Per què s'utilitza el sulfat de sodi en la indústria de pasta de paper?

La funció del sulfat de sodi en el procés de cocció sulfítica

Com el sulfat de sodi permet la deslignificació selectiva en fibres no fusta

Quan es tracta de descompondre la lignina en materials com la palla de blat o el jonc, el sulfet de sodi dóna uns resultats força bons, eliminant entre un 85 i un 92 per cent del contingut de lignina. El que fa que aquest mètode funcioni tan bé és que el sulfet ataca específicament els enllaços beta-O-4 de l'estructura de la lignina mentre manté la cel·lulosa intacta. El resultat final? El rendiment de pasta puja entre 6 i 11 punts percentuals respecte als mètodes kraft tradicionals, segons una investigació publicada l’any passat a la revista Pulping Science Review. I, curiosament, tot això succeeix en condicions força àcides, típicament quan els nivells de pH es troben entre 1,5 i 3. A aquests valors baixos de pH, els ions sulfet ataquen directament les parts fenòliques de les molècules de lignina, trencant eficaçment aquests enllaços èters sense afectar les estructures de carbohidrats que volem preservar per a una producció de pasta de qualitat.

Química subjacent a les reaccions àcides de sulfet i la solubilització de la lignina

Quan es calenta entre 130 i 150 graus Celsius, el sulfat de sodi genera ions bisulfit (HSO3-) que s'uneixen a les molècules de lignina en punts específics de carboni, creant finalment compostos solubles en aigua coneguts com a lignosulfonats. Recerques recents publicades l'any passat a la revista Journal of Wood Chemistry suggeriren que establir un pH d'uns 2,2 funciona millor per aquesta reacció en concret, permetent que aproximadament tres quarts de la lignina es dissolguin de mostres de palla de civada només al cap de dues hores. Analitzant com progressa la reacció, sembla seguir allò que els científics anomenen cinètica pseudo primer ordre, requerint aproximadament 98 quilojoules per mol d'energia per començar. Això fa que tot el procés sigui força eficaç a l'hora de descompondre la lignina sense malmatar gaire les estructures de cel·lulosa durant el tractament.

Aplicació en bambú i bagaço: cas de materials primers sostenibles

Els nivells de lignina en el bambú (entre un 24 i un 28 %) i en la bagaç (aproximadament entre un 19 i un 22 %) posicionen aquests materials favorablement per als processos de pasta sulfítica. Algunes fàbriques de paper xineses han arribat a assolir uns rendiments d’uns 48 % en la producció de pasta a partir de bambú mitjançant mètodes de sulfito sòdic. Això és força impressionant si es compara amb els sistemes Kraft tradicionals, que solen quedar uns sis punts percentuals per sota, segons l'últim informe sobre fibres no fusta de 2022. El que fa encara més interessant aquest fet és com encaixa dins dels objectius generals de sostenibilitat. El Pla d’Acció per a l’Economia Circular de la Unió Europea anima específicament a utilitzar residus agrícoles com aquests per ajudar a reduir les taxes de desforestació entre un 17 % i un 23 % anualment als estats membres.

Eficiència millorada de la delignificació amb sulfito sòdic

Mecanisme de formació de lignina sulfonada durant la cocció

Durant la cocció, el sulfit de sodi reacciona amb els polímers de lignina mitjançant la sulfonació d'enllaços èters β-O-4 en condicions àcides, produint derivats hidròfils que milloren la solubilitat en el licor. Aquest mecanisme elimina entre el 70% i el 85% de la lignina en fibres no fustoses com el bambú sense danyar els hidrats de carboni, cosa que el fa molt eficaç per a matèries primeres agrícoles fibroses.

Estratègies de control de temperatura i pH per optimitzar l'eliminació de lignina

El control precís de la temperatura i del pH és essencial per maximitzar l'eficiència de deslignificació:

Mantenir temperatures superiors a 140°C durant 90-120 minuts assegura una descomposició completa, mentre que un pH entre 2,8 i 3,2 millora l'eficiència de deslignificació en un 15-20% respecte a condicions neutres, minimitzant les reaccions secundàries.

