چرا سدیم سولفیت در صنعت خمیر کاغذ استفاده می‌شود؟

نقش سدیم سولفیت در فرآیند خمیرسازی سولفیتی

چگونه سدیم سولفیت امکان حذف انتخابی لیگنین در الیاف غیرچوبی را فراهم می‌کند

هنگام تجزیه لیگنین در موادی مانند کاه گندم یا نی، سولفیت سدیم نتایج خوبی به دست می‌دهد و بین ۸۵ تا ۹۲ درصد از محتوای لیگنین را حذف می‌کند. علت موفقیت این روش این است که سولفیت به طور خاص به پیوندهای بتا-O-4 در ساختار لیگنین حمله می‌کند، در حالی که سلولز را سالم نگه می‌دارد. نتیجه نهایی چیست؟ بر اساس تحقیقات منتشر شده در سال گذشته در مجله مرور علم پالپ‌سازی، بازده خمیر کاغذ به میزان ۶ تا ۱۱ درصد نسبت به روش‌های سود سنتی افزایش می‌یابد. و جالب اینجاست که تمام این فرآیند در شرایط اسیدی قابل توجهی انجام می‌شود، معمولاً زمانی که سطح pH بین ۱٫۵ تا ۳ باشد. در این مقادیر پایین pH، یون‌های سولفیت به بخش‌های فنولی مولکول‌های لیگنین حمله کرده و به طور مؤثر پیوندهای اتری را می‌شکنند، بدون آنکه به ساختارهای کربوهیدراتی که برای تولید خمیر کاغذ با کیفیت باید حفظ شوند، آسیب برسانند.

شیمی پشت واکنش‌های اسیدی سولفیت و انحلال‌پذیری لیگنین

هنگامی که سدیم سولفیت در دمای بین ۱۳۰ تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود، یون‌های بی‌سولفیت (HSO3-) تولید می‌کند که به نقاط خاصی از مولکول‌های لیگنین متصل شده و در نهایت ترکیبات محلول در آبی را به نام لیگنوسلفونات‌ها ایجاد می‌کنند. پژوهش‌های اخیر که سال گذشته در مجله شیمی چوب منتشر شد نشان می‌دهد که تنظیم pH در حدود ۲٫۲ برای این واکنش خاص بهترین نتیجه را دارد و پس از تنها دو ساعت حدود سه‌چهارم لیگنین موجود در نمونه‌های کاه برنج را حل می‌کند. با بررسی نحوه پیشرفت واکنش، مشخص می‌شود که این فرآیند از قانونی شناخته‌شده به نام سینتیک شبه درجه اول پیروی می‌کند و برای آغاز آن تقریباً به ۹۸ کیلوژول انرژی در هر مول نیاز است. این امر باعث می‌شود کل فرآیند در تجزیه لیگنین بسیار مؤثر باشد و در عین حال ساختارهای سلولزی را در حین فرآوری آسیب چندانی نبینند.

کاربرد در بامبو و باگاس: مورد استفاده از مواد اولیه پایدار

سطح لیگنین در نیشکر (حدود ۲۴ تا ۲۸ درصد) و باگاس (حدود ۱۹ تا ۲۲ درصد)، این مواد را به‌خوبی برای فرآیندهای خمیرسازی سولفیت مناسب می‌کند. برخی از کارخانه‌های کاغذسازی چینی حتی گزارش داده‌اند که با استفاده از روش‌های سودا سولفیت، به بازدهی حدود ۴۸ درصدی خمیر کاغذ از نیشکر دست یافته‌اند. این رقم در مقایسه با سیستم‌های سنتی کرافت قابل توجه است که معمولاً حدود شش درصد پایین‌تر عمل می‌کنند، همان‌طور که در آخرین گزارش الیاف غیرچوبی سال ۲۰۲۲ آمده است. آنچه این موضوع را بیشتر جالب می‌کند، انطباق آن با اهداف گسترده‌تر پایداری است. برنامه اقدام اقتصاد چرخشی اتحادیه اروپا به‌طور خاص از استفاده از ضایعات کشاورزی مانند این مواد حمایت می‌کند تا میزان جنگل‌زدایی را در میان کشورهای عضو هر سال بین ۱۷ تا ۲۳ درصد کاهش دهد.

کارایی بهبود یافته حذف لیگنین با سدیم سولفیت

مکانیسم تشکیل لیگنین سولفونه شده در طی فرآیند پخت

در حین پخت، سدیم سولفیت تحت شرایط اسیدی از طریق سولفوناسیون پیوندهای اتری β-O-4 با پلیمرهای لیگنین واکنش داده و مشتقات آب‌دوست تولید می‌کند که محلولیت در مایع را افزایش می‌دهد. این مکانیسم ۷۰ تا ۸۵ درصد لیگنین را از الیاف غیرچوبی مانند بامبو جدا می‌کند بدون آن‌که به کربوهیدرات‌ها آسیب برسد و بنابراین برای مواد اولیه کشاورزی الیافی بسیار مؤثر است.

