Percepatan Penghilangan Air dari Nanofiber Selulosa untuk Produksi Kertas

Sonikasi yang dikombinasikan dengan modifikasi menggunakan asam laktat (LA) merupakan pendekatan ramah lingkungan untuk mempercepat proses penghilangan air dari nanofiber selulosa (CNFs) untuk produksi kertas. Nanofiber selulosa dikenal memiliki kemampuan retensi air yang tinggi, sehingga menyebabkan penundaan yang signifikan dalam proses drainase, yaitu tahap penting dalam pembuatan kertas nano dan aplikasi nanoselulosa lainnya. Metode ini mengurangi waktu drainase sebesar 75%, dari 45 menit menjadi 10 menit, melalui esterifikasi gugus hidroksil selulosa oleh asam laktat selama sonikasi. Modifikasi ini juga menurunkan viskositas suspensi dan terbukti dapat ditingkatkan skalanya untuk industri, sehingga menawarkan solusi praktis untuk meningkatkan efisiensi dan laju produksi produk berbasis nanofiber selulosa.

Penghilangan air secara cepat dari nanofiber selulosa yang dimodifikasi dengan asam laktat selama sonikasi
(Studi dan gambar: ©Sethi et al., 2018)

Peningkatan Efisiensi Penghilangan Air dari Nanofiber Selulosa melalui Modifikasi dengan Asam Laktat secara Ultrasonik

Nanofiber selulosa (CNFs) dikenal memiliki banyak manfaat dalam produksi kertas, seperti meningkatkan kekuatan dan memodifikasi reologi. Namun, salah satu kekurangan yang signifikan adalah waktu yang sangat lama untuk mengalirkan air keluar dari suspensi nanofiber selulosa, yaitu tahap penting dalam pembuatan kertas nano. Tantangan ini tidak hanya memengaruhi produksi kertas nano, tetapi juga menghambat pemrosesan nanoselulosa menjadi produk jadi lainnya secara industri. Lamanya waktu drainase terutama disebabkan oleh retensi air yang tinggi oleh nanofiber selulosa, yang menjadi hambatan dalam komersialisasi produk turunan nanofiber selulosa.
Di bawah ini, kami menyajikan hasil studi ilmiah oleh Sethi dan rekan-rekannya (2018), yang mengembangkan modifikasi nanofiber selulosa dengan asam laktat berbantuan ultrasonik, sehingga menghasilkan penghilangan air dari CNFs yang 75% lebih cepat serta peningkatan fungsi material.

Modifikasi Ultrasonik Nanofiber Selulosa dengan Asam Laktat

Untuk mengatasi masalah ini, telah dikembangkan pendekatan ramah lingkungan berbasis air yang melibatkan energi sonikasi dan asam laktat (LA) untuk memodifikasi permukaan nanofiber selulosa. Metode ini mempercepat proses penghilangan air secara signifikan, dengan mengurangi waktu drainase hingga 75%.
Proses modifikasi melibatkan pengenceran suspensi nanofiber selulosa hingga konsentrasi 0,35 wt.% dan penambahan asam laktat dalam berbagai jumlah relatif terhadap kandungan kering nanofiber selulosa (0,5 kali, 1 kali, 5 kali, dan 10 kali kandungan kering nanofiber selulosa dalam suspensi). Nanofiber, air, dan asam laktat dicampur menggunakan pengaduk berkecepatan tinggi pada 1500 rpm selama 5 menit, kemudian disonikasi dengan sonikator Hielscher UP400S yang dilengkapi ujung titanium (berdiameter 22 mm). Sonikasi dilakukan pada berbagai tingkat energi, dengan energi maksimum yang diberikan sebesar 600 J/ml, yang setara dengan sonikasi selama 10 menit.

Dampak terhadap Waktu Drainase

Modifikasi dengan ultrasonik dan asam laktat memiliki dampak besar terhadap waktu drainase suspensi nanofiber selulosa. Suspensi acuan memerlukan sekitar 45 menit untuk penghilangan air. Setelah modifikasi dengan asam laktat berbantuan sonikasi, waktu ini berkurang menjadi 10 menit, yang menunjukkan peningkatan sebesar 75%. Bahkan dengan sonikasi ringan (5 J/ml), waktu drainase berkurang menjadi separuhnya, yaitu 23 menit. Waktu drainase menurun seiring meningkatnya energi sonikasi, hingga akhirnya mencapai plateau pada sekitar 10 menit.
Peningkatan ini dikaitkan dengan penggantian gugus hidroksil hidrofilik pada selulosa dengan bagian hidrofobik dari asam laktat. Gugus hidroksil terutama bertanggung jawab atas retensi air yang tinggi. Asam laktat, dengan gugus karboksilnya, dapat berpartisipasi dalam reaksi esterifikasi dengan gugus hidroksil selulosa selama sonikasi. Sonikasi menciptakan rongga vakum yang sangat kecil dalam medium cair, yang runtuh dan menghasilkan kondisi ekstrem (suhu 5000 K dan tekanan 1000 atm), yang cukup untuk memicu reaksi kimia, termasuk esterifikasi.

Energi sonikasi terhadap waktu drainase (dalam menit) untuk pembuatan kertas nano (sesuai dengan sampel CNF(1)LA).
Energi sonikasi sebesar 100 J/ml setara dengan sonikasi selama 100 detik, dan seterusnya.
(Studi dan gambar: ©Sethi et al., 2018)

Penurunan Viskositas Suspensi Nanofiber Selulosa

Energi sonikasi juga berkontribusi terhadap penurunan viskositas suspensi nanofiber selulosa. Viskositas berbanding terbalik dengan energi sonikasi, dengan viskositas terendah teramati pada 600 J/ml, diikuti oleh 300 J/ml dan 60 J/ml. Penurunan viskositas ini turut membantu meningkatkan efisiensi penghilangan air.

Relevansi Industri Modifikasi Ultrasonik Nanofiber Selulosa

Metode modifikasi dengan ultrasonik dan asam laktat tidak hanya efektif, tetapi juga sesuai untuk aplikasi industri. Sonikator Hielscher berteknologi mutakhir yang mampu menangani pemrosesan volume besar dapat menyelesaikan tugas ini secara efisien, sehingga metode ini cocok untuk operasi berskala besar.
Selain itu, pendekatan ini memungkinkan penambahan nanofiber selulosa hingga 10 wt.% ke dalam lembaran kertas, dengan penghilangan air yang selesai hanya dalam 2 menit, dibandingkan dengan 23 menit untuk nanofiber selulosa yang tidak dimodifikasi. Peningkatan signifikan ini dapat merevolusi penggunaan nanofiber selulosa dalam pembuatan kertas, dengan mengatasi salah satu hambatan utama dalam komersialisasinya.

Sonikator untuk Nanofiber Selulosa dan Produksi Kertas

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator tipe probe kami:

Desain, Manufaktur dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonikator Hielscher dikenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi ultrasonikator kami secara lancar ke dalam fasilitas industri. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh ultrasonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikasi ISO dan memberikan perhatian khusus pada ultrasonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir dan kemudahan penggunaan. Tentu saja, ultrasonikator Hielscher memenuhi ketentuan CE serta persyaratan UL, CSA dan RoHs.