Rendiment comparatiu: fusta dura vs. residus agrícoles

El sulfit de sodi funciona molt bé quan es tracta de descompondre residus agrícoles. Prenem el bambú per exemple pot eliminar al voltant del 85 al 90 per cent de la lignina quan es tracta correctament, molt millor que la majoria de fustes dures com l'eucalipt que només aconsegueixen una eliminació d'entre el 65 i el 75 per cent. Per què passa això? Bé, les fibres agrícoles generalment tenen menys estructures de lignina condensada i parets cel·lulars més primes, així que la solució de sulfit pot penetrar molt més profundament en el material. Quan mirem els resultats reals, la palla de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de blat de Això fa que el processament de sulfit de sodi sigui una opció atractiva per als que busquen fer un bon ús de fibres no de fusta d'una manera més respectuosa amb el medi ambient.

Millora de la separació de fibres i la qualitat de la pasta

Inflamació de la matriu de la paret cel·lular per ions sulfit per a una millor liberació de fibres

Quan els ions sulfit entren en contacte amb materials vegetals, en realitat trenquen alguns dels enllaços d'hidrogen que mantenen junts els components de la cel·lulosa i la lignina. Això provoca una inflamació específica dins de la part de la fibra hemicellulosa-lignina que es troba en coses com les talles de bambú o la palla de blat. Segons una investigació publicada a Food Packaging and Shelf Life el 2022, aquest procés pot fer que les parets cel·lulars s'expandeixin entre un 12 i un 15 per cent, el que ajuda a alliberar fibres individuals molt millor que els mètodes tradicionals. El que fa que aquest mètode sigui tan valuós és que redueix l'energia necessària durant el rafinament mecànic en un 18 a 22 per cent en comparació amb les tècniques estàndard de pulpació alcalina. A més, a diferència d'altres processos, manté les fibres més llargues intactes, una cosa que és molt important per crear productes de moldejar més endavant.

Morfologia de la fibra després del tractament amb sulfit de sodi: Estudis de cas de palla de blat

Segons l'anàlisi de l'AFM, les fibres de palla de blat tractades amb sulfit de sodi mostren un 23% menys de fractures superficials en comparació amb les fibres de kraft processades regulars, a més tenen un 40% més d'alineació de fibrils. El que fa que aquest tractament sigui tan eficaç és com redueix la condensació de lignina, que manté les fibres prou poroses per absorbir líquids molt bé per a aplicacions d'envasos d'aliments. L'estructura millorada significa que aquestes fibres s'adhereixen molt millor quan es fabriquen en productes. Ho hem vist confirmat a través de diverses proves de microscòpia de força atòmica en els últims mesos.

Cumplir amb la demanda del mercat de pasta no-lestera d'alta freqüència i alt rendiment

Les darreres operacions de termoformació ara creen pastes tractades amb sulfit de sodi que assolen nivells de filtració CSF d'uns 650 a 700 ml, el que representa aproximadament un rendiment un terç millor en comparació amb tècniques més antigues. Aquesta major filtració permet als fabricants produir massivament articles de pasta moldurada amb menys de mig per cent de defectes de microforats, una característica que compleix tots els requisits estrictes de la FDA en aplicacions d'envasat d'aliments. En xifres, aquests processos conserven aproximadament entre l'82 i el 85 per cent dels hidrats de carboni, assolint objectius de sostenibilitat sense desbordar el pressupost. El més impressionant és també quant estalvien les empreses, reduint les despeses de processament entre divuit i vint-i-dos dòlars per tona en comparació amb les opcions tradicionals basades en fusta.

Maximització del Rendiment de Pasta i Retenció de Hidrats de Carboni

Degradació Reduïda de Hemicel·lulosa en Processos de Sulfit respecte als Processos Kraft

La pasta de sulfito sòdic funciona millor en rangs de pH més suaus, al voltant de 4,5 a 6,5, el que ajuda a reduir la descomposició àcida i conserva aproximadament un 15 a 20 per cent més d'hidrats de carboni intactes en comparació amb els mètodes tradicionals de procés kraft. El procés kraft crea un entorn alcalí que en realitat descompon entre un 30 i un 40 per cent dels components de hemicel·lulosa. En canvi, els sistemes de sulfito aconsegueixen mantenir aproximadament entre un 85 i un 90 per cent d'aquestes importants connexions cel·lulosa-hemicel·lulosa. Quan es consideren específicament les aplicacions amb bambú, estudis recents mostren que l'addició de líquids iònics al procés de fabricació de pasta de sulfito manté una impressionant taxa de retenció de cel·lulosa del 84 per cent. Això representa un increment considerable respecte al 67 per cent assolit pel procés kraft segons la investigació publicada per GliÅ„ska i col·laboradors l'any 2021. Aquestes diferències són molt importants per a les indústries centrades a maximitzar el rendiment del material sense comprometre la integritat estructural.

