超聲波處理再生植物纖維

在造紙工業(yè)中再生植物纖維經(jīng)過幾次回用后纖維細(xì)小化，導(dǎo)致紙張性能差，限制了再生植物纖維作為造紙?jiān)�料的回用。超聲波輻射作為一種促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)傳質(zhì)的有效方式，在水溶液中產(chǎn)生高溫高壓伴有強(qiáng)烈的沖擊波和沖擊力，起到破碎物質(zhì)、破乳分散介質(zhì)，促進(jìn)傳質(zhì)反應(yīng)等作用。本文將從超聲波預(yù)處理對再生植物纖維結(jié)構(gòu)變化，分析超聲波預(yù)處理促進(jìn)再生植物纖維水解的影響機(jī)理。

超聲波處理再生植物纖維

將1g再生植物纖維原料置于盛有100ml蒸餾水的燒杯中，在JY2-Ⅱ型超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)（超聲頻率23-25KHz）10mm探頭下超聲處理，超聲時(shí)間與間歇時(shí)間分別為3s和2s。探頭要放在液面以下，燒杯置于盛有冰塊的大燒杯中，間斷地?cái)嚢柙偕�植物纖維漿，并隨時(shí)更換融化的冰塊以便控制纖維漿的溫度不超過50℃。調(diào)節(jié)不同超聲波功率及控制超聲處理時(shí)間。以超聲儀器的功率代表超聲強(qiáng)度。

再生植物纖維粒徑測定

島津SALD-201V激光粒度儀測定超聲處理再生植物纖維樣品(70目)，觀察超聲波處理對再生植物纖維形態(tài)的影響。儀器測試粒度范圍在1——500μm。

低溫氮吸附法測定超聲處理再生植物纖維空隙大小及分布

孔徑分布測定儀ASAP2010M（USA, Micromertics）對纖維孔結(jié)構(gòu)分析。在水中浸泡后超聲處理的再生植物纖維風(fēng)干后經(jīng)過冷凍干燥24h。此次超聲處理參數(shù)為：超聲強(qiáng)度（功率）200W，超聲處理之前潤張2h。

再生植物纖維保水值測定

用離心法測定再生植物纖維保水值。再生植物纖維吸水1h 后超聲波處理，抽濾后于3000g離心力15min,稱纖維濕重W1,再將樣品在105℃烘箱中烘干至恒重，質(zhì)量記為W2。計(jì)算公式如下。

超聲波輔助酸水解

將2g原料置于盛有50ml 1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))稀H2SO4燒杯中，在一定超聲功率和不同處理時(shí)間處理后移入壓力容彈，密封放入油浴加熱器中，在一定溫度和時(shí)間下反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后迅速在流動水中冷卻后，用0.2mol/L NaOH調(diào)節(jié)PH至中性左右，過濾得水解反應(yīng)液。

還原糖測定

中和后的水解液稀釋適當(dāng)倍數(shù)后依據(jù)3，5-硝基水楊酸（DNS）比色法測定反應(yīng)液中還原糖含量。

FI-IR分析

超聲處理再生植物纖維氫鍵網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，纖維表面有更多的游離羥基產(chǎn)生。超聲處理可以改善回用紙漿纖維的性能，超聲處理后紙漿制備的紙張密度、抗張指數(shù)增加，纖維氫鍵結(jié)合能力得到一定程度再生，超聲處理可以解釋再生植物纖維在超聲過程中發(fā)生簇狀凝聚現(xiàn)象。

X-衍射分析

超聲處理后再生植物纖維結(jié)晶度有增加的現(xiàn)象，與打漿會使再生植物纖維素的結(jié)晶度有小幅度增加現(xiàn)象一致，說明超聲處理再生植物纖維表現(xiàn)了一定地打漿作用。在200W強(qiáng)度超聲處理?xiàng)l件下，再生植物纖維結(jié)晶度沒有隨超聲時(shí)間增加而明顯改變。

超聲波處理對再生植物纖維粒度的影響

超聲波處理產(chǎn)生的“空化效應(yīng)”伴隨著機(jī)械作用，使再生植物纖維多層結(jié)構(gòu)分離，更多微細(xì)纖維被分離出來，纖維細(xì)小化。超聲波處理纖維先以細(xì)纖維化作用為主；隨處理時(shí)間增加，超聲潤張作用顯著，但是纖維的細(xì)纖維化和纖維的吸水潤脹是互相促進(jìn)的，吸水潤脹為纖維的細(xì)纖維化創(chuàng)造有利條件；反之，纖維的細(xì)纖維化又能促進(jìn)纖維更進(jìn)一步的吸水潤脹，兩者作用相互促進(jìn)。

超聲波處理對再生植物纖維保水值的影響

纖維素的可及度是反應(yīng)試劑與纖維素化學(xué)反應(yīng)的一個重要因素。纖維素的可及度可用離心法測定保水值（WRV）反映。纖維保水值與纖維比表面積具有一定相關(guān)性。超聲波處理時(shí)間的增加，再生植物纖維保水值增加。

超聲處理再生植物纖維微觀空隙大小及分布

超聲處理能夠打開纖維封閉的空隙結(jié)構(gòu)，使較多的水分子進(jìn)入，增強(qiáng)了纖維的潤脹，提高了纖維參與反應(yīng)的可及度。

超聲處理時(shí)間、功率對再生植物纖維酸水解的影響

增加超聲強(qiáng)度或者增加超聲處理時(shí)間輔助酶水解或者超聲預(yù)處理，都會明顯地提高纖維素酶水解速率和產(chǎn)物產(chǎn)量。延長超聲波處理時(shí)間，使纖維素纖維次生壁S1層脫除更明顯，暴露含有較多微細(xì)纖維的S2層，纖維表面分絲細(xì)纖維化，更多細(xì)小纖維受到酸質(zhì)子的攻擊，發(fā)生糖苷鍵解聚產(chǎn)生還原性多聚糖。

結(jié)論

超聲波處理再生植物纖維作用表現(xiàn)細(xì)纖維化作用的同時(shí)也有超聲潤脹作用，都可以顯著地增加纖維表面積，提高再生植物纖維可接觸性和反應(yīng)活性，促進(jìn)纖維水解產(chǎn)生更多地還原糖。超聲處理再生植物纖維纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)變化不大，超聲處理影響水解的主要原因在于增加再生植物纖維反應(yīng)有效接觸面積，而不是改變再生植物纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)降低結(jié)晶度來促進(jìn)水解反應(yīng)。超聲處理時(shí)間是影響超聲處理效果的主要因素。

責(zé)任編輯：葛