لماذا يُستخدم كبريتات الصوديوم في صناعة تجهيز الأوراق؟

دور كبريتات الصوديوم في عملية التجهيز بالكبريتات

كيف تمكن كبريتات الصوديوم من إزالة اللجنين الانتقائية في الألياف غير الخشبية

عندما يتعلق الأمر بتفكيك اللجنين في مواد مثل قش القمح أو القصب، فإن كبريتات الصوديوم تعطي نتائج جيدة جدًا، حيث تزيل ما بين 85 و92 بالمئة من محتوى اللجنين. ما يجعل هذه الطريقة فعّالة هو أن الكبريتيت يهاجم بشكل خاص الروابط البيتا-O-4 الموجودة في بنية اللجنين مع الحفاظ على السليلوز سليمًا. ما النتيجة النهائية؟ تزداد نسبة العائد من اللب الورقي ما بين 6 إلى 11 نقطة مئوية مقارنةً بالطرق التقليدية لعملية كرافت، وفقًا لأبحاث نُشرت العام الماضي في مجلة مراجعة علوم التبييض. والأمر المثير للاهتمام أن كل هذا يحدث في ظل ظروف حمضية إلى حدٍ كبير، وعادةً عندما تتراوح مستويات الأس الهيدروجيني بين 1.5 و3. وفي هذه القيم المنخفضة للأس الهيدروجيني، تستهدف أيونات الكبريتيت الأجزاء الفينولية من جزيئات اللجنين، مما يؤدي إلى قطع الروابط الإيثرية بكفاءة دون التأثير على هياكل الكربوهيدرات التي نرغب في الحفاظ عليها لإنتاج لب عالي الجودة.

الكيمياء وراء تفاعلات الكبريتيت الحمضية وذوبان اللجنين

عند تسخينه بين 130 و150 درجة مئوية، يُكوّن كبريتات الصوديوم أيونات البيسلفيت (HSO3-) التي ترتبط بجزيئات اللجنين عند نقاط كربونية محددة، ما يؤدي في النهاية إلى تكوين مركبات قابلة للذوبان في الماء تُعرف باسم الليجنوسلفونات. تشير أبحاث حديثة نُشرت العام الماضي في مجلة كيمياء الخشب إلى أن ضبط قيمة الحموضة (pH) حول 2.2 هو الأنسب لهذا التفاعل بالتحديد، حيث يسمح بذوبان نحو ثلاثة أرباع مادة اللجنين من عينات قش الأرز بعد ساعتين فقط. ومن خلال دراسة تطور التفاعل، يبدو أنه يتبع ما يُطلق عليه العلماء تفاعلاً من الدرجة الأولى شبه تام، ويحتاج إلى طاقة تبلغ حوالي 98 كيلوجول لكل مول للبدء. مما يجعل العملية برمتها فعالة جداً في تحلل اللجنين دون إحداث ضرر كبير في بنى السيلولوز أثناء المعالجة.

التطبيق في الخيزران وقصب السكر: حالة المواد الخام المستدامة

تُعد مستويات اللجنين في الخيزران (حوالي 24 إلى 28٪) والقصب السكري (حوالي 19 إلى 22٪) مناسبة جدًا لعمليات صناعة اللب بالسلفيت. وقد أفادت بعض مصانع الورق الصينية فعليًا بتحقيق عائد لب يبلغ نحو 48٪ من الخيزران عند استخدام طرق سلفيت الصوديوم. وهذا إنجاز مثير للإعجاب مقارنةً بنظم الكرافت التقليدية التي تقل عادةً بست نقاط مئوية تقريبًا وفقًا لتقرير الألياف غير الخشبية لعام 2022. ما يجعل هذا أكثر إثارة للاهتمام هو كيف يتناسب مع الأهداف الأوسع للustainability. حيث تشجع خطة الاتحاد الأوروبي للاقتصاد الدائري بشكل خاص على استخدام المنتجات الزراعية الثانوية مثل هذه للمساعدة في الحد من معدلات إزالة الغابات بنسبة تتراوح بين 17٪ و23٪ سنويًا عبر الدول الأعضاء.

كفاءة أعلى في إزالة اللجنين باستخدام سلفيت الصوديوم

آلية تكوّن اللجنين المسلفن أثناء عملية الطهي

أثناء الطهي، يتفاعل كبريتات الصوديوم مع بوليمرات اللجنين من خلال عملية سلفنة روابط الإيثر β-O-4 في ظروف حمضية، مما يُنتج مُشتقات محبة للماء تُحسّن القابلية للانحلال في السائل. تزيل هذه الآلية 70-85% من اللجنين في الألياف غير الخشبية مثل الخيزران دون إتلاف الكربوهيدرات، ما يجعلها فعالة جدًا بالنسبة للمواد الخام الزراعية الليفية.

