नैनो-संरचित सेलुलोज़ का अल्ट्रासोनिक उत्पादन
नैनोसेलुलोज़, एक उल्लेखनीय उच्च-प्रदर्शन योजक, प्रवाहिकी संशोधक, सुदृढ़ीकरण कारक और विभिन्न उन्नत सामग्रियों के प्रमुख घटक के रूप में अपने बहुमुखी उपयोगों के कारण प्रमुखता प्राप्त कर चुका है। किसी भी सेलुलोज़-युक्त स्रोत से प्राप्त इन नैनो-संरचित सूक्ष्म तंतुओं को उच्च-शक्ति अल्ट्रासोनिक समांगीकरण और पिसाई द्वारा कुशलतापूर्वक पृथक किया जा सकता है। सोनिकेशन के नाम से जानी जाने वाली यह प्रक्रिया सूक्ष्म तंतु निर्माण को उल्लेखनीय रूप से बढ़ाती है, जिससे नैनोसेलुलोज़ की अधिक उपज मिलती है और अधिक महीन, अधिक पतले रेशे बनते हैं। कैविटेशन के कारण अत्यधिक उच्च अपरूपण बल उत्पन्न करने की अपनी क्षमता के कारण अल्ट्रासोनिक तकनीक पारंपरिक विनिर्माण विधियों से बेहतर प्रदर्शन करती है, जिससे यह नैनोसेलुलोज़ उत्पादन के लिए एक असाधारण साधन बन जाती है।
नैनोसेलुलोज़ का अल्ट्रासोनिक विनिर्माण
उच्च-शक्ति अल्ट्रासोनिक्स लकड़ी, लिग्नोसेलुलोसिक रेशों (लुगदी के रेशों) और सेलुलोज़-युक्त अवशेषों जैसे सेलुलोसिक सामग्रियों के विभिन्न स्रोतों से सूक्ष्म और नैनो-सेलुलोज़ के निष्कर्षण तथा पृथक्करण में योगदान देता है।
स्रोत सामग्री से पादप रेशों को मुक्त करने के लिए, अल्ट्रासोनिक पिसाई और समांगीकरण एक शक्तिशाली और विश्वसनीय विधि है, जिससे बहुत बड़ी मात्राओं का प्रसंस्करण किया जा सकता है। लुगदी को एक इनलाइन सोनोरीएक्टर में डाला जाता है, जहाँ अल्ट्रासोनिक उच्च अपरूपण बल बायोमास की कोशिकीय संरचना को तोड़ते हैं, जिससे सूक्ष्म तंतुमय पदार्थ उपलब्ध हो जाता है।
अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके नैनोसेलुलोज़ की स्लरियों को विश्वसनीय रूप से परिक्षेपित किया जाता है। चित्र में उच्च-प्रदर्शन सोनिकेटर UIP2000hdT को बैच व्यवस्था में दिखाया गया है।
[Bittencourt et al. 2008]
“कभी न सुखाई गई कपास” (NDC) का TEM चित्र, जिसे एंज़ाइमीय जल-अपघटन के अधीन किया गया और Hielscher सोनिकेटर UP400S से 20 मिनट तक सोनिकेट किया गया। [Bittencourt et al. 2008]
नीचे चित्र 2 में विस्कोस की एक फिल्म का SEM चित्र दिखाया गया है, जिसे एंज़ाइमीय जल-अपघटन के अधीन किया गया और उसके बाद Hielscher सोनिकेटर मॉडल UP400S से सोनिकेशन किया गया.