راهبردهای کنترل دما و pH برای بهینه‌سازی حذف لیگنین

کنترل دقیق دما و pH برای حداکثر کردن کارایی زدودن لیگنین ضروری است:

حفظ دمای بالاتر از 140 درجه سانتی‌گراد به مدت 90 تا 120 دقیقه تجزیه کامل را تضمین می‌کند، در حالی که pH بین 2.8 تا 3.2 کارایی زدودن لیگنین را نسبت به شرایط خنثی 15 تا 20 درصد افزایش داده و واکنش‌های جانبی را به حداقل می‌رساند.

عملکرد مقایسه‌ای: چوب انواع سخت در مقابل بقایای کشاورزی

سولفیت سدیم در تجزیه مواد زائد کشاورزی عملکرد بسیار خوبی دارد. به عنوان مثال، نیشکر را در نظر بگیرید؛ با پردازش مناسب می‌تواند حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد لیگنین را حذف کند، در حالی که این مقدار برای بیشتر چوب‌های سخت مانند اکالیپتوس تنها حدود ۶۵ تا ۷۵ درصد است. چرا این اتفاق می‌افتد؟ الیاف کشاورزی عموماً ساختار لیگنین کمتر فشرده‌ای دارند و دیواره سلولی نازک‌تری دارند، بنابراین محلول سولفیت می‌تواند به میزان قابل توجهی عمیق‌تر به داخل ماده نفوذ کند. وقتی به نتایج واقعی نگاه می‌کنیم، کاه گندمی که با سولفیت سدیم پردازش شده است، حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد بازده خمیر کاغذ بیشتری نسبت به روش‌های سنتی تولید خمیر از چوب‌های سخت دارد. این امر فرآیند سولفیت سدیم را به گزینه‌ای جذاب برای کسانی تبدیل می‌کند که به دنبال استفاده مؤثر از الیاف غیرچوبی به شیوه‌ای سازگارتر با محیط زیست هستند.

جداشدگی بهتر الیاف و کیفیت بالاتر خمیر کاغذ

متورم‌شدن ماتریکس دیواره سلولی توسط یون‌های سولفیت برای آزادسازی بهتر الیاف

وقتی یون‌های سولفیت با مواد گیاهی در تماس قرار می‌گیرند، در واقع برخی از پیوندهای هیدروژنی را که مؤلفه‌های سلولز و لیگنین را به هم متصل نگه می‌دارند، تجزیه می‌کنند. این امر باعث تورم خاصی در بخش همی‌سلولز-لیگنین ساختار الیاف موجود در موادی مانند ساقه‌های بامبو یا کاه گندم می‌شود. طبق تحقیقات منتشر شده در مجله Food Packaging and Shelf Life در سال 2022، این فرآیند می‌تواند دیواره سلولی را بین ۱۲ تا ۱۵ درصد منبسط کند که این امر باز کردن الیاف فردی را بسیار بهتر از روش‌های سنتی تسهیل می‌کند. آنچه این روش را بسیار ارزشمند می‌سازد، کاهش حدود ۱۸ تا ۲۲ درصدی انرژی مورد نیاز در مرحله پالایش مکانیکی در مقایسه با روش‌های معمول خمیرزنی قلیایی است. علاوه بر این، برخلاف سایر فرآیندها، این روش الیاف بلند را سالم نگه می‌دارد که امری بسیار مهم برای تولید محصولات قالب‌گیری‌شده در مراحل بعدی است.

مورفولوژی الیاف پس از تیمار با سدیم سولفیت: مطالعه موردی کاه گندم

بر اساس تحلیل میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، الیاف کاه گندم که با سدیم سولفیت تیمار شده‌اند، حدود 23 درصد ترک‌های سطحی کمتری نسبت به الیاف فرآوری‌شده به روش کرافت معمولی نشان می‌دهند و همچنین تقریباً 40 درصد بهتر در ترازبندی فیبریل‌ها قرار دارند. عامل مؤثر این تیمار، کاهش تراکم لیگنین است که باعث می‌شود الیاف به اندازه کافی متخلخل بمانند و برای کاربردهای بسته‌بندی مواد غذایی، جذب مایعات را به خوبی انجام دهند. ساختار بهبودیافته به این معناست که این الیاف هنگام تولید محصولات، به میزان بسیار بیشتری به یکدیگر می‌چسبند. ما این موضوع را در طی ماه‌های اخیر از طریق آزمون‌های متعدد میکروسکوپ نیروی اتمی تأیید کرده‌ایم.