استراتيجيات التحكم في درجة الحرارة والأس الهيدروجيني لتحسين إزالة اللجنين

يُعد التحكم الدقيق في درجة الحرارة والأس الهيدروجيني أمرًا بالغ الأهمية لتعظيم كفاءة إزالة اللجنين:

تحافظ المحافظة على درجات حرارة تزيد عن 140°م لمدة 90-120 دقيقة على التحلل الكامل، في حين تُحسّن درجة أس هيدروجيني تتراوح بين 2.8 و3.2 كفاءة إزالة اللجنين بنسبة 15-20% مقارنةً بالظروف المحايدة، وتقلل من التفاعلات الجانبية إلى الحد الأدنى.

الأداء المقارن: الخشب الصلب مقابل المخلفات الزراعية

يعمل كبريتات الصوديوم بشكل جيد حقًا عندما يتعلق الأمر بتفكيك مواد النفايات الزراعية. خذ الخيزران على سبيل المثال، يمكنه إزالة حوالي 85 إلى 90 بالمئة من اللجنين عند معالجته بشكل صحيح، وهي نسبة أفضل بكثير مقارنة بأغلب أنواع الأخشاب الصلبة مثل اليوكاليبتوس التي لا تتجاوز نسبة الإزالة لديها حوالي 65 إلى 75 بالمئة. لماذا يحدث هذا؟ حسنًا، الألياف الزراعية عمومًا تحتوي على هياكل لجنين أقل تركيبًا وجدارًا خلويًا أرق، وبالتالي يمكن للمحلول الكبريتّي أن يخترق أعمق بكثير داخل المادة. وعند النظر إلى النتائج الفعلية، فإن قش القمح المعالج بكبريتات الصوديوم يعطي عائدًا من اللب يزيد بنسبة 10 إلى 15 بالمئة مقارنةً بطرق صناعة اللب التقليدية للأخشاب الصلبة. وهذا يجعل عملية كبريتات الصوديوم خيارًا جذابًا لأولئك الذين يسعون للاستفادة الجيدة من الألياف غير الخشبية بطريقة أكثر صداقة للبيئة.

تحسين فصل الألياف وجودة اللب

انتفاخ مصفوفة جدار الخلية بواسطة أيونات الكبريتيت للحصول على تحرير أفضل للألياف

عندما تتفاعل أيونات الكبريتيت مع المواد النباتية، فإنها في الواقع تُفكك بعض الروابط الهيدروجينية التي تربط مكونات السليلوز واللجنين معًا. وهذا يؤدي إلى انتفاخ محدد ضمن جزء الهيميسليلوز-اللجنين في بنية الألياف الموجودة في مواد مثل سيقان الخيزران أو قش القمح. وفقًا لبحث نُشر في مجلة تغليف الأغذية وعمر التخزين (Food Packaging and Shelf Life) عام 2022، يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى تمدد جدران الخلايا بنسبة تتراوح بين 12 إلى 15 بالمئة، مما يساعد على تحرير الألياف الفردية بشكل أفضل بكثير من الطرق التقليدية. ما يجعل هذا الأسلوب ذا قيمة كبيرة هو أنه يقلل من الطاقة المطلوبة خلال عملية التكرير الميكانيكي بنسبة تتراوح بين 18 إلى 22 بالمئة بالمقارنة مع تقنيات صناعة اللب القلوية القياسية. علاوةً على ذلك، وعلى عكس العمليات الأخرى، فإنها تحافظ على سلامة الألياف الطويلة، وهي خاصية مهمة جدًا لإنتاج المنتجات المصبوغة لاحقًا.

مظهر الألياف بعد المعالجة بكبريتات الصوديوم: دراسة حالة قش القمح

وفقًا لتحليل AFM، فإن ألياف قش القمح المعالجة بكبريتات الصوديوم تُظهر بالفعل انخفاضًا بنسبة حوالي 23 بالمئة في الشقوق السطحية مقارنة بالألياف المصنعة بطريقة الكرافت العادية، كما أنها تتميز بمحاذاة أفضل للألياف الدقيقة بنسبة نحو 40%. ما يجعل هذا المعالجة فعّالة هو قدرتها على تقليل تكاثف اللجنين، مما يحافظ على مسامية الألياف بما يكفي لامتصاص السوائل بكفاءة عالية، وهو ما يناسب تطبيقات تغليف المواد الغذائية. تعني البنية المحسّنة أن هذه الألياف تلتصق ببعضها بشكل أفضل بكثير عند تصنيعها إلى منتجات. وقد رأينا تأكيدًا لهذا من خلال اختبارات متعددة باستخدام المجهر الذري على مدى الأشهر الأخيرة.