[Bittencourt et al. 2008]
विस्कोस की एक फिल्म का SEM चित्र, जिसे एंज़ाइमीय जल-अपघटन के अधीन किया गया और उसके बाद UP400S से सोनिकेशन किया गया [Bittencourt et al. 2008]
अल्ट्रासोनिक नैनोसेलुलोज़ प्रसंस्करण को TEMPO-ऑक्सीकृत रेशों के उपचार के साथ भी सफलतापूर्वक संयोजित किया जा सकता है। TEMPO प्रक्रिया में, एक ऑक्सीकरण प्रणाली द्वारा सेलुलोज़ नैनोरेशों का उत्पादन किया जाता है, जिसमें उत्प्रेरक के रूप में 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl (TEMPO), तथा सोडियम ब्रोमाइड (NaBr) और सोडियम हाइपोक्लोराइट (NaOCl) का उपयोग किया जाता है। अनुसंधान ने सिद्ध किया है कि जब ऑक्सीकरण अल्ट्रासोनिक विकिरण के अंतर्गत किया जाता है, तो ऑक्सीकरण की दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है।
नैनोसेलुलोज़ का अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण
नैनोसेलुलोज़ की कम सांद्रताओं पर उच्च श्यानता के कारण नैनोसेलुलोज़ परिक्षेपण असाधारण प्रवाहिकीय व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। इससे नैनोसेलुलोज़ विभिन्न अनुप्रयोगों, जैसे लेपन, कागज़ या खाद्य उद्योग में, प्रवाहिकी संशोधक, स्थिरीकारक और जेल बनाने वाले कारक के रूप में एक बहुत ही रोचक योजक बन जाता है। अपने विशिष्ट गुणों को प्रदर्शित करने के लिए, नैनोसेलुलोज़ को होना चाहिए
महीन आकार के, अलग-अलग परिक्षेपित नैनोसेलुलोज़ को प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण आदर्श विधि है। चूँकि अपरूपण के प्रभाव में नैनोसेलुलोज़ की श्यानता बहुत अधिक घटती है, इसलिए नैनोसेलुलोसिक निलंबन तैयार करने के लिए उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड वरीय तकनीक है, क्योंकि द्रवों में उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड ऊर्जा का युग्मन अत्यधिक अपरूपण बल उत्पन्न करता है।
द्रवों में अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के बारे में अधिक जानने के लिए यहाँ क्लिक करें!
नैनोक्रिस्टलीय सेलुलोज़ के संश्लेषण के बाद, अंतिम उत्पाद (जैसे नैनोकम्पोज़िट, प्रवाहिकी संशोधक आदि) तैयार करने के लिए नैनोसेलुलोज़ को अक्सर अल्ट्रासोनिक विधि से किसी द्रव माध्यम में परिक्षेपित किया जाता है, उदाहरण के लिए किसी अध्रुवीय या ध्रुवीय विलायक, जैसे डाइमेथिलफॉर्मामाइड (DMF), में। चूँकि CNFs का उपयोग अनेक प्रकार के फॉर्मूलेशनों में योजकों के रूप में किया जाता है, इसलिए विश्वसनीय परिक्षेपण अत्यंत आवश्यक है। अल्ट्रासोनिकेशन स्थिर और समान रूप से परिक्षेपित सूक्ष्म तंतु उत्पन्न करता है।
सेलुलोज़ नैनोक्रिस्टलों का अल्ट्रासोनिक स्व-संयोजन
अल्ट्रासोनिकेशन, जल-अपघटन से बने समुच्चयों को तोड़कर, तंतु-पुंजों को फैलाकर और पुनरुत्पादनीय कण अंतःक्रियाओं वाले अधिक एकसमान निलंबन बनाकर, सेल्यूलोज़ नैनोक्रिस्टलों (CNCs) के संश्लेषण और प्रसंस्करण को संभव बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। हालाँकि CNCs सामान्यतः अम्लीय जल-अपघटन द्वारा बनाए जाते हैं, लेकिन परिणामी सामग्री में अक्सर गुच्छों में एकत्रित क्षेत्र होते हैं, जो विश्वसनीय स्व-संयोजन में बाधा डाल सकते हैं और रियोलॉजी तथा प्रकाशीय गुणों में बैच-दर-बैच भिन्नता पैदा कर सकते हैं। संश्लेषण के बाद नियंत्रित अल्ट्रासोनिक ऊर्जा लगाने से परिक्षेपण की गुणवत्ता सुधरती है और CNC की आकारिकी को मानकीकृत करने में सहायता मिलती है, जो सुसंगत कोलेस्टेरिक क्रमबद्धता, पूर्वानुमेय जेल निर्माण व्यवहार और CNC-आधारित कार्यात्मक सामग्रियों के ऐसे निर्माण के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जिसका पैमाना बढ़ाया जा सके। अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा संवर्धित CNCs के स्व-संयोजन के बारे में अधिक जानें!
अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा सेल्यूलोज़ नैनोफाइबरों के निर्जलीकरण में सुधार
अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा संवर्धित सेल्यूलोज़ नैनोफाइबरों का निर्जलीकरण एक अत्याधुनिक तकनीक है, जो पानी हटाने की दक्षता में उल्लेखनीय सुधार करती है – जिससे सेल्यूलोज़ नैनोफाइबर नैनोपेपर उत्पादन के लिए एक अत्यंत आकर्षक योजक बन जाते हैं। नैनोसेल्यूलोज़ तंतुओं की उच्च जल धारण क्षमता के कारण उनके निर्जलीकरण में सामान्यतः काफी समय लगता है। अल्ट्रासोनिक तरंगें लगाने से तीव्र कैविटेशन बल उत्पन्न होते हैं, जो जल मैट्रिक्स को भंग करते हैं और पानी को अधिक तेज़ी से तथा अधिक एकसमान रूप से बाहर निकालने में सहायता करते हैं, जिससे इस प्रक्रिया में तेज़ी आती है। इससे न केवल सुखाने का समय घटता है, बल्कि परिणामी सेल्यूलोज़ नैनोफाइबरों की संरचनात्मक अखंडता और यांत्रिक गुण भी बेहतर होते हैं, जिससे यह उच्च गुणवत्ता वाले नैनोपेपरों और अन्य नैनोसामग्रियों के उत्पादन में एक अत्यंत प्रभावी विधि बन जाती है।
नैनोपेपर के अल्ट्रासोनिक निर्जलीकरण के बारे में अधिक जानें!
उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके नैनोसेल्यूलोज़ का औद्योगिक उत्पादन
Hielscher Ultrasonics शक्तिशाली और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक समाधानों की एक व्यापक श्रृंखला प्रदान करता है, जिसमें प्रयोगशाला स्तर के छोटे अल्ट्रासोनिकेटरों से लेकर बड़े पैमाने की औद्योगिक प्रणालियाँ शामिल हैं, जो नैनोसेल्यूलोज़ के व्यावसायिक प्रसंस्करण के लिए आदर्श हैं। Hielscher के औद्योगिक प्रोब-प्रकार सोनिकेटरों का मुख्य लाभ विभिन्न आकारों और ज्यामितियों में उपलब्ध उनके प्रवाह-पार सोनो-रिएक्टरों के माध्यम से इष्टतम अल्ट्रासोनिक परिस्थितियाँ प्रदान करने की उनकी क्षमता है। ये रिएक्टर सुनिश्चित करते हैं कि सेल्यूलोज़ सामग्री पर अल्ट्रासाउंड ऊर्जा लगातार और एकसमान रूप से लगाई जाए, जिससे प्रसंस्करण के श्रेष्ठ परिणाम मिलते हैं।
Hielscher के बेंच-टॉप सोनिकेटर, जैसे UIP1000hdT, UIP2000hdT और UIP4000hdT, प्रतिदिन कई किलोग्राम नैनोसेल्यूलोज़ का उत्पादन करने में सक्षम हैं, जिससे वे मध्यम पैमाने की उत्पादन आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त हैं। बड़े पैमाने के व्यावसायिक उत्पादन के लिए UIP10000 और UIP16000hdT जैसी पूर्ण औद्योगिक इकाइयाँ बड़े द्रव्यमान प्रवाहों को संभाल सकती हैं, जिससे बड़ी मात्रा में नैनोसेल्यूलोज़ का कुशल उत्पादन संभव होता है।
Hielscher की अल्ट्रासोनिक प्रणालियों के सबसे महत्वपूर्ण लाभों में से एक उनकी रैखिक रूप से पैमाना बढ़ाने की क्षमता है। बेंच-टॉप और औद्योगिक, दोनों प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर समूहों में स्थापित किए जा सकते हैं, जिससे व्यावहारिक रूप से असीमित प्रसंस्करण क्षमता मिलती है। इस कारण वे नैनोसेल्यूलोज़ उत्पादन में उच्च प्रसंस्करण क्षमता और विश्वसनीय प्रदर्शन की आवश्यकता वाले परिचालनों के लिए एक आदर्श विकल्प हैं।
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण: Hielscher व्यवहार्यता और अनुकूलन से लेकर व्यावसायिक उत्पादन तक आपका मार्गदर्शन करता है!
- उच्च स्तर का तंतुविभाजन
- नैनोसेल्यूलोज़ की उच्च उपज
- पतले तंतु
- सुलझे हुए तंतु
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण
Hielscher का प्रयोगशाला अल्ट्रासोनिकेटर UP400S (400W, 24kHz)
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 0.5 से 1.5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 से 150L | 3 से 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | अधिक | उपकरणों का समूह: UIP16000 |
नैनोसेल्यूलोज़ क्या है?