پاسخگویی به تقاضای بازار برای خمیر کاغذ غیرچوبی با راندمان بالا و آزادی جریان بالا

آخرین عملیات ترموفرمینگ اکنون خمیرهایی را ایجاد می‌کنند که با سولفیت سدیم تیمار شده و به سطح آزادی CSF در حدود ۶۵۰ تا ۷۰۰ میلی‌لیتر می‌رسند، که نسبت به روش‌های قدیمی‌تر بهبودی معادل تقریباً یک‌سوم را نشان می‌دهد. این آزادی بیشتر به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا محصولات خمیر قالب‌گیری‌شده را با کمتر از نیم درصد عیوب سوراخ سوزنی به صورت انبوه تولید کنند، که تمام شرایط سخت‌گیرانه FDA را برای کاربردهای بسته‌بندی مواد غذایی برآورده می‌سازد. با نگاه به اعداد و ارقام، این فرآیندها حدود ۸۲ تا ۸۵ درصد کربوهیدرات‌ها را حفظ می‌کنند و بدون هزینه‌های سنگین، اهداف پایداری را محقق می‌سازند. آنچه به‌ویژه قابل توجه است، پول زیادی است که شرکت‌ها صرفه‌جویی می‌کنند و هزینه‌های فرآوری را در مقایسه با گزینه‌های سنتی مبتنی بر چوب، بین ۱۸ تا ۲۲ دلار در هر تن کاهش می‌دهند.

حداکثر کردن بازده خمیر و حفظ کربوهیدرات

کاهش تخریب همی‌سلولز در فرآیندهای سولفیت در مقابل کرافت

پالایش سدیم سولفیت بهترین عملکرد را در محدوده‌های خنثی‌تر pH حدود ۴٫۵ تا ۶٫۵ دارد، که این امر به کاهش تجزیه اسیدی کمک کرده و حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد بیشتر کربوهیدرات‌ها را نسبت به روش‌های سنتی کرافت حفظ می‌کند. فرآیند کرافت یک محیط قلیایی ایجاد می‌کند که در واقع حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد از اجزای همی‌سلولز را تجزیه می‌کند. در مقابل، سیستم‌های سولفیت موفق می‌شوند تقریباً ۸۵ تا ۹۰ درصد از پیوندهای مهم سلولز-همی‌سلولز را حفظ کنند. هنگامی که به طور خاص به کاربردهای بامبو نگاه می‌کنیم، مطالعات اخیر نشان می‌دهند که افزودن مایعات یونی به فرآیند پالایش سولفیت، نرخ حفظ سلولز را در حد ۸۴ درصد حفظ می‌کند. این رقم افزایش قابل توجهی نسبت به عملکرد کرافت است که فقط به ۶۷ درصد می‌رسد، همان‌طور که در تحقیق منتشر شده توسط گلینسکا و همکارانش در سال ۲۰۲۱ گزارش شده است. این تفاوت‌ها برای صنایعی که به دنبال بیشینه‌سازی بازده ماده بدون تخریب یکپارچگی ساختاری هستند، بسیار مهم هستند.

مقایسه بازده: فرآوری اکالیپتوس در سیستم‌های سولفیت و کرافت

در مورد فرآوری چوب اکالیپتوس، روش خمیرسازی سولفیت نتایج بهتری نسبت به روش‌های سنتی کرافت ارائه می‌دهد. فرآیند سولفیت بازدهی حدود ۵۲ تا ۵۵ درصد دارد که به دلیل حفظ بیشتر گلوکومانان‌های ارزشمند در طول فرآیند اسیدی، از کرافت با بازده ۴۸ تا ۵۰ درصد پیشی می‌گیرد. آزمایش‌های اخیر در سال ۲۰۲۳ یافته جالبی را نیز نشان دادند: اکالیپتوسی که با سولفیت پردازش شده بود، حدود ۱۸٫۳ درصد همی‌سلولز را حفظ کرده بود. این مقدار در مقایسه با تنها ۹٫۱ درصد در خمیر کرافت قابل توجه است و به طور کلی منجر به تولید محصولات کاغذی مقاوم‌تری می‌شود. همین تیم تحقیقاتی همچنین مواد زائد کشاورزی را بررسی کرد و یافت که سیستم‌های سولفیت در صورت بهینه‌سازی کامل، بازدهی ۸۰٫۳ درصدی سلولز تولید می‌کنند. این مقدار آن‌ها را حدود ۱۱ درصد از فناوری کرافت پیش می‌اندازد و فرآوری سولفیت را در کاربردهای خاصی به گزینه‌ای بسیار مناسب تبدیل می‌کند.

