કાગળના ઉત્પાદન માટે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરમાંથી પાણી દૂર કરવાની ઝડપી પ્રક્રિયા

લેક્ટિક એસિડ (LA) દ્વારા સંશોધન સાથે સોનિકેશનનો સંયુક્ત ઉપયોગ કાગળના ઉત્પાદન માટે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર (CNFs)માંથી પાણી દૂર કરવાની પ્રક્રિયાને ઝડપી બનાવવાનો પર્યાવરણને અનુકૂળ અભિગમ છે. સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર તેમની ઊંચી જળધારણ ક્ષમતા માટે જાણીતા છે, જેના કારણે પાણીના નિતારની પ્રક્રિયામાં નોંધપાત્ર વિલંબ થાય છે; આ પ્રક્રિયા નેનોપેપરની તૈયારી અને નેનોસેલ્યુલોઝના અન્ય ઉપયોગોમાં એક નિર્ણાયક પગલું છે. સોનિકેશન હેઠળ લેક્ટિક એસિડ દ્વારા સેલ્યુલોઝના હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોના એસ્ટરીકરણ મારફતે આ પદ્ધતિ પાણી નિતરવાનો સમય 75% ઘટાડીને 45 મિનિટથી 10 મિનિટ કરે છે. આ સંશોધન સસ્પેન્શનની શ્યાનતા પણ ઘટાડે છે અને તેને ઔદ્યોગિક પાયે વિસ્તારી શકાય છે તે સાબિત થાય છે, જેથી સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર આધારિત ઉત્પાદનોની કાર્યક્ષમતા અને ઉત્પાદન દર વધારવા માટે એક વ્યવહારુ ઉકેલ મળે છે.

સોનિકેશન હેઠળ લેક્ટિક એસિડથી સંશોધિત સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરમાંથી પાણીનું ઝડપી નિષ્કાસન
(અભ્યાસ અને છબી: ©Sethi et al., 2018)

અલ્ટ્રાસોનિક લેક્ટિક એસિડ સંશોધન દ્વારા સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરમાંથી પાણી દૂર કરવાની વધેલી કાર્યક્ષમતા

સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર (CNFs) કાગળના ઉત્પાદનમાં મજબૂતાઈ વધારવા અને પ્રવાહવર્તન બદલવા જેવા તેમના અનેક લાભો માટે જાણીતા છે. જોકે, એક નોંધપાત્ર ખામી એ છે કે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના સસ્પેન્શનમાંથી પાણી નિતારવા માટે અતિશય સમય જરૂરી બને છે, જે નેનોપેપર તૈયાર કરવાનું એક નિર્ણાયક પગલું છે. આ પડકાર નેનોપેપરના ઉત્પાદનને અસર કરે છે એટલું જ નહીં, પરંતુ નેનોસેલ્યુલોઝમાંથી અન્ય તૈયાર ઉત્પાદનો બનાવવાની ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયામાં પણ અવરોધ ઊભો કરે છે. પાણી નિતરવાનો લાંબો સમય મુખ્યત્વે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરની ઊંચી જળધારણ ક્ષમતાને કારણે છે, જે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરમાંથી બનેલા ઉત્પાદનોના વ્યાપારીકરણમાં અવરોધરૂપ છે.
નીચે અમે Sethi અને તેમના સહકર્મીઓ (2018)ના વૈજ્ઞાનિક અભ્યાસનાં પરિણામો રજૂ કરીએ છીએ. તેમણે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના અલ્ટ્રાસોનિક સહાયિત લેક્ટિક એસિડ સંશોધનની પદ્ધતિ વિકસાવી હતી, જેનાથી CNFsમાંથી પાણી 75% વધુ ઝડપથી દૂર થાય છે અને સામગ્રીની કાર્યાત્મક ક્ષમતાઓ સુધરે છે.

લેક્ટિક એસિડ વડે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશોધન

આ સમસ્યાના ઉકેલ માટે સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરની સપાટીનું સંશોધન કરવા સોનિકેશન ઊર્જા અને લેક્ટિક એસિડ (LA)નો ઉપયોગ કરતો પર્યાવરણને અનુકૂળ, પાણી આધારિત અભિગમ વિકસાવવામાં આવ્યો છે. આ પદ્ધતિ પાણી દૂર કરવાની પ્રક્રિયાને નોંધપાત્ર રીતે ઝડપી બનાવે છે અને પાણી નિતરવાનો સમય 75% સુધી ઘટાડે છે.
સંશોધન પ્રક્રિયામાં સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના સસ્પેન્શનને પાતળું કરીને તેની સાંદ્રતા 0.35 wt.% કરવામાં આવે છે અને સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના શુષ્ક દ્રવ્યની માત્રાના પ્રમાણમાં વિવિધ માત્રામાં લેક્ટિક એસિડ ઉમેરવામાં આવે છે (સસ્પેન્શનમાં રહેલા સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના શુષ્ક દ્રવ્યની માત્રાના 0.5 ગણા, 1 ગણા, 5 ગણા અને 10 ગણા). નેનોફાઇબર, પાણી અને લેક્ટિક એસિડને ઊંચી ઝડપના સ્ટિરર વડે 1500 rpm પર 5 મિનિટ સુધી મિશ્રિત કરવામાં આવે છે અને પછી ટાઇટેનિયમ ટિપ (22 mm વ્યાસ) ધરાવતા Hielscher UP400S સોનિકેટરથી સોનિકેશન કરવામાં આવે છે. સોનિકેશન વિવિધ ઊર્જા સ્તરોએ કરવામાં આવે છે, જેમાં આપવામાં આવતી મહત્તમ ઊર્જા 600 J/ml હોય છે, જે 10 મિનિટના સોનિકેશનને અનુરૂપ છે.

