Miks kasutatakse naatriumsulfiiti paberimassitööstuses?

Naatriumsulfiidi roll sulfiitpulberdusprotsessis

Kuidas naatriumsulfiit võimaldab selektiivset delignifitseerimist mittepuukiududes

Kui on vaja lagundada ligniini materjalides, nagu nisukulikas või rohi, siis saavutab naatriumsulfiit üsna head tulemusi, eemaldades 85–92 protsenti ligniinisisaldusest. Selle eduka töö taga on see, et sulfiit ründab spetsiifiliselt ligniini struktuuris olevaid beeta-O-4 sidemeid, samal ajal säilitades tselluloosi terviklikkuse. Lõpptulemus? Puupulbri saagid kasvavad kuni 6–11 protsendipunkti võrra traditsiooniliste kraftmeetoditega võrreldes, nagu avaldati möödunud aastal ajakirjas Pulping Science Review. Ja huvitavalt piisab selleks üsna happelistest tingimustest, tavaliselt pH-väärtustel vahemikus 1,5–3. Nendel madalatel pH-väärtustel ründavad tegelikud sulfiitioonid ligniinimolekulide fenoolseid osi, lõhki tõhusalt neid eeterühendeid, samal ajal säilitades karboksüülühendite struktuurid, mida soovime puupulbri kvaliteedi tagamiseks säilitada.

Happeste sulfiitreaktsioonide ja ligniini lahustuvuse keemia

Kui naatriumsulfiiti kuumutatakse 130 kuni 150 kraadi Celsiuse vahel, tekivad biksulfiitioonid (HSO3-), mis kinnituvad ligniinimolekulidele kindlates süsinikupunktides, tekitades lõpuks vees lahustuvaid ühendeid, mida tuntakse lignosulfonaatidena. Viimase aasta Wood Chemistry ajakirjas avaldatud uuringud viitavad sellele, et selle reaktsiooni jaoks sobib kõige paremini pH väärtus umbes 2,2, mis võimaldab umbes kolmel veerandel ligniinist lahustuda padiisampletest vaid kahe tunni jooksul. Reaktsiooni arengut vaadates näib see järgnevat nii nimetatud pseudo esimese astme kinetikat, vajates käivitumiseks ligikaudu 98 kilodžauli energiat mooli kohta. See muudab kogu protsessi üsna tõhusaks ligniini lagundamisel, samas ei kahjustata sellisel töötlemisel tselluloosi struktuure liiga palju.

Rakendus bambuses ja tühjapagasis: argument jätkusuutlike koostisosade kasuks

Bambuse (umbes 24–28%) ja tšekkrohu (umbes 19–22%) ligniinisisaldus seab need materjalid soodsasse seisu sulfiitmassi tootmise protsessidesse. Mõned Hiina paberi tehased on tegelikult teatanud umbes 48% massi saagist bambusest, kasutades naatriumsulfiidi meetodeid. See on üsna muljetavaldav võrreldes traditsiooniliste kraftisüsteemidega, mis jäävad tavaliselt ligikaudu kuue protsendipunkti võrra alla, nagu näitab viimane mittepuupõhise kiudaine aruanne 2022. aastast. Eriliselt huvitavaks muudab seda asjaolu see, kuidas see sobib laiematesse jätkusuutlikkuse eesmärkidesse. Euroopa Liidu Ringmajanduse Tegevuskava soodustab konkreettelt selliste põllumajanduslike jäätmete kasutamist, et vähendada metsarahutamise määra liikmesriikides aastas 17–23%.

Naatriumsulfiidi kasutamine delignifitseerimise efektiivsuse suurendamiseks

Sulfoneeritud ligniini moodustumise mehhanism keetmisel

Toites naatriumsulfiit reageerib ligniinipolümeeridega läbi β-O-4 eeterlike sidemete sulfoonimise happelises keskkonnas, moodustades hüdrofiilseid derivaate, mis suurendavad lahustuvust pulbris. See mehhanism eemaldab 70–85% ligniini mittepuust kiududes, nagu bambus, ilma süsivesikute kahjustamiseta, mistõttu on see eriti tõhus kiuliste põllumajandusliku tooraine puhul.

Temperatuuri ja pH kontrollistrateegiad ligniini eemaldamise optimeerimiseks

Temperatuuri ja pH täpne reguleerimine on oluline delignifikatsiooni efektiivsuse maksimeerimiseks:

Temperatuuri hoidmine üle 140°C vahemikus 90–120 minutit tagab põhjaliku lagunemise, samas kui pH vahemikus 2,8–3,2 parandab delignifikatsiooni efektiivsust 15–20% võrreldes neutraalsete tingimustega, minimeerides kõrvalreaktsioone.

