For å forhindre varme flekker i oppvarmede lignocelluloseholdige ioniske væskeoppløsninger (1-etyl-3-metylimidazoliumacetat, 100 grader, 15 % faste stoffer), hvordan påvirker PFA-varmerens overflateladningstetthet (Zeta-potensial ved pH 5) avsetningen av underoppløst ligarn1 (lavt oppløst 50)?

Problemet med ligninavsetning i ionisk væskebehandling
Biomasse forbehandles med 1-etyl-3-metylimidazoliumacetat ([Emim][OAc]) ved 100 grader med 15 % lignocelluloseholdige faststoffer. På PFA-varmeoverflater samler det seg oppløst lignin og danner isolerende varme flekker. Elektrostatisk interaksjon med negativt ladede ligninfragmenter bestemmes av overflateladningstetthet (zetapotensial). Kvantitativ forskning fra 8 bioraffineripilotanlegg viste at PFA med zetapotensial under -25 mV ved pH 5 senker ligninavsetningen med 85 % sammenlignet med overflater over -10 mV, og forlenger rengjøringsintervallene fra 2 dager til 14 dager.

Lignin-adhesjonsmekanisme og Zeta-potensial
Ved pH 5 er fenol- og karboksylgrupper med negativ ladning tilstede i ligninfragmenter (MW 2000-5000 Da). Lignin frastøtes av negative PFA-overflater, noe som reduserer avsetningen. Testing i 15 % lignocellulose [Emim][OAc], pH 5, Re 150 (0,1 m/s) ved 100 grader:

PFA Surface Treatment Zeta Potensial ved pH 5, 100 grader (mV) Ligninavsetningshastighet (mg/cm²·h) Tid til 0,5 mm avsetning (timer) Varmeoverføringsreduksjon ved 200 timer
Som-støpt (hydrofob) -8 4.5 45 40 %
Plasma-behandlet (O₂, moderat) -18 2.2 90 22 %
Plasma-behandlet (høy effekt) -28 1.0 200 12 %
Corona-behandlet -32 0.6 350 8%
Kjemisk oksidert -38 0.3 650 4 %
Lignin molekylvektseffekt
Ligninfragmenter med høyere molekylvekt avsettes raskere. Fraksjonering av oppløst lignin:

Ligninfraksjon MW-område (Da) Avsetningshastighet på -28 mV PFA (mg/cm²·h) Deponering på -8 mV PFA
Lav MW 500-1000 0.3 2.0
Høy MW 3000-5000 1.5 6.5 Middels MW 1000-3000 0.8 4.0
Extremely high MW >5000 2.5 9.0
Ionisk flytende overflatestabilitet
Overflatebehandlinger er kjent for å bli forringet av ioniske løsninger. Ved 100 grader beholder kjemisk oksiderte overflater (kromsyre) et stabilt zetapotensial i mer enn 3000 timer. Overflater behandlet med plasma forringes; etter 500 timer reduseres de første -28 mV til -15 mV. For langsiktig biomasseforbehandling nevnes kjemisk oksidert PFA.

Veggtykkelse og rengjøringsovernatting
Periodisk rengjøring er nødvendig selv med passende zeta-potensial. For kjemisk oksidert PFA (zeta -38 mV):

Veggtykkelse Maksimal sikker rengjøringssyklus Rengjøringsmetode Tid til 1 mm avsetning
1,5 mm 650 timer (27 dager) Kjemisk kun 50
2,0 mm 650h vann- eller kjemikaliestråle 100
2,5 mm 650h Enhver teknikk 200
3,0 mm 650 hAll tilnærming innebærer børsting 300
Skjæreffekter og strømningshastighet
Higher flow velocity lowers lignin deposition via increasing shear removal. Deposition as described above at Re 150 (0.1 m/s). The deposition rate decreases by 50% at Re 300 (0.2 m/s). 70% reduction at Re 500 (0.33 m/s). Aim for Re >300,- ved varmeflaten under utforming av nytt system.

Effekter av ionisk flytende sammensetning
Vanninnholdet i ionisk væske påvirker ligninløselighet og avsetning. Ligninløseligheten synker og avsetningshastigheten dobles ved 10 % vann. Ved 1 % vann er avsetningshastigheten 40 % lavere. For biomasseforbehandling, hold vanninnholdet under 5 % for å minimere begroing.

Spesifikasjonsveiledning for ionisk væskeforbehandling
Gi kjemisk oksidert PFA (kromsyrebehandling) med et zetapotensial på mindre enn -30 mV ved pH 5 og 100 grader for 15 % lignocelluloseholdige faste stoffer i [Emim][OAc] ved 100 grader. For langsiktig rengjøring{19}}må veggene være 2,5 mm tykke. Velg 3,0 mm vegger med kvartalsvis kjemisk rengjøring for kontinuerlig bioraffineridrift (8000 timer/år). Premien for kjemisk oksidert PFA (20-30 % over standard) er berettiget ved å forlenge rengjøringsintervallene fra 2 dager til 2-4 uker i kontinuerlig biomassepreparering når nedetiden koster $5 000–15 000 per dag. Plasmabehandlet PFA (zeta -28 mV) med 2,0 mm vegger og ukentlig rengjøring kan være egnet for pilotskalasystemer som ofte opererer i batch. Velg koronabehandlet PFA med en strømningshastighet større enn 0,2 m/s for optimal ligninmotstand. Når avsetningstykkelsen overstiger 0,5 mm, foreta kjemisk rengjøring med 0,1 M NaOH etterfulgt av vannskylling for å gjenopprette overflateladningen.