Comparació de rendiment: processament d'eucaliptus en sistemes de sulfit i kraft

Pel que fa al processament de fusta d'eucaliptus, el mètode de pasta de sulfit dóna millors resultats que els mètodes tradicionals de kraft. El procés de sulfit obté un rendiment d'entre el 52 i el 55 per cent, superant el 48-50 per cent del kraft, ja que conserva més glucomanans durant el procés de tractament àcid. Unes proves recents del 2023 van descobrir també una dada interessant: l'eucaliptus tractat amb sulfit va mantenir un contingut d'hemicel·lulosa d'un 18,3%. Això és força impressionant comparat amb el 9,1% dels pastes de kraft, i produeix papers més resistents en general. El mateix equip de recerca també va analitzar residus agrícoles i va trobar que els sistemes de sulfit produïen un rendiment de cel·lulosa del 80,3% quan tot estava optimitzat correctament. Això els situa uns 11 punts percentuals per davant de la tecnologia kraft, cosa que converteix el procés de sulfit en una opció realment favorable per a certes aplicacions.

Equilibri entre la velocitat de deslignificació i la preservació del rendiment

Cuinar a 135-145°C durant 90-120 minuts maximitza el rendiment sense sacrificar la capacitat de procés. Per sota dels 130°C, la deslignificació es ralentitza en un 40%; per sobre dels 150°C, es degrada entre un 8% i un 12% de cel·lulosa. Les fàbriques modernes utilitzen sensors de lignina en temps real per aturar les reaccions al 85-90% de deslignificació, conservant un 94% dels hidrats de carboni mentre compleixen els horaris de producció.

Recuperació de lignosulfonat de sodi i beneficis de sostenibilitat

De residu a valor: conversió del licor sulfític gastat en lignosulfonats

El licor sulfític gastat procedent del procés de sulfito de sodi ara es converteix en lignosulfonats amb una eficiència de recuperació del 92-95% (Estudi de Recuperació de Materials 2025). Aquests polímers d'origen biològic substitueixen els agents aglutinants sintètics en aditius per formigó, amb assaigs pilot que mostren uns enllaços de morter un 40% més resistents que els alternatives basats en petroli.

Recuperació a escala industrial: filtració per membrana i concentració

La filtració de membranes en múltiples etapes concentra corrents de lignosulfonat al 68-72% de sòlids, utilitzant un 35% menys d'energia que l'evaporació tèrmica. Les instal·lacions que processen 500 tones/dia de licor residual aconsegueixen una recuperació química del 89%, produint 280 tones diàries de lignosulfonats preparats per al mercat.

Suport als models d'economia circular en fàbriques de paper modernes

Reutilitzar 1 tona de residu de pasta de paper per obtenir dispersants basats en lignosulfonat per valor de 42.000 $ recolza els objectius d'economia circular. Els sistemes de circuit tancat redirigeixen ara el 78% dels subproductes cap a l'agricultura (p. ex., agents supressors de pols) i als textils (p. ex., vehicles per a colorants), substituint globalment 290.000 tones mètriques/any d'equivalents petroquímics.

FAQ

Quin paper juga el sulfít de sodi en el refinat de fibres no lignoses?

El sulfít de sodi descompon eficacement la lignina en fibres no lignoses com la palla de blat i el bambú, atacant selectivament els enllaços beta-O-4 mentre preserva la cel·lulosa valuosa, resultant en rendiments més alts de pasta.

Com contribueix el procés de refinatge amb sulfits a la sostenibilitat?

El procés utilitza residus agrícoles com el bambú i la bagaça per reduir la desforestació i millorar els models d'economia circular, convertint el licor de sulfito gastat en lignosulfonats valuables.

Quins són els avantatges de l'ús de sulfite de sodi respecte als mètodes kraft?

Els processos amb sulfite de sodi solen donar llocs a rendiments de pasta superiors, una retenció de carbohidrats més elevada i una degradació menor de la hemicel·lulosa comparats amb els mètodes kraft tradicionals.

Per què és important el control de la temperatura i del pH en el procés de pasta de sulfito?

Controlar la temperatura i el pH optimitza l'eficiència de la delignificació, facilita les reaccions de sulfonació i minimitza les reaccions secundàries, assegurant una eliminació màxima de la lignina i una qualitat òptima de la pasta.