कागज़ उत्पादन के लिए सेलूलोज़ नैनोफाइबरों से त्वरित जल निष्कासन

लैक्टिक अम्ल (LA) संशोधन के साथ सोनिकेशन का संयोजन कागज़ उत्पादन के लिए सेलूलोज़ नैनोफाइबरों (CNFs) से जल निष्कासन की प्रक्रिया को तेज़ करने का एक पर्यावरण-अनुकूल तरीका है। सेलूलोज़ नैनोफाइबर अपनी उच्च जल धारण क्षमता के लिए जाने जाते हैं, जिसके कारण जल निकासी की प्रक्रिया में काफ़ी विलंब होता है। यह प्रक्रिया नैनोपेपर तैयार करने और नैनोसेलूलोज़ के अन्य अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण चरण है। यह विधि सोनिकेशन के दौरान लैक्टिक अम्ल द्वारा सेलूलोज़ के हाइड्रॉक्सिल समूहों के एस्टरीकरण के माध्यम से जल निकासी का समय 75% घटाकर 45 मिनट से 10 मिनट कर देती है। यह संशोधन निलंबन की श्यानता भी घटाता है और औद्योगिक पैमाने तक विस्तार योग्य सिद्ध होता है, जिससे सेलूलोज़ नैनोफाइबर आधारित उत्पादों की दक्षता और उत्पादन दर बढ़ाने का एक व्यावहारिक समाधान मिलता है।

सोनिकेशन के दौरान लैक्टिक अम्ल से संशोधित सेलूलोज़ नैनोफाइबरों से त्वरित जल निष्कासन
(अध्ययन और चित्र: ©Sethi et al., 2018)

अल्ट्रासोनिक लैक्टिक अम्ल संशोधन द्वारा सेलूलोज़ नैनोफाइबरों से जल निष्कासन की बढ़ी हुई दक्षता

सेलूलोज़ नैनोफाइबर (CNFs) कागज़ उत्पादन में अपने अनेक लाभों के लिए प्रसिद्ध हैं, जैसे मज़बूती बढ़ाना और प्रवाहिकी में बदलाव करना। हालांकि, इनकी एक महत्वपूर्ण कमी सेलूलोज़ नैनोफाइबर निलंबनों से पानी निकालने के लिए अत्यधिक समय की आवश्यकता है, जो नैनोपेपर तैयार करने में एक महत्वपूर्ण चरण है। यह चुनौती न केवल नैनोपेपर के उत्पादन को प्रभावित करती है, बल्कि नैनोसेलूलोज़ को अन्य तैयार उत्पादों में बदलने के औद्योगिक प्रसंस्करण में भी बाधा डालती है। जल निकासी में लगने वाला लंबा समय मुख्यतः सेलूलोज़ नैनोफाइबरों की उच्च जल धारण क्षमता के कारण होता है, जो सेलूलोज़ नैनोफाइबरों से बने उत्पादों के व्यावसायीकरण में एक बाधा है।
नीचे हम Sethi और सहकर्मियों (2018) के एक वैज्ञानिक अध्ययन के परिणाम प्रस्तुत करते हैं। उन्होंने सेलूलोज़ नैनोफाइबरों के लिए अल्ट्रासाउंड-सहायित लैक्टिक अम्ल संशोधन विकसित किया, जिससे CNFs से जल निष्कासन 75% अधिक तेज़ होता है और सामग्री के कार्यात्मक गुण बेहतर होते हैं।

लैक्टिक अम्ल से सेलूलोज़ नैनोफाइबरों का अल्ट्रासोनिक संशोधन

इस समस्या को हल करने के लिए सेलूलोज़ नैनोफाइबरों की सतह को संशोधित करने का एक पर्यावरण-अनुकूल, जल-आधारित तरीका विकसित किया गया है, जिसमें सोनिकेशन ऊर्जा और लैक्टिक अम्ल (LA) का उपयोग होता है। यह विधि जल निष्कासन की प्रक्रिया को काफ़ी तेज़ करती है और जल निकासी का समय 75% तक घटाती है।
संशोधन प्रक्रिया में सेलूलोज़ नैनोफाइबर निलंबनों को पतला करके उनकी सांद्रता 0.35 wt.% की जाती है और सेलूलोज़ नैनोफाइबरों की शुष्क सामग्री के सापेक्ष अलग-अलग मात्राओं में लैक्टिक अम्ल मिलाया जाता है (निलंबन में सेलूलोज़ नैनोफाइबरों की शुष्क सामग्री का 0.5 गुना, 1 गुना, 5 गुना और 10 गुना)। नैनोफाइबरों, पानी और लैक्टिक अम्ल को उच्च गति वाले विलोडक से 1500 rpm पर 5 मिनट तक मिलाया जाता है और फिर टाइटेनियम टिप (22 mm व्यास) से युक्त Hielscher UP400S सोनिकेटर से सोनिकेशन किया जाता है। सोनिकेशन विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर किया जाता है, जिसमें अधिकतम प्रदत्त ऊर्जा 600 J/ml होती है, जो 10 मिनट के सोनिकेशन के अनुरूप है।