Võrdlev toimivus: lehtpuu vs. põllumajanduslikud jäägid

Naatriumsulfiit toimib eriti hästi põllumajandusliku jäätmete lagundamisel. Võtame näiteks bambuse – õigesti töödelduna võib see eemaldada umbes 85–90 protsenti ligniinist, mis on palju parem kui enamikul tihketel puudel, nagu eukalüptus, kus eemaldamine ulatub vaid 65–75 protsendini. Miks nii juhtub? Põllumajanduslike kiudude struktuur sisaldab tavaliselt vähem kondenseerunud ligniini ja neil on õhemad rakuseinad, mistõttu saab sulfiidilahus materjali palju sügavamale tungida. Vaadates tegelikke tulemusi, annab naatriumsulfiidiga töödeldud nisupea umbes 10–15 protsenti rohkem pulbikasvu võrreldes traditsiooniliste tihkpuu pulbimeetoditega. See muudab naatriumsulfiidi kasutamise atraktiivseks valikuks neile, kes soovivad keskkonnasõbralikumal viisil kasutada mittepuulist kiudu.

Paraneb kiudude eraldumine ja pulbi kvaliteet

Rakuseina maatriksi paisumine sulfiidioonide toimel, et parandada kiudude vabanemist

Kui sulfiitioonid puutuvad taimeainetega kokku, lagundavad nad tegelikult osa nendest vesiniksidemetest, mis hoiavad kokku tselluloosi ja ligniini komponente. See põhjustab konkreetset paisumist hemitselluloosi-ligniini osas kiudstruktuuris, nagu näiteks bambusvarras või nisu kõrred. Uuringute kohaselt, mis avaldati ajakirjas Food Packaging and Shelf Life 2022. aastal, võib see protsess põhjustada rakkude seinte laienemist 12–15 protsendi võrra, mis aitab vabaneda üksikuid kiude palju paremini kui traditsioonilised meetodid. Selle lähenemise eriline väärtus seisneb selles, et see vähendab mehaanilise rafineerimiseks vajalikku energiat umbes 18–22 protsenti võrreldes tavapäraste alkaapsega pulbrimisvõtmetega. Lisaks säilitab see teiste protsesside vastandena pikemad kiud terved, mis on eriti oluline hilisemaks formitud toodete valmistamiseks.

Kiudmorfoloogia pärast naatriumsulfiidi töötlemist: nisukõrre juhtumiuuring

AFM-analüüsi kohaselt on naatriumsulfiidiga töödeldud nisujuurte kiud näidanud umbes 23 protsenti vähem pinnalõhesid võrreldes tavapäraste kraftkiududega, lisaks on nendel umbes 40% parem fibrillide joondus. Selle töötluse eriti tõhusaks tegemise põhjus on see, et see vähendab ligniini kondenseerumist, mis hoiab kiud piisavalt poorse seisundis, et need imenduksid vedelikke väga hästi toidupakendite rakendustes. Parandatud struktuur tähendab, et need kiud haarduvad toodete valmistamisel palju paremini kokku. Olemme selle kinnitust näinud mitmesuguste aatomijõumuutkonna mikroskoopiatest viimastel kuudel.

Kõrge vabavoo ja kõrge kasvuomaga puuvaba pulbipäringute rahuldamine

Uusimad termovormimisoperatsioonid loovad nüüd naatriumsulfiidiga töödeldud pulbid, mille CSF-vabaks muundumise tase jääb ligikaudu 650 kuni 700 mL piiki, mis on umbes kolmandiku parem kui vanematel meetoditel. See suurendatud vabaks muundumine võimaldab tootjatel massiliselt valmistada vormitud pulbtooteid vähem kui poole protsendi aukude defektidega, mis vastab täielikult rangele FDA nõudestele toidupakkimise rakendustes. Vaadates numbreid, säilitavad need protsessid umbes 82 kuni 85 protsenti süsivesikuid, saavutades jätkusuutlikkuse eesmärgid, ilma et see maksma peaks palju. Eriliselt muljetavaldav on ka see, kui palju ettevõtted raha säästavad – töötlemiskulusid vähendatakse 18 kuni 22 dollarit tonni kohta võrreldes traditsiooniliste puidupõhiste variantidega.

Pulbide kasvu ja süsivesikute säilitamise maksimeerimine

Hemitselluloosi degradatsiooni vähendamine sulfiidi- ja kräftprotsessides

Naatriumsulfiidi pulberdamine toimib kõige paremini pehmemates pH-vahemikes umbes 4,5 kuni 6,5, mis aitab vähendada hapupürolüüsi ja säilitada umbes 15 kuni 20 protsenti rohkem süsivesikuid võrreldes traditsiooniliste krafti töötlemismeetoditega. Kraftiprotsess loob leelise keskkonna, mis lagundab tegelikult umbes 30 kuni 40 protsenti hemitselluloosi komponente. Sulfiitsüsteemid suudavad vastupidiselt säilitada ligikaudu 85 kuni 90 protsenti neist olulistest tselluloosi-hemitselluloosi seostest. Kui vaadata konkreetselt bambuse rakendusi, siis viimaste uuringute kohaselt säilitab ioonilahuste lisamine sulfiitpulberdusprotsessi muljet avaldavalt 84 protsenti tselluloosi. See on märkimisväärne tõus võrreldes krafti saavutusega vaid 67 protsenti, nagu 2021. aastal GliÅ„ska ja tema kolleegide poolt avaldatud uuring näitas. Need erinevused on suur tähtsus materjali väljavõõte maksimeerimisele suunatud tööstustele, ilma et ohutaks struktuurilist tugevust.

