Защо се използва натриев сулфит в индустрията за производство на целулоза?

Ролята на натриевия сулфит в сулфитния процес за производство на целулоза

Как натриевият сулфит осигурява селективно обезлигнизване при не-древесни влакна

Когато става въпрос за разграждането на лигнин в материали като сламка от пшеница или тръстика, натриевият сулфит дава доста добри резултати, премахвайки между 85 и 92 процента от съдържанието на лигнин. Това, което прави този метод толкова ефективен, е, че сулфитът специфично атакува тези бета-O-4 връзки в структурата на лигнина, като оставя целулозата непокътната. Краен резултат? Според проучване, публикувано миналата година в списание Pulping Science Review, добивът на целулоза се увеличава с 6 до 11 процентни пункта в сравнение с традиционния крафт метод. И интересно е, че целият този процес протича при доста кисели условия, обикновено когато нивата на pH са някъде между 1,5 и 3. При тези ниски стойности на pH сулфитните йони атакуват фенолните части на молекулите на лигнин, ефективно прерязвайки тези етерни връзки, без да засягат въглехидратните структури, които искаме да запазим за производството на качествена целулоза.

Химията зад киселинните сулфитни реакции и разтворимостта на лигнина

Когато се нагрява между 130 и 150 градуса по Целзий, натриевият сулфит образува бисулфитни йони (HSO3-), които се присъединяват към лигниновите молекули в определени въглеродни точки и в крайна сметка образуват водоразтворими съединения, известни като лигносулфонати. Наскорошно проучване, публикувано миналата година в списание Journal of Wood Chemistry, сочи, че при pH около 2,2 тази реакция протича най-ефективно, като позволява разтварянето на около три четвърти от лигнина от проби от слама от ориз след само два часа. Анализът на хода на реакцията показва, че тя следва така наречената „псевдопърва ред кинетика“ и изисква около 98 килоджаула на мол енергия за активиране. Това прави целия процес доста ефективен за разграждане на лигнина, без да повреди прекомерно целулозните структури по време на обработката.

Приложение при бамбук и багаса: случай за устойчиви суровини

Нивата на лигнин в бамбука (около 24 до 28%) и в захарното тръстиково шламче (около 19 до 22%) поставят тези материали в добро положение за сулфитни процеси на целулозно производство. Някои китайски хартиени фабрики са съобщили за около 48% добив на целулоза от бамбук чрез използване на натриев сулфит. Това е доста впечатляващо в сравнение с традиционните крафт системи, които обикновено отстъпват с около шест процентни пункта според последния Доклад за нестандартни влакнести суровини от 2022 г. Още по-интересно е как това се вписва в по-широките цели за устойчивост. Планът за действие на Европейския съюз за кръгова икономика конкретно насърчава използването на земеделски отпадъци като тези, за да се помогне за намаляване на обезлесяването с между 17% и 23% всяка година в държавите членки.

Подобрена ефективност на делигнификация с натриев сулфит

Механизъм на образуване на сулфонирана лигнин по време на варене

По време на готвене натриев сулфит реагира с лигнин полимери чрез сулфонация на β-O-4 етерни връзки при кисели условия, произвеждайки хидрофилни производни, които подобряват разтворимостта в ликьора. Този механизъм премахва 70-85% лигнин от недървесните влакна като бамбука, без да уврежда въглехидратите, което го прави изключително ефективен за влакна от селскостопански суровини.

Стратегии за контрол на температурата и рН за оптимизиране на отстраняването на лигнин

Точният контрол на температурата и рН е от решаващо значение за максимизиране на ефективността на делигнификацията:

Поддържането на температури над 140°C в продължение на 90-120 минути осигурява цялостна разпадане, докато pH между 2,8 и 3,2 подобрява ефективността на делигнификацията с 15-20% в сравнение с неутрални условия, като свежда до минимум нежеланите реакции.