जल निकासी के समय पर प्रभाव

अल्ट्रासोनिक लैक्टिक अम्ल संशोधन का सेलूलोज़ नैनोफाइबर निलंबनों के जल निकासी समय पर गहरा प्रभाव पड़ता है। संदर्भ निलंबन से जल निष्कासन में लगभग 45 मिनट लगते हैं। सोनिकेशन-सहायित लैक्टिक अम्ल संशोधन के बाद यह समय घटकर 10 मिनट रह जाता है, जो 75% सुधार दर्शाता है। हल्के सोनिकेशन (5 J/ml) से भी जल निकासी का समय आधा होकर 23 मिनट रह जाता है। सोनिकेशन ऊर्जा बढ़ने के साथ जल निकासी का समय घटता है और अंततः लगभग 10 मिनट पर स्थिर हो जाता है।
इस सुधार का कारण सेलूलोज़ के जलस्नेही हाइड्रॉक्सिल समूहों का लैक्टिक अम्ल के जलविरोधी अंशों से प्रतिस्थापन माना जाता है। उच्च जल धारण क्षमता के लिए मुख्यतः हाइड्रॉक्सिल समूह ज़िम्मेदार होते हैं। लैक्टिक अम्ल अपने कार्बोक्सिल समूह के माध्यम से सोनिकेशन के दौरान सेलूलोज़ के हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ एस्टरीकरण अभिक्रिया में भाग ले सकता है। सोनिकेशन द्रव माध्यम में अत्यंत सूक्ष्म निर्वात गुहिकाएँ बनाता है, जो ध्वस्त होकर चरम परिस्थितियाँ (5000 K तापमान और 1000 atm दाब) उत्पन्न करती हैं। ये परिस्थितियाँ एस्टरीकरण सहित रासायनिक अभिक्रियाएँ प्रेरित करने के लिए पर्याप्त होती हैं।

नैनोपेपर तैयार करने के लिए सोनिकेशन ऊर्जा बनाम जल निकासी का समय (मिनट में) (CNF(1)LA नमूने के अनुरूप)।
100 J/ml सोनिकेशन ऊर्जा 100 सेकंड के सोनिकेशन के अनुरूप है, इत्यादि।
(अध्ययन और चित्र: ©Sethi et al., 2018)

सेलूलोज़ नैनोफाइबर निलंबनों की श्यानता में कमी

सोनिकेशन ऊर्जा सेलूलोज़ नैनोफाइबर निलंबनों की श्यानता घटाने में भी योगदान देती है। श्यानता सोनिकेशन ऊर्जा के व्युत्क्रमानुपाती होती है। सबसे कम श्यानता 600 J/ml पर देखी गई, जिसके बाद क्रमशः 300 J/ml और 60 J/ml का स्थान रहा। श्यानता में यह कमी जल निष्कासन की दक्षता बेहतर करने में और सहायता करती है।

अल्ट्रासोनिक सेलूलोज़ नैनोफाइबर संशोधन की औद्योगिक प्रासंगिकता

अल्ट्रासोनिक लैक्टिक अम्ल संशोधन विधि न केवल प्रभावी है, बल्कि औद्योगिक अनुप्रयोगों के अनुकूल भी है। बड़ी मात्रा के प्रसंस्करण में सक्षम Hielscher के अत्याधुनिक सोनिकेटर यह कार्य कुशलतापूर्वक पूरा कर सकते हैं, जिससे यह विधि बड़े पैमाने के संचालन के लिए उपयुक्त बनती है।
इसके अतिरिक्त, इस तरीके से कागज़ की शीटों में 10 wt.% तक सेलूलोज़ नैनोफाइबर शामिल किए जा सकते हैं और जल निष्कासन केवल 2 मिनट में पूरा हो जाता है, जबकि असंशोधित सेलूलोज़ नैनोफाइबरों के लिए 23 मिनट लगते हैं। यह महत्वपूर्ण सुधार कागज़ निर्माण में सेलूलोज़ नैनोफाइबरों के उपयोग में क्रांतिकारी बदलाव ला सकता है और उनके व्यावसायीकरण की प्रमुख बाधाओं में से एक को दूर कर सकता है।

सेलूलोज़ नैनोफाइबरों और कागज़ उत्पादन के लिए सोनिकेटर

नीचे दी गई तालिका हमारे प्रोब-प्रकार के सोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

डिज़ाइन, विनिर्माण और परामर्श – जर्मनी में निर्मित गुणवत्ता

Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी सर्वोच्च गुणवत्ता और डिज़ाइन मानकों के लिए प्रसिद्ध हैं। मज़बूती और आसान संचालन के कारण हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों को औद्योगिक संयंत्रों में सुगमता से एकीकृत किया जा सकता है। Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर कठोर परिस्थितियों और चुनौतीपूर्ण परिवेश में आसानी से काम करते हैं।

Hielscher Ultrasonics एक ISO प्रमाणित कंपनी है और अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी तथा उपयोगकर्ता-अनुकूलता वाले उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटरों पर विशेष ज़ोर देती है। निस्संदेह, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर CE के अनुरूप हैं और UL, CSA तथा RoHs की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।