Väljundivõrdlus: eukalüptuse töötlemine sulfiit- ja kraftsüsteemides

Kui juttu on eukalüptuse puidu töötlemisest, siis sulfiitmassi tootmise meetod annab tegelikult paremad tulemused kui traditsioonilised kraftmeetodid. Sulfiittöötlusega saavutatakse umbes 52–55 protsendi tootlikkus, mis on parem kui krafti 48–50 protsenti, sest hapuprotsessi ajal säilib rohkem väärtuslikke glukomannaane. Uuringud 2023. aastal leidsid huvitava asjaolu: sulfiidiga töödeldud eukalüptuses säilis ligikaudu 18,3% hemitselluloosi sisaldus. See on märkimisväärne võrreldes kraftmasside 9,1%-ga ja annab tugevamaid paberitooteid üldiselt. Sama uurimisgrupp uuris ka põllumajanduslikke jäätmeid ning leidis, et optimeeritud tingimustes toodavad sulfiitsüsteemid 80,3% tselluloositootlust. See seab need krafttehnoloogiast ligikaudu 11 protsendipunkti edemale, muutes sulfiittöötluse teatud rakendustes tõeliseks võitjaks.

Lihvimise kiiruse ja saagikuse säilitamise tasakaalustamine

Keetmine temperatuuril 135–145 °C 90–120 minutit maksimeerib saagikust, ilma et tootmisvõimsus kannataks. Allpool 130 °C aeglustub ligniini lagunemine 40%; üle 150 °C laguneb 8–12% tselluloosist. Kaasaegsed tehased kasutavad reaalajas ligniiniandureid, et peatada reaktsioon 85–90% niivõrdumisel, säilitades 94% süsivesikuid ja järgides samas tootmisgraafikut.

Naatriumlignosulfaadi taastootmise ja jätkusuutlikkuse eelised

Jäätmetest väärtuseks: Kasutatud sulfiidiliiva muundamine lignosulfaatideks

Naatriumsulfiidi töötlemisel tekkinud kasutatud sulfiidiliiv teisendatakse nüüd lignosulfaatideks 92–95% taastootmise tõhususega (2025. aasta materjalitaastamise uuring). Need biopõhised polümeerid asendavad sünteetilisi sidemeaineid betooni lisandites, millest katsete käigus selgus, et 40% tugevamad mortlise sidemed petrooltoodetest alternatiividest.

Tööstusliku skaala taastootmine: membraanfiltratsioon ja kontsentreerimine

Mitmeastmeline membraanfiltrimine kontsentreerib lignosulfontoodete voolu 68–72% kõvade ainetena, kasutades 35% vähem energiat kui termiline aurustamine. Iga päev 500 tonni suitsule salajat töötleval tehase saavutab 89% keemilise taastamise, tootes igapäevaselt 280 tonni turule valmis lignosulfaate.

Ringmajanduslike mudelite toetamine kaasaegsetes paberritmetes

Ühe tonni pulberjääki ümberkasutamine 42 000 dollarisse hinnatavatesse lignosulfonatpõhistesse dispergeerijatesse toetab ringmajanduse eesmärke. Suletud süsteemid suunavad nüüd 78% kõrvalsaadustesse põllumajandusse (nt tolmude allsurvandid) ja tekstiilidesse (nt värvijagajad), asendades globaalselt 290 000 meetritonna petrokeemilisi ekvivalente aastas.

KKK

Milline on naatriumsulfiidi roll mittepuidulistest kiulistest pulbri tootmisel?

Naatriumsulfiit lagundab tõhusalt ligniini mittepuidulistest kiulistest, nagu nisukulikas ja bambus, sihtmärgistades selektiivselt beeta-O-4 sidemeid, samal ajal säilitades väärtuslikku tselluloosi, mis viib kõrgemate pulbrikasvudele.

Kuidas aitab sulfiitpulbritusprotsess kaasa jätkusuutlikkusele?

Protsess kasutab põllumajanduslikke jäätmeid, nagu bambust ja tšekki, metsarahvastuse vähendamiseks ja ringmajandusmudelite edendamiseks, teisendades kulutatud sulfiidiliiva väärtuslikuks lignosulfontideks.

Millised on naatriumsulfiidi kasutamise eelised kraftmeetodite suhtes?

Naatriumsulfiidiprotsessid annavad tavaliselt parema pulbiväljundi, suurema süsivesikute säilimise ja väiksema hemitselluloosi lagunemise võrreldes traditsiooniliste kraftmeetoditega.

Miks on temperatuuri ja pH kontroll oluline sulfiidpulpimisprotsessis?

Temperatuuri ja pH kontroll optimeerib delignifitseerimise efektiivsust, soodustab sulfoonimisreaktsioone ning vähendab kõrvalreaktsioone, tagades maksimaalse ligniini eemaldamise ja pulbi kvaliteedi.