本文综述了昆山舒美超声波清洗器超声波处理废纸纤维在提高再生纸的纸页性能、强化生产可发酵糖和乙醇、辅助纤维素纳米纤维的制备,以及提高水泥建材耐久性等方面的应用,分析了超声波功率与频率、超声波作用时间、温度和悬浮固体浓度等超声波处理过程中的影响因素,探讨了超声波处理对纤维素结晶性质、化学结构和化学反应可及性的影响。 最后对当前超声波处理废纸纤维研究领域存在的问题进行了分析,并展望了未来的发展方向。
1 超声波功率和频率
昆山舒美超声波清洗器超声波频率通过声循环持续时间的变化影响空化行为,低频超声产生更剧烈的空化,冲击波也更有效。 高频会增加流体中自由基的数量,空化不剧烈,但空化数量更多,此外,连续高频辐射会导致换能器表面腐蚀。 超声波功率决定空化气泡的产生数量、寿命和内爆压力,超声功率与所需处理时间通常成反比,但在较高功率下,超声换能器尖端附近形成大量密集气泡,阻碍从换能器到液体介质的能量传递。优化超声频率和功率必须考虑超声波处理的原料性质及目的。超声波或超声波结合化学处理制备纳米纤维素,要求高强度超声波( HIUS)。较低功率的超声波,不具有足够的能量分裂纤维素中的微原纤,功率为1000 W 的超声,强烈空化效应转化为液体高能射流,造成纤维表面侵蚀破坏和纤维间内聚力下降,纤维素结晶区和无定形区均受到强烈冲击,发生层层破碎,形成纳米纤维素。 当功率超过1000W之后,纳米纤维素的产率变化不明显。 除了分裂微原纤要求高强超声波外,防止纳米微纤之间强烈的氢键作用是另一原因。
利用 N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液溶胀纤维素纤维之后,采用1000W超声波处理1h,得到长度几微米、直径10 ~ 40nm,平均值30nm 的纤维素纳米纤丝。 对竹纤维进行脱木素、脱半纤维素、精磨、酶解、羧甲基化后,利用超声波进行处理,研究发现:超声功率比时间对纳米纤维素收率的影响更大,只有在高强度下才能实现内部结晶区的破裂。
利用超声波清洗器强化纤维素水解,生产可发酵糖,则要求适度的超声波频率和功率。利用超声波辅助再生纤维酸水解,以提高还原糖的生成浓度,采用的超声条件为200 W,23 ~ 25 kHz。但对于超声波辅助酶解的体系,最佳频率的设定还与酶的活性有关,在这种情况下,超声波处理不仅促进传质和提高底物的可及性,而且通过改变酶蛋白的构象而影响酶活性。在低超声功率( 120 W)下,纤维素酶的活性保持不变,但在高超声波功率( !280 W) 下,纤维素酶的活性下降。不同超声频率和功率对纤维素酶二级结构的影响,在 18 kHz,5 W 条件下,某些α-螺旋结构发生变形,而无规卷曲含量增加。这些变化使纤维素酶显示出柔软性和更大的灵活性,使得底物更容易接近纤维素酶活性中心,并且有助于提高纤维素酶活性。 然而,在 29 kHz,50 W 的超声处理30 min 后,α-螺旋结构含量增加而无规卷曲含量减少,纤维素酶的活性降低,这表明酶活性中心形成了较紧密的结构,从而阻碍了底物与酶的反应。
2 超声波作用时间
空化效应引起微气泡崩溃并产生较大的局部能量,其大小与空化过程中气泡塌陷的数量成正比,与超声波处理的持续时间相对应,超声波处理的时间越长,空化产生的局部能量越大,但同时,超声波时间还是与过程经济性密切相关的参数。超声波处理时间取决于纤维素材料的刚性、传质阻力、纤维素的降解速率以及超声波处理的其他参数。有必要从动力学的角度研究超声波强化过程,以确定最佳超声波处理时间。发现:超声波(功率 500 W)预处理时间在0 ~ 150S之间,纤维素的可及性增加与之成正比,纤维素纤维的吸收性由1. 4 g / g 提高到2. 1g / g,随着超声处理时间的延长,可及性开始下降。 利用超声波对2, 2, 6, 6-四甲基哌啶-氮-氧化物( TEMPO)微波氧化预处理后的竹浆纤维进行处理,制得微纤化纤维素(MFC) ,功率1200 W、频率15kHz、超声波处理0.5h得到的纤维分丝帚化明显;超声波处理1h后,纤维大量微纤化,但仍存在一些比较粗大的纤维束;当超声处理2h以上,MFC已经形成分布均一的网状结构,直径5 ~ 15nm,平均9. 6nm,长度在几百纳米到几微米之间。再生纤维酸水解反应产生的还原糖浓度随着超声波处理时间的增加而逐渐增加。 功率200W的超声波预处理80min,水解产生的还原糖量比未超声波处理的方法提高了31. 3% 。
3 温度
一般来说,当超声波清洗器发生器的功率恒定时,在较低温度下更容易实现空化。 空化阈值与溶剂蒸汽压力成正比,因此随温度的降低而增加,在溶剂的沸点处,还会同时产生大量的空化气泡,这些气泡起到阻碍传声和消除超声波能量影响的作用。 超声波的能量最终以热量在悬浮液中消散。 因此,在不受控制的环境中,体系的温度通常随着超声的进行而上升。在20~ 60 ℃内,超声波处理诱导空化的动力学不受温度变化的影响。 在超声波处理与化学预处理( 酸和碱) 结合的过程中,升高温度会提高化学反应速率。 然而,如果涉及酶催化或微生物作用,一般需要控制温度以防止生物催化剂失活。因此,必须选择一个优化的温度来获得最佳效果。 在许多应用超声波的操作中,采用循环水冷却的方式来避免温度过高。
4 悬浮固体浓度
在非均相系统中,超声能量的有效转换比在均相系统中要困难得多,因为固相会吸收、分散和削弱超声波能量,并降低空化强度。 同时,高浓度的固体悬浮液,不可避免地增加了黏度,从而减少混合、传质和传热。 然而,对于工业过程,需要高浓度的固体反应物来保证工艺经济性和避免后处理方面的问题。 因此选择悬浮固体浓度,需要在超声波过程的成本和性能之间进行平衡。纸浆纤维浓度较低(如 1% 和 2% )处理效果较好,纤维的细纤维化程度高,浆浓度为 3% 时处理的均匀性下降。在超声波处理中,0. 5% OCC 可以获得最高的WRV和强度性能,高于1% 和2%下进行超声波处理的情况。