تلبية الطلب السوقي على لب غير الخشب عالي السيولة وعالي العائد

تُنتج أحدث عمليات التشكيل الحراري الآن لبائط معالجة بسلفيد الصوديوم تحقق مستويات حريّة صبيب مياه التصريف (CSF) تتراوح بين 650 و700 مل، وهو ما يمثل أداءً أفضل بنحو ثلث مقارنة بالتقنيات القديمة. تتيح هذه الحريّة المتزايدة للمصنعين إنتاج عناصر من اللب المقولب بكميات ضخمة وبعيوب تمزق أقل من نصف بالمئة، مما يستوفي جميع الشروط الصارمة لمتطلبات هيئة الغذاء والدواء (FDA) فيما يتعلق بتطبيقات تغليف الأغذية. ومن حيث الأرقام، تحافظ هذه العمليات على حوالي 82 إلى 85 في المئة من الكربوهيدرات، مما يحقق أهداف الاستدامة دون تكلفة باهظة. والأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو كمية المال الذي توفره الشركات أيضًا، حيث تنخفض تكاليف المعالجة بين 18 و22 دولارًا لكل طن مقارنةً بالخيارات التقليدية المستندة إلى الخشب.

تعظيم العائد من اللب والحفاظ على الكربوهيدرات

انخفاض تدهور الهيميسليلوز في عمليات السلفيد مقارنةً بعمليات كرافت

تعمل عملية تجهين كبريتات الصوديوم بشكل أفضل في نطاقات درجة حموضة معتدلة تتراوح حول 4.5 إلى 6.5، مما يساعد على تقليل التحلل الحمضي والحفاظ على حوالي 15 إلى 20 بالمئة من الكربوهيدرات سليمة مقارنةً بطرق التجهين التقليدية. حيث تُنشئ عملية الكرافت بيئة قلوية تؤدي فعليًا إلى تحلل نحو 30 إلى 40 بالمئة من مكونات الهيميسليلوز. بالمقابل، تنجح أنظمة الكبريتات في الاحتفاظ بنسبة تتراوح بين 85 إلى 90 بالمئة من تلك الروابط المهمة بين السليلوز والهيميسليلوز. وعند النظر تحديدًا إلى تطبيقات الخيزران، تُظهر الدراسات الحديثة أن إضافة السوائل الأيونية إلى عملية تجهين الكبريتات تحافظ على معدل احتفاظ مثير للإعجاب بنسبة 84 بالمئة بالسليلوز. وهذا تقدم كبير مقارنةً بما تحققه عملية الكرافت والتي لا تتجاوز نسبتها 67 بالمئة وفقًا للبحث المنشور من قبل غلينسكا وزملائه عام 2021. هذه الفروقات مهمة جدًا بالنسبة للصناعات التي تركز على تعظيم العائد من المواد دون المساس بالمتانة الهيكلية.

مقارنة العائد: معالجة اليوكاليبتوس في أنظمة السلفيت والكرافت

عندما يتعلق الأمر بمعالجة خشب اليوكاليبتوس، فإن طريقة صناعة اللب بالسلفيت تعطي نتائج أفضل مقارنةً بالطرق التقليدية للكرافت. فطريقة السلفيت تحقق عائدًا يتراوح بين 52 و55 بالمئة، وهو ما يفوق عائد الكرافت الذي يتراوح بين 48 و50 بالمئة، وذلك لأنها تحافظ على نسبة أكبر من الجلوكومانان القيّم سليمًا خلال عملية المعالجة الحمضية. ووجدت اختبارات حديثة أجريت في عام 2023 أمرًا مثيرًا للاهتمام أيضًا: فقد حافظ اليوكاليبتوس المعالج بالسلفيت على نحو 18.3٪ من محتواه الهيميسليلوزي. وهذا رقم مثير للإعجاب مقارنةً بـ 9.1٪ فقط في ألباب الكرافت، مما يجعل المنتجات الورقية الناتجة أكثر قوة بشكل عام. كما درس نفس الفريق البحثي مواد النفايات الزراعية ووجد أن أنظمة السلفيت حققت عائدًا بلغ 80.3٪ من السليلوز عندما تم تحسين جميع العوامل بشكل مناسب. وهذا يضعها متقدمة على تكنولوجيا الكرافت بنحو 11 نقطة مئوية، ما يجعل عملية السلفيت تبدو خيارًا رابحًا حقيقيًا في تطبيقات معينة.