नैनोसेल्यूलोज़ में विभिन्न प्रकार के सेल्यूलोज़ नैनोफाइबर (CNF) शामिल हैं, जिन्हें माइक्रोफाइब्रिलित सेल्यूलोज़ (MFC), नैनोक्रिस्टलीय सेल्यूलोज़ (NCC) और जीवाणुजनित नैनोसेल्यूलोज़ में विभाजित किया जा सकता है। अंतिम प्रकार का तात्पर्य जीवाणुओं द्वारा उत्पादित नैनो-संरचित सेल्यूलोज़ से है।
नैनोसेल्यूलोज़ में असाधारण मजबूती और कठोरता, उच्च क्रिस्टलीयता, थिक्सोट्रॉपी तथा इसकी सतह पर हाइड्रॉक्सिल समूहों की उच्च सांद्रता जैसे उत्कृष्ट गुण होते हैं। नैनोसेल्यूलोज़ की उच्च कार्यक्षमता वाली अनेक विशेषताएँ इसके उच्च सतह क्षेत्रफल/द्रव्यमान अनुपात के कारण होती हैं।
नैनोसेल्यूलोज़ की उपलब्धता, जैवसंगतता, जैविक अपघटनीयता और टिकाऊपन के कारण इसका चिकित्सा और औषधि क्षेत्र, इलेक्ट्रॉनिक्स, झिल्लियों, सरंध्र पदार्थों, कागज़ और खाद्य पदार्थों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अपनी उच्च कार्यक्षमता वाली विशेषताओं के कारण, नैनोसेल्यूलोज़ प्लास्टिक को प्रबलित करने और, उदाहरण के लिए, थर्मोसेटिंग रेज़िन, स्टार्च-आधारित मैट्रिक्स, सोया प्रोटीन, रबर लेटेक्स या पॉली(लैक्टाइड) के यांत्रिक गुणों को बेहतर बनाने के लिए एक दिलचस्प पदार्थ है। समग्र पदार्थों से जुड़े अनुप्रयोगों में नैनोसेल्यूलोज़ का उपयोग लेपों और फ़िल्मों, पेंट, फोम तथा पैकेजिंग के लिए किया जाता है। इसके अलावा, नैनोसेल्यूलोज़ समांगी फ़ॉर्मूलेशनों या समग्र पदार्थों में एरोजेल और फोम बनाने के लिए एक संभावनाशील घटक है।
संक्षिप्त रूप:
नैनोक्रिस्टलीय सेल्यूलोज़ (NCC)
सेल्यूलोज़ नैनोफाइबर (CNF)
माइक्रोफाइब्रिलित सेल्यूलोज़ (MFC)
नैनोसेल्यूलोज़ व्हिस्कर्स (NCW)
सेल्यूलोज़ नैनोक्रिस्टल (CNC)
साहित्य / संदर्भ
- E. Abraham, B. Deep, L.A. Pothan, M. Jacob, S. Thomas, U. Cvelbar, R. Anandjiwala (2011): Extraction of nanocellulose fibrils from lignocellulosic fibres: A novel approach. Carbohydrate Polymers 86, 2011. 1468–1475.
- E. Bittencourt, M. de Camargo (2011): Preliminary Studies on the Production of Nanofibrils of Cellulose from Never Dried Cotton, using Eco-friendly Enzymatic Hydrolysis and High-energy Sonication. 3rd Int’l. Workshop: Advances in Cleaner Production. Sao Paulo, Brazil, May 18th – 20th 2011.
- L. S. Blachechen, J. P. de Mesquita, E. L. de Paula, F. V. Pereira, D. F. S. Petri (2013): Interplay of colloidal stability of cellulose nanocrystals and their dispersibility in cellulose acetate butyrate matrix. Cellulose 2013.
- A. Dufresne (2012): Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Walter de Gruyter, 2012.
- M. A. Hubbe; O. J. Rojas; L. A. Lucia, M. Sain (2008): Cellulosic Nanocomposites: A Review. BioResources 3/3, 2008. 929-980.
- S. P. Mishra, A.-S. Manent, B. Chabot, C. Daneault (2012): Production of Nanocellulose from Native Cellulose – Various Options using Ultrasound. BioResources 7/1, 2012. 422-436.
- Matjaž Kunaver, Alojz Anžlovar, Ema Žagar (2016): The fast and effective isolation of nanocellulose from selected cellulosic feedstocks. Carbohydrate Polymers, Volume 148, 2016. 251-258.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Nanocellulose