Ubrzano odvodnjavanje celuloznih nanovlakana za proizvodnju papira

Sonikacija u kombinaciji s modifikacijom mliječne kiseline (LA) je ekološki prihvatljiv pristup za ubrzavanje procesa odvodnje celuloznih nanovlakana (CNF) za proizvodnju papira. Celulozna nanovlakna poznata su po visokom zadržavanju vode, uzrokujući značajna kašnjenja u procesu drenaže, kritičnom koraku u pripremi nanopapira i drugim primjenama nanoceluloze. Metoda smanjuje vrijeme odvodnje za 75%, sa 45 minuta na 10 minuta, putem esterifikacije celuloznih hidroksilnih skupina mliječnom kiselinom pod sonikacijom. Ova modifikacija također smanjuje viskoznost suspenzije i pokazuje se industrijski skalabilnom, nudeći praktično rješenje za povećanje učinkovitosti i stope proizvodnje proizvoda na bazi celuloznih nanovlakana.

Brzo odvodnjavanje celuloznih nanovlakana modificiranih mliječnom kiselinom pod sonikacijom
(Studija i slika: ©Sethi et al., 2018.)

Poboljšana učinkovitost odvodnjavanja celuloznih nanovlakana putem ultrazvučne modifikacije mliječne kiseline

Celulozna nanovlakna (CNF) slavljena su zbog svojih brojnih prednosti u proizvodnji papira, poput povećanja čvrstoće i modificiranja reologije. Međutim, jedan značajan nedostatak je neumjerena količina vremena potrebna za ispuštanje vode iz suspenzije celuloznih nanovlakana, što je ključni korak u pripremi nanopapira. Ovaj izazov ne samo da utječe na proizvodnju nanopapira, već također sprječava industrijsku preradu nanoceluloze u druge gotove proizvode. Produljeno vrijeme drenaže prvenstveno je posljedica visokog zadržavanja vode celuloznih nanovlakana, što je usko grlo u komercijalizaciji proizvoda dobivenih od celuloznih nanovlakana.
U nastavku vam predstavljamo rezultate znanstvenog istraživanja Sethija i suradnika (2018.), koji su razvili ultrazvučno potpomognutu modifikaciju celuloznih nanovlakana mliječnom kiselinom, što dovodi do 75% bržeg odvodnjavanja CNF-a i poboljšane funkcionalnosti materijala.

Ultrazvučna modifikacija celuloznih nanovlakana s mliječnom kiselinom

Kako bi se riješio ovaj problem, razvijen je ekološki prihvatljiv pristup na bazi vode koji uključuje energiju sonikacije i mliječnu kiselinu (LA) za modificiranje površine celuloznih nanovlakana. Ova metoda značajno ubrzava proces odvodnje, skraćujući vrijeme odvodnje do 75%.
Proces modifikacije uključuje razrjeđivanje suspenzije celuloznih nanovlakana do koncentracije od 0,35 wt.% i dodavanje mliječne kiseline u različitim količinama u odnosu na suhi sadržaj celuloznih nanovlakana (0,5 puta, 1 put, 5 puta i 10 puta više od suhog sadržaja celuloznih nanovlakana u suspenzija). Nanovlakna, voda i mliječna kiselina miješaju se pomoću mješalice velike brzine pri 1500 okretaja u minuti tijekom 5 minuta, a zatim se sonicira sonikatorom Hielscher UP400S opremljenim vrhom od titana (22 mm u promjeru). Sonikacija se provodi na različitim razinama energije, s maksimalnom dodijeljenom energijom od 600 J/ml, što odgovara 10 minuta sonikacije.

Utjecaj na vrijeme odvodnje

Modifikacija ultrazvučne mliječne kiseline ima veliki utjecaj na vrijeme ocjeđivanja suspenzija celuloznih nanovlakana. Referentnoj suspenziji potrebno je približno 45 minuta za odvodnjavanje. Nakon modifikacije mliječne kiseline potpomognute sonikacijom, ovo vrijeme je smanjeno na 10 minuta, što predstavlja poboljšanje od 75%. Čak i uz blagu sonikaciju (5 J/ml), vrijeme drenaže je prepolovljeno na 23 minute. Vrijeme ispuštanja smanjuje se s povećanjem energije ultrazvuka, na kraju dostižući plato za oko 10 minuta.
Ovo poboljšanje pripisuje se zamjeni hidrofilnih hidroksilnih skupina celuloze hidrofobnim dijelovima mliječne kiseline. Hidroksilne skupine prvenstveno su odgovorne za visoko zadržavanje vode. Mliječna kiselina, sa svojom karboksilnom skupinom, može sudjelovati u reakciji esterifikacije s hidroksilnim skupinama celuloze pod sonikacijom. Sonikacija stvara male vakuumske šupljine u tekućem mediju, koje kolabiraju i stvaraju ekstremne uvjete (temperatura od 5000 K i tlak od 1000 atm), dovoljne za induciranje kemijskih reakcija, uključujući esterifikaciju.

Energija sonikacije u odnosu na vrijeme odvodnje (u minutama) za pripremu nanopapira (odgovara uzorku CNF(1)LA).
100 J/ml energije ultrazvuka odgovara 100 sekundi sonikacije itd.
(Studija i slika: ©Sethi et al., 2018.)

Smanjenje viskoznosti suspenzija celuloznih nanovlakana

Energija ultrazvuka također doprinosi smanjenju viskoznosti suspenzija celuloznih nanovlakana. Viskoznost je obrnuto proporcionalna energiji ultrazvuka, s najnižom viskoznošću uočenom pri 600 J/ml, zatim 300 J/ml i 60 J/ml. Ovo smanjenje viskoznosti dodatno pomaže u poboljšanju učinkovitosti odvodnje.

Industrijski značaj modifikacije ultrazvučnih celuloznih nanovlakana

Metoda modifikacije ultrazvučne mliječne kiseline nije samo učinkovita, već je i kompatibilna s industrijskom primjenom. Hielscherovi najsuvremeniji sonikatori sposobni za obradu velikih količina mogu učinkovito izvršiti zadatak, čineći ovu metodu prikladnom za operacije velikih razmjera.
Osim toga, ovaj pristup omogućuje ugradnju do 10 wt.% celuloznih nanovlakana u listove papira, s odvodnjavanjem dovršenim za samo 2 minute, u usporedbi s 23 minute za nemodificirana celulozna nanovlakna. Ovo značajno poboljšanje može revolucionirati upotrebu celuloznih nanovlakana u proizvodnji papira, prevladavajući jednu od glavnih prepreka u njihovoj komercijalizaciji.

Sonikatori za celulozna nanovlakna i proizvodnju papira

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših sonikatora tipa sonike:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – Kvaliteta Proizvedeno u Njemačkoj

Hielscher ultrasonicators su poznati po svojim najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućuju glatku integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijske objekte. Teški uvjeti i zahtjevna okruženja lako se nose s Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana tvrtka i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne uređaje visokih performansi koji sadrže najsuvremeniju tehnologiju i jednostavnu su za korištenje. Naravno, Hielscher ultrasonicators sukladni su CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.