موازنة سرعة إزالة اللجنين والحفاظ على العائد

الطهي عند درجة حرارة تتراوح بين 135-145°م لمدة 90-120 دقيقة يُحسّن الحد الأقصى للعائد دون التأثير على الإنتاجية. عند أقل من 130°م، تتباطأ عملية إزالة اللجنين بنسبة 40٪؛ وعند أكثر من 150°م، يحدث تحلل لـ 8-12٪ من السليلوز. وتستخدم المصانع الحديثة أجهزة استشعار للّجنين تعمل في الوقت الفعلي لإيقاف التفاعلات عند مستوى 85-90٪ من إزالة اللجنين، مما يحافظ على 94٪ من الكربوهيدرات مع الالتزام بجداول الإنتاج.

استرجاع لغنيوسلفونات الصوديوم والفوائد البيئية

من النفايات إلى القيمة: تحويل محلول السلفيت المستهلك إلى لغنيوسلفونات

يتم الآن تحويل محلول السلفيت المستهلك من عملية كبريتات الصوديوم إلى لغنيوسلفونات بكفاءة استرجاع تتراوح بين 92-95٪ (دراسة استرداد المواد 2025). هذه البوليمرات المشتقة من الكتلة الأحيائية تحل محل المواد الرابطة الاصطناعية في خلطات الخرسانة، حيث أظهرت التجارب الأولية روابط مونة أقوى بنسبة 40٪ مقارنةً بالبدائل البترولية.

استرداد على نطاق صناعي: الترشيح بالغشاء والتكثيف

تُركّز تقنية الترشيح الغشائي متعددة المراحل تيارات الليجنوسلفونات إلى نسبة صلبة تتراوح بين 68-72%، باستخدام طاقة أقل بنسبة 35% مقارنةً بالتبخير الحراري. وتُحقق المنشآت التي تعالج 500 طن يوميًا من السوائل المستهلكة استردادًا كيميائيًا بنسبة 89%، مما ينتج 280 طنًا من الليجنوسلفونات الجاهزة للسوق يوميًا.

دعم نماذج الاقتصاد الدائري في مصانع الورق الحديثة

إعادة استخدام طن واحد من بقايا الطبالة لإنتاج مادة موزعة قيمتها 42,000 دولار تعتمد على الليجنوسلفونات يدعم أهداف الاقتصاد الدائري. وقد أصبحت الأنظمة المغلقة تعيد توجيه 78% من المنتجات الثانوية إلى الزراعة (مثل مثبّتات الغبار) والمنسوجات (مثل ناقلات الصبغة)، مما يحل محل 290,000 طن متري سنويًا من المواد الكيميائية البترولية المكافئة عالميًا.

الأسئلة الشائعة

ما الدور الذي يلعبه كبريتيد الصوديوم في عملية طبالة الألياف غير الخشبية؟

يقوم كبريتيد الصوديوم بكسر اللجنين بكفاءة في الألياف غير الخشبية مثل قش القمح والخيزران، مستهدفًا روابط البيتا-O-4 بشكل انتقائي مع الحفاظ على السليلوز القيّم، مما يؤدي إلى زيادة إنتاجية اللب.

كيف تسهم عملية طبالة الكبريتات في الاستدامة؟

تستخدم هذه العملية نفايات زراعية مثل الخيزران والقصب السكري للحد من إزالة الغابات وتعزيز نماذج الاقتصاد الدائري من خلال تحويل سائل الكبريت المستهلك إلى لجنوسلفونات ذات قيمة.

ما مزايا استخدام كبريتات الصوديوم مقارنةً بطرق الكرافت؟

عادةً ما تؤدي عمليات كبريتات الصوديوم إلى عوائد أفضل لللب، واحتفاظ أعلى بالكربوهيدرات، وتقليل تدهور الهيميسليلوز مقارنةً بالطرق التقليدية لكرافت.

لماذا يعد التحكم في درجة الحرارة والأس الهيدروجيني مهمًا في عملية صناعة لب الكبريت؟

يُحسّن التحكم في درجة الحرارة والأس الهيدروجيني كفاءة إزالة اللجنين، ويسهّل تفاعلات الكبريتة، ويقلل من التفاعلات الجانبية، مما يضمن إزالة قصوى للجنين وجودة عالية للب.