Ubrzano odvodnjavanje celuloznih nanovlakana za proizvodnju papira

Sonikacija u kombinaciji s modifikacijom mliječnom kiselinom (LA) ekološki je prihvatljiv pristup ubrzavanju procesa odvodnjavanja celuloznih nanovlakana (CNF) za proizvodnju papira. Celulozna nanovlakna poznata su po visokoj sposobnosti zadržavanja vode, koja uzrokuje znatna kašnjenja u procesu ocjeđivanja, ključnom koraku u pripremi nanopapira i drugim primjenama nanoceluloze. Metoda skraćuje vrijeme ocjeđivanja za 75%, s 45 minuta na 10 minuta, esterifikacijom hidroksilnih skupina celuloze mliječnom kiselinom tijekom sonikacije. Ova modifikacija također smanjuje viskoznost suspenzije i pokazuje se prikladnom za povećanje opsega na industrijsku razinu, nudeći praktično rješenje za poboljšanje učinkovitosti i povećanje brzine proizvodnje proizvoda na bazi celuloznih nanovlakana.

Brzo odvodnjavanje celuloznih nanovlakana modificiranih mliječnom kiselinom tijekom sonikacije
(Istraživanje i slika: ©Sethi et al., 2018)

Povećana učinkovitost odvodnjavanja celuloznih nanovlakana ultrazvučnom modifikacijom mliječnom kiselinom

Celulozna nanovlakna (CNF) cijenjena su zbog brojnih prednosti u proizvodnji papira, kao što su povećanje čvrstoće i modifikacija reoloških svojstava. Međutim, jedan je značajan nedostatak pretjerano dugo vrijeme potrebno za ocjeđivanje vode iz suspenzija celuloznih nanovlakana, što je ključan korak u pripremi nanopapira. Taj izazov ne utječe samo na proizvodnju nanopapira, nego i otežava industrijsku preradu nanoceluloze u druge gotove proizvode. Produljeno vrijeme ocjeđivanja prvenstveno je posljedica visoke sposobnosti celuloznih nanovlakana da zadržavaju vodu, što je usko grlo u komercijalizaciji proizvoda dobivenih od celuloznih nanovlakana.
U nastavku predstavljamo rezultate znanstvenog istraživanja koje su proveli Sethi i suradnici (2018), koji su razvili modifikaciju celuloznih nanovlakana mliječnom kiselinom potpomognutu ultrazvukom, koja dovodi do 75% bržeg odvodnjavanja CNF-a i poboljšanih funkcionalnih svojstava materijala.

Ultrazvučna modifikacija celuloznih nanovlakana mliječnom kiselinom

Kako bi se riješio taj problem, razvijen je ekološki prihvatljiv pristup na bazi vode koji uključuje energiju sonikacije i mliječnu kiselinu (LA) za modifikaciju površine celuloznih nanovlakana. Ova metoda znatno ubrzava proces odvodnjavanja, skraćujući vrijeme ocjeđivanja za do 75%.
Postupak modifikacije uključuje razrjeđivanje suspenzija celuloznih nanovlakana do koncentracije od 0,35 wt.% i dodavanje mliječne kiseline u različitim količinama u odnosu na sadržaj suhe tvari celuloznih nanovlakana (0,5 puta, 1 put, 5 puta i 10 puta sadržaj suhe tvari celuloznih nanovlakana u suspenziji). Nanovlakna, voda i mliječna kiselina miješaju se brzohodnom miješalicom pri 1500 rpm tijekom 5 minuta, a zatim se soniciraju sonikatorom Hielscher UP400S opremljenim titanijskim vrhom (promjera 22 mm). Sonikacija se provodi pri različitim razinama energije, uz najveću unesenu energiju od 600 J/ml, što odgovara sonikaciji u trajanju od 10 minuta.

Utjecaj na vrijeme ocjeđivanja

Modifikacija ultrazvukom i mliječnom kiselinom snažno utječe na vrijeme ocjeđivanja suspenzija celuloznih nanovlakana. Za odvodnjavanje referentne suspenzije potrebno je približno 45 minuta. Nakon modifikacije mliječnom kiselinom potpomognute sonikacijom to se vrijeme skraćuje na 10 minuta, što predstavlja poboljšanje od 75%. Čak i uz blagu sonikaciju (5 J/ml), vrijeme ocjeđivanja prepolovljuje se na 23 minute. Vrijeme ocjeđivanja smanjuje se s povećanjem energije sonikacije te se naposljetku ustaljuje na približno 10 minuta.
Ovo poboljšanje pripisuje se zamjeni hidrofilnih hidroksilnih skupina celuloze hidrofobnim dijelovima molekule mliječne kiseline. Hidroksilne skupine prvenstveno su odgovorne za visoko zadržavanje vode. Mliječna kiselina svojom karboksilnom skupinom može sudjelovati u reakciji esterifikacije s hidroksilnim skupinama celuloze tijekom sonikacije. Sonikacija stvara sićušne vakuumske šupljine u tekućem mediju, koje kolabiraju i stvaraju ekstremne uvjete (temperaturu od 5000 K i tlak od 1000 atm), dovoljne za poticanje kemijskih reakcija, uključujući esterifikaciju.

Energija sonikacije u odnosu na vrijeme ocjeđivanja (u minutama) pri pripremi nanopapira (odgovara uzorku CNF(1)LA).
Energija sonikacije od 100 J/ml odgovara sonikaciji u trajanju od 100 sekundi itd.
(Istraživanje i slika: ©Sethi et al., 2018)

Smanjenje viskoznosti suspenzija celuloznih nanovlakana

Energija sonikacije također doprinosi smanjenju viskoznosti suspenzija celuloznih nanovlakana. Viskoznost je obrnuto proporcionalna energiji sonikacije, pri čemu je najniža viskoznost zabilježena pri 600 J/ml, a zatim pri 300 J/ml i 60 J/ml. Ovo smanjenje viskoznosti dodatno doprinosi poboljšanju učinkovitosti odvodnjavanja.

Industrijski značaj ultrazvučne modifikacije celuloznih nanovlakana

Metoda modifikacije ultrazvukom i mliječnom kiselinom nije samo učinkovita nego je i prikladna za industrijske primjene. Najsuvremeniji sonikatori Hielscher, koji mogu obrađivati velike volumene, mogu učinkovito obaviti taj zadatak, što ovu metodu čini prikladnom za postupke velikog opsega.
Osim toga, ovaj pristup omogućuje ugradnju do 10 wt.% celuloznih nanovlakana u listove papira, pri čemu se odvodnjavanje dovršava za samo 2 minute, u usporedbi s 23 minute za nemodificirana celulozna nanovlakna. Ovo značajno poboljšanje može revolucionirati uporabu celuloznih nanovlakana u proizvodnji papira, prevladavajući jednu od glavnih prepreka njihovoj komercijalizaciji.

Sonikatori za celulozna nanovlakna i proizvodnju papira

Tablica u nastavku daje uvid u približni kapacitet obrade naših sonikatora sa sondom:

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je certificirana prema ISO-u koja poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnom uporabom. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL-a, CSA-a i RoHs-a.