماء من CNFs بسرعة أكبر بنسبة 75% وتحسين الخصائص الوظيفية للمادة.

تعديل ألياف السليلوز النانوية بحمض اللاكتيك باستخدام الموجات فوق الصوتية

لمعالجة هذه المشكلة، طُوّر نهج صديق للبيئة يعتمد على الماء ويستخدم طاقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وحمض اللاكتيك (LA) لتعديل سطح ألياف السليلوز النانوية. وتسرّع هذه الطريقة عملية نزع الماء بدرجة كبيرة، إذ تقلل زمن تصريف الماء بنسبة تصل إلى 75%.
تتضمن عملية التعديل تخفيف معلّقات ألياف السليلوز النانوية إلى تركيز 0.35 wt.% وإضافة حمض اللاكتيك بكميات مختلفة بالنسبة إلى المحتوى الجاف من ألياف السليلوز النانوية (0.5 مرة، و1 مرة، و5 مرات، و10 مرات من المحتوى الجاف لألياف السليلوز النانوية في المعلّق). وتُخلط الألياف النانوية والماء وحمض اللاكتيك باستخدام مقلب عالي السرعة عند 1500 rpm لمدة 5 دقائق، ثم تُعالَج بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز Hielscher UP400S المزوّد بطرف من التيتانيوم (قطره 22 mm). وتُجرى المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند مستويات طاقة مختلفة، بطاقة منقولة قصوى تبلغ 600 J/ml، تقابل 10 دقائق من المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

التأثير في زمن تصريف الماء

للتعديل بحمض اللاكتيك باستخدام الموجات فوق الصوتية تأثير كبير في زمن تصريف الماء من معلّقات ألياف السليلوز النانوية. ويستغرق نزع الماء من المعلّق المرجعي نحو 45 دقيقة. وبعد التعديل بحمض اللاكتيك بمساعدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، ينخفض هذا الزمن إلى 10 دقائق، مما يمثل تحسنًا بنسبة 75%. وحتى مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية بطاقة منخفضة (5 J/ml)، ينخفض زمن تصريف الماء إلى النصف، ليبلغ 23 دقيقة. ويتناقص زمن تصريف الماء مع زيادة طاقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، حتى يستقر في النهاية عند نحو 10 دقائق.
ويُعزى هذا التحسن إلى استبدال مجموعات الهيدروكسيل المحبة للماء في السليلوز بأجزاء كارهة للماء من حمض اللاكتيك. وتُعد مجموعات الهيدروكسيل المسؤول الرئيسي عن القدرة العالية على الاحتفاظ بالماء. ويمكن لحمض اللاكتيك، بفضل مجموعة الكربوكسيل التي يحتوي عليها، أن يشارك في تفاعل أسترة مع مجموعات الهيدروكسيل في السليلوز أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وتُنشئ المعالجة بالموجات فوق الصوتية تجاويف فراغية متناهية الصغر في الوسط السائل، تنهار لتنتج ظروفًا شديدة (درجة حرارة 5000 K وضغط 1000 atm)، تكفي لتحفيز تفاعلات كيميائية، بما فيها الأسترة.

طاقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية مقابل زمن تصريف الماء (بالدقائق) لتحضير الورق النانوي (بما يقابل العينة CNF(1)LA).
تقابل طاقة معالجة بالموجات فوق الصوتية مقدارها 100 J/ml مدة معالجة بالموجات فوق الصوتية قدرها 100 ثانية، وهكذا.
(الدراسة والصورة: ©Sethi et al., 2018)

تقليل لزوجة معلّقات ألياف السليلوز النانوية

تسهم طاقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية أيضًا في خفض لزوجة معلّقات ألياف السليلوز النانوية. وتتناسب اللزوجة عكسيًا مع طاقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية، إذ لوحظت أدنى لزوجة عند 600 J/ml، تليها اللزوجة عند 300 J/ml ثم عند 60 J/ml. ويساعد هذا الانخفاض في اللزوجة أيضًا على تحسين كفاءة نزع الماء.

الأهمية الصناعية لتعديل ألياف السليلوز النانوية بالموجات فوق الصوتية

تتميز طريقة التعديل بحمض اللاكتيك باستخدام الموجات فوق الصوتية بفعاليتها وتوافقها مع التطبيقات الصناعية. ويمكن لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المتطورة من Hielscher، القادرة على معالجة أحجام كبيرة، إنجاز هذه المهمة بكفاءة، مما يجعل هذه الطريقة مناسبة للعمليات واسعة النطاق.
ويتيح هذا النهج أيضًا إدماج ألياف السليلوز النانوية بنسبة تصل إلى 10 wt.% في صفائح الورق، مع إتمام نزع الماء خلال 2 دقيقة فقط، مقارنةً بـ23 دقيقة لألياف السليلوز النانوية غير المعدّلة. ويمكن لهذا التحسن الكبير أن يُحدث تحولًا جذريًا في استخدام ألياف السليلوز النانوية في صناعة الورق، من خلال تجاوز إحدى العقبات الرئيسية أمام تسويقها.

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لألياف السليلوز النانوية وإنتاج الورق

يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار:

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صُنعت في ألمانيا

تشتهر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بأعلى معايير الجودة والتصميم. وتتيح المتانة وسهولة التشغيل دمج أجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسلاسة في المنشآت الصناعية. وتتعامل أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات ذات المتطلبات الصعبة.

Hielscher Ultrasonics شركة حاصلة على شهادة ISO، وتولي اهتمامًا خاصًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. وبالطبع، تتوافق أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher مع CE وتلبي متطلبات UL وCSA وRoHs.