تعادل بین سرعت حذف لیگنین و حفظ بازده

پخت در دمای 135 تا 145 درجه سانتی‌گراد به مدت 90 تا 120 دقیقه، بازده را بدون قربانی کردن عبوری حداکثر می‌کند. در دمای پایین‌تر از 130 درجه سانتی‌گراد، سرعت حذف لیگنین 40 درصد کاهش می‌یابد؛ و در دمای بالاتر از 150 درجه سانتی‌گراد، 8 تا 12 درصد سلولز تخریب می‌شود. کارخانه‌های مدرن از حسگرهای آنی لیگنین استفاده می‌کنند تا واکنش را در مرحله 85 تا 90 درصد حذف لیگنین متوقف کنند و بدین ترتیب 94 درصد کربوهیدرات‌ها را حفظ کرده و در عین حال برنامه‌های تولید را رعایت کنند.

بازیافت سدیم لیگنوسولفونات و مزایای پایداری

از ضایعات به ارزش: تبدیل مایع سولفیت مصرف‌شده به لیگنوسولفونات‌ها

مایع سولفیت مصرف‌شده از فرآیند سدیم سولفیت اکنون به لیگنوسولفونات‌ها با بازیافتی به میزان 92 تا 95 درصد تبدیل می‌شود (مطالعه بازیافت مواد 2025). این پلیمرهای زیستی جایگزین چسب‌های مصنوعی در افزودنی‌های بتن می‌شوند و آزمایش‌های نمونه نشان داده‌اند 40 درصد پیوند قوی‌تر در ملات نسبت به جایگزین‌های نفتی.

بازیافت در مقیاس صنعتی: فیلتراسیون غشایی و غلظت

فیلتراسیون غشایی چندمرحله‌ای، جریان‌های لیگنوسولفونات را تا 68-72 درصد مواد جامد غلیظ می‌کند و 35 درصد انرژی کمتری نسبت به تبخیر حرارتی مصرف می‌کند. واحدهایی که روزانه 500 تن از مایع ضایعاتی را پردازش می‌کنند، به بازیابی 89 درصدی مواد شیمیایی دست یافته و روزانه 280 تن لیگنوسولفونات آماده بازار تولید می‌کنند.

حمایت از مدل‌های اقتصاد چرخشی در کارخانه‌های کاغذ مدرن

استفاده مجدد از یک تن بقایای جوش‌شویی به منظور تولید 42,000 دلار محصول پراکننده مبتنی بر لیگنوسولفونات، اهداف اقتصاد چرخشی را تقویت می‌کند. سیستم‌های حلقه‌بسته اکنون 78 درصد از محصولات جانبی را به بخش کشاورزی (مانند عوامل کاهش گردوغبار) و صنعت نساجی (مانند حامل‌های رنگ) هدایت می‌کنند و به این ترتیب معادل 290,000 تن مواد نفتی را سالانه در سطح جهانی جایگزین می‌کنند.

سوالات متداول

سدیم سولفیت در جوش‌دادن الیاف غیرچوبی چه نقشی دارد؟

سدیم سولفیت به طور مؤثر لیگنین موجود در الیاف غیرچوبی مانند کاه گندم و بامبو را تجزیه می‌کند و به طور انتخابی به پیوندهای بتا-O-4 حمله می‌کند، در حالی که سلولز ارزشمند را حفظ می‌کند و در نتیجه بازده بالاتری از خمیر کاغذ به دست می‌آید.

فرآیند جوش‌دادن سولفیت چگونه به پایداری کمک می‌کند؟

این فرآیند از ضایعات کشاورزی مانند بامبو و باگاس برای کاهش قطع درختان و بهبود مدل‌های اقتصاد دایر استفاده می‌کند و با تبدیل مایع سولفیت مصرف‌شده به لیگنوسلفونات‌های ارزشمند، این هدف را پیش می‌برد.

مزایای استفاده از سدیم سولفیت نسبت به روش‌های کرافت چیست؟

فرآیندهای سدیم سولفیت معمولاً منجر به بازده بالاتر خمیر کاغذ، حفظ بیشتر کربوهیدرات‌ها و تخریب کمتر همی‌سلولز در مقایسه با روش‌های سنتی کرافت می‌شوند.

چرا کنترل دما و pH در فرآیند خمیرسازی سولفیت مهم است؟

کنترل دما و pH کارایی حذف لیگن را بهینه می‌کند، واکنش‌های سولفوناسیون را تسهیل می‌کند و واکنش‌های جانبی را به حداقل می‌رساند و کیفیت بالایی از حذف لیگن و خمیر کاغذ را تضمین می‌کند.