Сравнителни показатели: твърдо дърво срещу селскостопански остатъци

Натриевият сулфит работи изключително добре при разграждането на земеделски отпадъчни материали. Вземете бамбука като пример – при правилна обработка той може да премахне около 85 до 90 процента от лигнина, което е значително по-добре в сравнение с повечето твърди дървета като евкалипта, при които премахването е около 65 до 75 процента. Защо се случва това? Агрономическите влакна обикновено имат по-малко кондензирани структури на лигнина и по-тънки клетъчни стени, поради което сулфитният разтвор може да проникне много по-дълбоко в материала. Когато разгледаме реални резултати, пшеничната слама, обработена с натриев сулфит, дава около 10 до 15 процента по-висок добив на целулоза в сравнение с традиционните методи за производство на целулоза от твърди дървета. Това прави обработката с натриев сулфит привлекателен вариант за тези, които търсят начини за ефективно използване на не-дървесни влакна по по-екологичен начин.

Подобрено разделяне на влакната и качество на целулозата

Надуване на клетъчната стенна матрица от сулфитни йони за по-добро освобождаване на влакната

Когато сулфитните йони влязат в контакт с растителни материали, те всъщност разграждат някои от водородните връзки, които свързват целулозните и лигнинови компоненти. Това причинява специфично набъбване в частта на структурата на влакното, състояща се от хемицелулоза и лигнин, присъстваща в материали като бамбукови стъбла или пшенична слама. Според изследване, публикувано в „Food Packaging and Shelf Life“ през 2022 г., този процес може да доведе до разширяване на клетъчните стени с 12 до 15 процента, което освобождава отделните влакна значително по-ефективно в сравнение с традиционните методи. Освен това този подход е особено ценен, защото намалява нужната енергия по време на механичната обработка с около 18 до 22 процента в сравнение със стандартните алкални методи за производство на пулп. Освен това, за разлика от други процеси, той запазва по-дългите влакна непокътнати — нещо от решаващо значение за последващото производство на формовани продукти.

Морфология на влакното след обработка с натриев сулфит: случай на пшенична слама

Според анализ чрез AFM, сламените влакна от пшеница, третирани с натриев сулфит, показват около 23 процента по-малко повърхностни пукнатини в сравнение с обработените по обичаен начин крафт влакна, като освен това имат около 40% по-добро подравняване на фибрилите. Тази обработка е толкова ефективна, защото намалява кондензацията на лигнина, което запазва влакната достатъчно порести, за да абсорбират течности изключително добре – приложение, подходящо за опаковки за храна. Подобрената структура означава, че тези влакна се държат заедно значително по-добре при производството на продукти. Това беше потвърдено чрез различни тестове с атомно-силов микроскоп през последните месеци.

Отговаряне на пазарното търсене за висококачествена, високопродуктивна немасивна целулоза

Най-новите операции по термоформоване сега създават пулпи, третирани с натриев сулфит, които постигат нива на свободно изтичане на водата (CSF) от около 650 до 700 mL, което представлява приблизително трета по-добра производителност в сравнение с по-старите методи. Това увеличено ниво на свободно изтичане позволява на производителите масово да произвеждат формовани пулп продукти с по-малко от половин процент дефекти от тип „микроотвори“, което изпълнява всички изисквания на строгите FDA стандарти за опаковки за храна. Като се имат предвид числата, тези процеси запазват приблизително 82 до 85 процента въглехидрати, достигайки целите за устойчивост, без да претоварват бюджета. Особено впечатляващо е и колко пари спестяват компаниите – намалявайки разходите за обработка с между 18 и 22 долара на тон в сравнение с традиционните дървесни алтернативи.

Максимизиране на добива на пулп и запазване на въглехидрати

Намалена деградация на хемицелулозата при сулфитни спрямо крафт процеси

Пулпирането с натриев сулфит дава най-добри резултати при по-меки стойности на pH около 4,5 до 6,5, което помага да се намали киселинното разграждане и запазва около 15 до 20 процента повече въглехидрати нетъркани в сравнение с традиционните методи за крафт пулпиране. Крафт процесът създава алкална среда, която всъщност разгражда приблизително 30 до 40 процента от хемицелулозните компоненти. В противовес на това, сулфитните системи успяват да запазят около 85 до 90 процента от тези важни връзки между целулоза и хемицелулоза. Когато се разглеждат конкретно приложенията за бамбук, последните изследвания показват, че добавянето на йонни течности към сулфитното пулпиране запазва впечатляващи 84 процента от целулозата. Това е значително повишаване в сравнение с постижението на крафт процеса – само 67 процента, според изследване, публикувано от Глинска и колеги през 2021 година. Тези разлики имат голямо значение за индустриите, които се стремят да максимизират добива на материал, без да компрометират структурната цялост.

