Tăng tốc tách nước khỏi sợi nano cellulose để sản xuất giấy

Xử lý siêu âm kết hợp với biến tính bằng axit lactic (LA) là một phương pháp thân thiện với môi trường nhằm tăng tốc quá trình tách nước khỏi sợi nano cellulose (CNF) để sản xuất giấy. Sợi nano cellulose được biết đến với khả năng giữ nước cao, gây chậm trễ đáng kể trong quá trình thoát nước, một bước quan trọng trong chế tạo giấy nano và các ứng dụng cellulose nano khác. Phương pháp này giảm thời gian thoát nước 75%, từ 45 phút xuống còn 10 phút, thông qua phản ứng este hóa các nhóm hydroxyl của cellulose bằng axit lactic dưới tác động siêu âm. Quá trình biến tính này cũng làm giảm độ nhớt của huyền phù và cho thấy khả năng mở rộng lên quy mô công nghiệp, mang lại một giải pháp thiết thực để nâng cao hiệu quả và tốc độ sản xuất các sản phẩm từ sợi nano cellulose.

Tách nước nhanh khỏi sợi nano cellulose được biến tính bằng axit lactic dưới tác động siêu âm
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Sethi và cộng sự, 2018)

Nâng cao hiệu quả tách nước khỏi sợi nano cellulose thông qua biến tính bằng axit lactic có hỗ trợ siêu âm

Sợi nano cellulose (CNF) được đánh giá cao nhờ nhiều lợi ích trong sản xuất giấy, như tăng độ bền và điều chỉnh tính chất lưu biến. Tuy nhiên, một nhược điểm đáng kể là thời gian quá dài cần thiết để thoát nước khỏi huyền phù sợi nano cellulose, một bước quan trọng trong chế tạo giấy nano. Thách thức này không chỉ ảnh hưởng đến sản xuất giấy nano mà còn cản trở việc xử lý cellulose nano ở quy mô công nghiệp để tạo ra các thành phẩm khác. Thời gian thoát nước kéo dài chủ yếu là do khả năng giữ nước cao của sợi nano cellulose, vốn là một nút thắt trong quá trình thương mại hóa các sản phẩm từ sợi nano cellulose.
Dưới đây, chúng tôi trình bày kết quả của một nghiên cứu khoa học do Sethi và cộng sự (2018) thực hiện. Nhóm nghiên cứu đã phát triển phương pháp biến tính sợi nano cellulose bằng axit lactic có hỗ trợ siêu âm, giúp tách nước khỏi CNF nhanh hơn 75% và cải thiện các đặc tính chức năng của vật liệu.

Biến tính sợi nano cellulose bằng axit lactic có hỗ trợ siêu âm

Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp thân thiện với môi trường, sử dụng môi trường nước, năng lượng siêu âm và axit lactic (LA) đã được phát triển nhằm biến tính bề mặt sợi nano cellulose. Phương pháp này tăng tốc đáng kể quá trình tách nước, giảm thời gian thoát nước lên đến 75%.
Quá trình biến tính bao gồm pha loãng huyền phù sợi nano cellulose đến nồng độ 0,35 wt.% và bổ sung axit lactic với các lượng khác nhau so với hàm lượng sợi nano cellulose khô (bằng 0,5 lần, 1 lần, 5 lần và 10 lần hàm lượng sợi nano cellulose khô trong huyền phù). Sợi nano, nước và axit lactic được trộn bằng máy khuấy tốc độ cao ở 1500 rpm trong 5 phút, sau đó được xử lý siêu âm bằng thiết bị siêu âm Hielscher UP400S có đầu titan (đường kính 22 mm). Quá trình xử lý siêu âm được thực hiện ở các mức năng lượng khác nhau, với năng lượng truyền vào tối đa là 600 J/ml, tương ứng với 10 phút xử lý siêu âm.

Ảnh hưởng đến thời gian thoát nước

Quá trình biến tính kết hợp siêu âm và axit lactic có tác động rõ rệt đến thời gian thoát nước của huyền phù sợi nano cellulose. Huyền phù đối chứng cần khoảng 45 phút để tách nước. Sau khi biến tính bằng axit lactic có hỗ trợ siêu âm, thời gian này giảm xuống còn 10 phút, tương ứng với mức cải thiện 75%. Ngay cả khi xử lý siêu âm nhẹ (5 J/ml), thời gian thoát nước cũng giảm một nửa, xuống còn 23 phút. Thời gian thoát nước giảm khi năng lượng siêu âm tăng, cuối cùng đạt mức ổn định ở khoảng 10 phút.
Sự cải thiện này được cho là do các nhóm hydroxyl ưa nước của cellulose được thay thế bằng các phần cấu trúc kỵ nước của axit lactic. Các nhóm hydroxyl là nguyên nhân chính dẫn đến khả năng giữ nước cao. Với nhóm carboxyl của mình, axit lactic có thể tham gia phản ứng este hóa với các nhóm hydroxyl của cellulose dưới tác động siêu âm. Xử lý siêu âm tạo ra các khoang chân không cực nhỏ trong môi trường lỏng; khi sụp đổ, các khoang này tạo ra điều kiện cực hạn (nhiệt độ 5000 K và áp suất 1000 atm), đủ để gây ra các phản ứng hóa học, bao gồm cả phản ứng este hóa.

Năng lượng siêu âm so với thời gian thoát nước (tính bằng phút) trong chế tạo giấy nano (tương ứng với mẫu CNF(1)LA).
Năng lượng siêu âm 100 J/ml tương ứng với 100 giây xử lý siêu âm, v.v.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Sethi và cộng sự, 2018)

Giảm độ nhớt của huyền phù sợi nano cellulose

Năng lượng siêu âm cũng góp phần làm giảm độ nhớt của huyền phù sợi nano cellulose. Độ nhớt tỷ lệ nghịch với năng lượng siêu âm, trong đó độ nhớt thấp nhất được ghi nhận ở 600 J/ml, tiếp theo là 300 J/ml và 60 J/ml. Việc giảm độ nhớt này tiếp tục góp phần nâng cao hiệu quả tách nước.

Ý nghĩa đối với công nghiệp của việc biến tính sợi nano cellulose bằng siêu âm

Phương pháp biến tính kết hợp siêu âm và axit lactic không chỉ hiệu quả mà còn phù hợp với các ứng dụng công nghiệp. Các thiết bị siêu âm tiên tiến nhất của Hielscher, có khả năng xử lý thể tích lớn, có thể thực hiện hiệu quả công việc này, giúp phương pháp phù hợp với các hoạt động quy mô lớn.
Ngoài ra, phương pháp này cho phép bổ sung sợi nano cellulose vào tờ giấy với hàm lượng lên đến 10 wt.%, trong đó quá trình tách nước hoàn tất chỉ trong 2 phút, so với 23 phút đối với sợi nano cellulose chưa biến tính. Sự cải thiện đáng kể này có thể tạo ra bước đột phá trong việc sử dụng sợi nano cellulose để làm giấy, vượt qua một trong những rào cản lớn đối với quá trình thương mại hóa chúng.

Thiết bị siêu âm cho sợi nano cellulose và sản xuất giấy

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm dạng đầu dò của chúng tôi:

Thiết kế, chế tạo và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền cao và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng những điều kiện khắc nghiệt và môi trường có yêu cầu cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu năng cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.