本文綜述了昆山舒美超聲波清洗器超聲波處理廢紙纖維在提高再生紙的紙頁性能、強化生產可發(fā)酵糖和乙醇、輔助纖維素納米纖維的制備,以及提高水泥建材耐久性等方面的應用,分析了超聲波功率與頻率、超聲波作用時間、溫度和懸浮固體濃度等超聲波處理過程中的影響因素,探討了超聲波處理對纖維素結晶性質、化學結構和化學反應可及性的影響。 最后對當前超聲波處理廢紙纖維研究領域存在的問題進行了分析,并展望了未來的發(fā)展方向。
1 超聲波功率和頻率
昆山舒美超聲波清洗器超聲波頻率通過聲循環(huán)持續(xù)時間的變化影響空化行為,低頻超聲產生更劇烈的空化,沖擊波也更有效。 高頻會增加流體中自由基的數量,空化不劇烈,但空化數量更多,此外,連續(xù)高頻輻射會導致?lián)Q能器表面腐蝕。 超聲波功率決定空化氣泡的產生數量、壽命和內爆壓力,超聲功率與所需處理時間通常成反比,但在較高功率下,超聲換能器尖端附近形成大量密集氣泡,阻礙從換能器到液體介質的能量傳遞。優(yōu)化超聲頻率和功率必須考慮超聲波處理的原料性質及目的。超聲波或超聲波結合化學處理制備納米纖維素,要求高強度超聲波( HIUS)。較低功率的超聲波,不具有足夠的能量分裂纖維素中的微原纖,功率為1000 W 的超聲,強烈空化效應轉化為液體高能射流,造成纖維表面侵蝕破壞和纖維間內聚力下降,纖維素結晶區(qū)和無定形區(qū)均受到強烈沖擊,發(fā)生層層破碎,形成納米纖維素。 當功率超過1000W之后,納米纖維素的產率變化不明顯。 除了分裂微原纖要求高強超聲波外,防止納米微纖之間強烈的氫鍵作用是另一原因。
利用 N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液溶脹纖維素纖維之后,采用1000W超聲波處理1h,得到長度幾微米、直徑10 ~ 40nm,平均值30nm 的纖維素納米纖絲。 對竹纖維進行脫木素、脫半纖維素、精磨、酶解、羧甲基化后,利用超聲波進行處理,研究發(fā)現:超聲功率比時間對納米纖維素收率的影響更大,只有在高強度下才能實現內部結晶區(qū)的破裂。
利用超聲波清洗器強化纖維素水解,生產可發(fā)酵糖,則要求適度的超聲波頻率和功率。利用超聲波輔助再生纖維酸水解,以提高還原糖的生成濃度,采用的超聲條件為200 W,23 ~ 25 kHz。但對于超聲波輔助酶解的體系,最佳頻率的設定還與酶的活性有關,在這種情況下,超聲波處理不僅促進傳質和提高底物的可及性,而且通過改變酶蛋白的構象而影響酶活性。在低超聲功率( 120 W)下,纖維素酶的活性保持不變,但在高超聲波功率( !280 W) 下,纖維素酶的活性下降。不同超聲頻率和功率對纖維素酶二級結構的影響,在 18 kHz,5 W 條件下,某些α-螺旋結構發(fā)生變形,而無規(guī)卷曲含量增加。這些變化使纖維素酶顯示出柔軟性和更大的靈活性,使得底物更容易接近纖維素酶活性中心,并且有助于提高纖維素酶活性。 然而,在 29 kHz,50 W 的超聲處理30 min 后,α-螺旋結構含量增加而無規(guī)卷曲含量減少,纖維素酶的活性降低,這表明酶活性中心形成了較緊密的結構,從而阻礙了底物與酶的反應。
2 超聲波作用時間
空化效應引起微氣泡崩潰并產生較大的局部能量,其大小與空化過程中氣泡塌陷的數量成正比,與超聲波處理的持續(xù)時間相對應,超聲波處理的時間越長,空化產生的局部能量越大,但同時,超聲波時間還是與過程經濟性密切相關的參數。超聲波處理時間取決于纖維素材料的剛性、傳質阻力、纖維素的降解速率以及超聲波處理的其他參數。有必要從動力學的角度研究超聲波強化過程,以確定最佳超聲波處理時間。發(fā)現:超聲波(功率 500 W)預處理時間在0 ~ 150S之間,纖維素的可及性增加與之成正比,纖維素纖維的吸收性由1. 4 g / g 提高到2. 1g / g,隨著超聲處理時間的延長,可及性開始下降。 利用超聲波對2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-氮-氧化物( TEMPO)微波氧化預處理后的竹漿纖維進行處理,制得微纖化纖維素(MFC) ,功率1200 W、頻率15kHz、超聲波處理0.5h得到的纖維分絲帚化明顯;超聲波處理1h后,纖維大量微纖化,但仍存在一些比較粗大的纖維束;當超聲處理2h以上,MFC已經形成分布均一的網狀結構,直徑5 ~ 15nm,平均9. 6nm,長度在幾百納米到幾微米之間。再生纖維酸水解反應產生的還原糖濃度隨著超聲波處理時間的增加而逐漸增加。 功率200W的超聲波預處理80min,水解產生的還原糖量比未超聲波處理的方法提高了31. 3% 。
3 溫度
一般來說,當超聲波清洗器發(fā)生器的功率恒定時,在較低溫度下更容易實現空化。 空化閾值與溶劑蒸汽壓力成正比,因此隨溫度的降低而增加,在溶劑的沸點處,還會同時產生大量的空化氣泡,這些氣泡起到阻礙傳聲和消除超聲波能量影響的作用。 超聲波的能量最終以熱量在懸浮液中消散。 因此,在不受控制的環(huán)境中,體系的溫度通常隨著超聲的進行而上升。在20~ 60 ℃內,超聲波處理誘導空化的動力學不受溫度變化的影響。 在超聲波處理與化學預處理( 酸和堿) 結合的過程中,升高溫度會提高化學反應速率。 然而,如果涉及酶催化或微生物作用,一般需要控制溫度以防止生物催化劑失活。因此,必須選擇一個優(yōu)化的溫度來獲得最佳效果。 在許多應用超聲波的操作中,采用循環(huán)水冷卻的方式來避免溫度過高。
4 懸浮固體濃度
在非均相系統(tǒng)中,超聲能量的有效轉換比在均相系統(tǒng)中要困難得多,因為固相會吸收、分散和削弱超聲波能量,并降低空化強度。 同時,高濃度的固體懸浮液,不可避免地增加了黏度,從而減少混合、傳質和傳熱。 然而,對于工業(yè)過程,需要高濃度的固體反應物來保證工藝經濟性和避免后處理方面的問題。 因此選擇懸浮固體濃度,需要在超聲波過程的成本和性能之間進行平衡。紙漿纖維濃度較低(如 1% 和 2% )處理效果較好,纖維的細纖維化程度高,漿濃度為 3% 時處理的均勻性下降。在超聲波處理中,0. 5% OCC 可以獲得最高的WRV和強度性能,高于1% 和2%下進行超聲波處理的情況。
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