પાણી નિતરવાના સમય પર અસર

અલ્ટ્રાસોનિક–લેક્ટિક એસિડ સંશોધનની સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના સસ્પેન્શનમાંથી પાણી નિતરવાના સમય પર ઊંડી અસર પડે છે. સંદર્ભ સસ્પેન્શનમાંથી પાણી દૂર થવામાં આશરે 45 મિનિટ લાગે છે. સોનિકેશન સહાયિત લેક્ટિક એસિડ સંશોધન પછી આ સમય ઘટીને 10 મિનિટ થાય છે, જે 75% સુધારો દર્શાવે છે. હળવા સોનિકેશન (5 J/ml)થી પણ પાણી નિતરવાનો સમય અડધો થઈને 23 મિનિટ થાય છે. સોનિકેશન ઊર્જા વધતાં પાણી નિતરવાનો સમય ઘટે છે અને અંતે લગભગ 10 મિનિટે સ્થિર સ્તરે પહોંચે છે.
આ સુધારો સેલ્યુલોઝના જલસ્નેહી હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોના સ્થાને લેક્ટિક એસિડના જલવિરોધી અંશો આવવાને આભારી છે. ઊંચી જળધારણ ક્ષમતા માટે હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો મુખ્યત્વે જવાબદાર છે. લેક્ટિક એસિડ તેના કાર્બોક્સિલિક જૂથ દ્વારા સોનિકેશન હેઠળ સેલ્યુલોઝના હાઇડ્રોક્સિલ જૂથો સાથે એસ્ટરીકરણ પ્રતિક્રિયામાં ભાગ લઈ શકે છે. સોનિકેશન પ્રવાહી માધ્યમમાં અતિસૂક્ષ્મ શૂન્યાવકાશી પોલાણો બનાવે છે, જે તૂટી પડતાં અત્યંત તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ (5000 K તાપમાન અને 1000 atm દબાણ) પેદા કરે છે; આ પરિસ્થિતિઓ એસ્ટરીકરણ સહિતની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ પ્રેરવા માટે પૂરતી હોય છે.

નેનોપેપરની તૈયારી માટે સોનિકેશન ઊર્જા સામે પાણી નિતરવાનો સમય (મિનિટમાં) (CNF(1)LA નમૂનાને અનુરૂપ).
100 J/ml સોનિકેશન ઊર્જા 100 સેકન્ડના સોનિકેશનને અનુરૂપ છે, વગેરે.
(અભ્યાસ અને છબી: ©Sethi et al., 2018)

સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના સસ્પેન્શનની શ્યાનતામાં ઘટાડો

સોનિકેશન ઊર્જા સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના સસ્પેન્શનની શ્યાનતા ઘટાડવામાં પણ ફાળો આપે છે. શ્યાનતા સોનિકેશન ઊર્જાના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે; સૌથી ઓછી શ્યાનતા 600 J/ml પર જોવા મળે છે, ત્યારબાદ ક્રમશઃ 300 J/ml અને 60 J/ml પર જોવા મળે છે. શ્યાનતામાં આ ઘટાડો પાણી દૂર કરવાની કાર્યક્ષમતા સુધારવામાં વધુ મદદ કરે છે.

સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના અલ્ટ્રાસોનિક સંશોધનની ઔદ્યોગિક પ્રાસંગિકતા

અલ્ટ્રાસોનિક–લેક્ટિક એસિડ સંશોધન પદ્ધતિ અસરકારક હોવા ઉપરાંત ઔદ્યોગિક ઉપયોગો સાથે પણ સુસંગત છે. મોટા જથ્થા પર પ્રક્રિયા કરવા સક્ષમ એવા Hielscher સોનિકેટરો અત્યાધુનિક છે અને આ કાર્ય કાર્યક્ષમતાથી પૂર્ણ કરી શકે છે, જેથી આ પદ્ધતિ મોટા પાયાની કામગીરી માટે યોગ્ય બને છે.
વધુમાં, આ અભિગમ કાગળની શીટમાં 10 wt.% સુધી સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર સમાવવા દે છે અને પાણી દૂર કરવાની પ્રક્રિયા માત્ર 2 મિનિટમાં પૂર્ણ થાય છે, જ્યારે અસંશોધિત સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર માટે 23 મિનિટ લાગે છે. આ નોંધપાત્ર સુધારો સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબરના વ્યાપારીકરણમાં રહેલા મુખ્ય અવરોધોમાંના એકને દૂર કરીને કાગળ બનાવવામાં તેમના ઉપયોગમાં ક્રાંતિ લાવી શકે છે.

સેલ્યુલોઝ નેનોફાઇબર અને કાગળના ઉત્પાદન માટે સોનિકેટરો

નીચેનું કોષ્ટક અમારા પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટરોની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો સંકેત આપે છે:

ડિઝાઇન, ઉત્પાદન અને પરામર્શ – જર્મનીમાં નિર્મિત ગુણવત્તા

Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો તેમની સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા અને ડિઝાઇનનાં ધોરણો માટે જાણીતા છે. મજબૂતાઈ અને સરળ સંચાલન અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોને ઔદ્યોગિક એકમોમાં સરળતાથી સંકલિત કરવા દે છે. Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો કઠોર પરિસ્થિતિઓ અને પડકારજનક વાતાવરણમાં સહેલાઈથી કાર્ય કરે છે.

Hielscher Ultrasonics એક ISO પ્રમાણિત કંપની છે અને અત્યાધુનિક ટેકનોલોજી તથા વપરાશમાં સરળતા ધરાવતા ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટરો પર વિશેષ ભાર મૂકે છે. સ્વાભાવિક રીતે, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો CE અનુરૂપ છે અને UL, CSA તથા RoHsની આવશ્યકતાઓ પૂરી કરે છે.