Сравнение на добива: обработка на евкалипт в сулфитни и крафт системи

Когато става въпрос за обработката на евкалиптова дървесина, сулфитният метод за производство на целулоза дава по-добри резултати в сравнение с традиционния крафт метод. Сулфитната обработка осигурява добив от около 52 до 55 процента, което надминава крафт метода с неговите 48 до 50 процента, тъй като по време на киселинната обработка се запазват по-голяма част от ценените глюкоманани. Наскорошни изследвания от 2023 г. установиха още нещо интересно: евкалиптът, обработен чрез сулфитен метод, запазва около 18,3% хемицелулозно съдържание. Това е доста впечатляващо в сравнение със само 9,1% при крафт целулозите и води до по-здрави хартиени продукти като цяло. Същият изследователски екип проучи и отпадъчни материали от земеделието и установи, че сулфитните системи постигат добив на целулоза от 80,3%, когато всичко е оптимизирано правилно. Това ги поставя напред от крафт технологията с приблизително 11 процентни пункта, което прави сулфитната обработка истински печеливш вариант за определени приложения.

Балансиране на скоростта на делигнификация и запазване на добива

Варенето при 135-145°C в продължение на 90-120 минути максимизира добива, без да се жертва производителността. При температури под 130°C делигнификацията забавя с 40%; при над 150°C, 8-12% от целулозата се разгражда. Съвременните мелници използват сензори за лигнин в реално време, за да спрат реакцията при 85-90% делигнификация, като по този начин запазват 94% от въглехидратите и същевременно спазват производственото разписание.

Възстановяване на натриев лигносулфонат и предимства за устойчивостта

От отпадък до стойност: Преобразуване на изразходвана сулфитна течност в лигносулфонати

Изразходваната сулфитна течност от процеса с натриев сулфит сега се преработва в лигносулфонати с ефективност на възстановяване 92-95% (проучване на възстановяване на материали от 2025 г.). Тези биополимери заместват синтетични свързващи вещества в добавките за бетон, като пробните изпитвания показват 40% по-силни връзки в малтера в сравнение с нефтобазирани алтернативи.

Възстановяване в индустриален мащаб: Мембранна филтрация и концентрация

Филтрация с многостепенна мембрана концентрира лигносулфонатните потоци до 68-72% твърди вещества, като използва с 35% по-малко енергия в сравнение с термичното изпарение. Обекти, преработващи 500 тона на ден отпадъчен разтвор, постигат 89% химическо възстановяване, като произвеждат дневно 280 тона лигносулфонати, готови за пазара.

Подпомагане на моделите за кръгова икономика в съвременните хартиени фабрики

Повторната употреба на 1 тон остатък от целулозния процес за производство на диспергатори на база лигносулфонати за 42 000 долара подпомага целите на кръговата икономика. Затворените системи вече насочват 78% от страничните продукти към земеделието (напр. средство за потискане на прах) и текстила (напр. носители на боя), като така се заместват 290 000 метрични тона петрохимикали годишно в глобален мащаб.

ЧЗВ

Каква е ролята на натриев сулфит при целулозния процес с невлакнести растителни суровини?

Натриевият сулфит ефективно разгражда лигнина в невлакнести растителни влакна като пшеничена слама и бамбук, като целенасочено атакува връзките бета-O-4, запазвайки ценоза целулоза, което води до по-висок добив на целулоза.

Как допринася сулфитният процес за целулоза за устойчивото развитие?

Процесът използва отпадъчни продукти от земеделието като бамбук и багаса, за да намали обезлесяването и да подобри моделите на кръговата икономика, като преработва използваната сулфитна течност в ценни лигносулфонати.

Какви са предимствата на използването на натриев сулфит спрямо крафт методите?

Процесите с натриев сулфит обикновено водят до по-добър добив на целулоза, по-високо запазване на въглехидратите и по-ниска деградация на хемицелулозата в сравнение с традиционните крафт методи.

Защо е важен контролът на температурата и рН в сулфитния процес за производство на целулоза?

Контролът на температурата и рН оптимизира ефективността на делигнификацията, улеснява сулфонирането и минимизира страничните реакции, осигурявайки максимално премахване на лигнина и високо качество на целулозата.