Miksi natriumsulfiittia käytetään paperimassan valmistuksessa?

Natriumsulfiitin rooli sulfiattimassanvalmistusprosessissa

Miten natriumsulfiitti mahdollistaa valikoivan ligniinin poiston ei-puukuiduista

Kun kyseessä on ligniinin hajottaminen raaka-aineissa, kuten vehnäniissä tai ruoko, natriumsulfiitti antaa erittäin hyviä tuloksia, poistaen 85–92 prosenttia ligniinipitoisuudesta. Tämän menetelmän tehokkuuteen vaikuttaa se, että sulfiitti hajottaa erityisesti ligniinin rakenteessa olevia beeta-O-4-sidoksia samalla säilyttäen selluloosan ehjänä. Lopputuloksena määrä kasvaa 6–11 prosenttiyksikköä verrattuna perinteisiin kraft-menetelmiin tutkimuksen mukaan, joka julkaistiin viime vuonna lehdessä Pulping Science Review. Mielenkiintoisesti kaikki tämä tapahtuu melko happamissa olosuhteissa, yleensä kun pH-taso on noin 1,5–3. Näissä matalissa pH-arvoissa varsinaiset sulfiittionit kohdistuvat ligniinimolekyylien fenolisiin osiin, pilkoten tehokkaasti niiden eetteriyhteydet ilman, että kosketaan hiilihydraattirakenteita, joita halutaan säilyttää laadukkaan massan tuotantoa varten.

Happaman sulfiittireaktion ja ligniinin liukoisuuden taustalla oleva kemia

Kun natriumsulfiittia lämmitetään 130–150 asteen Celsiusasteiden välillä, muodostuu bisulfiittioneja (HSO3⁻), jotka kiinnittyvät ligniinimolekyyleihin tietyissä hiilipisteissä ja johtavat lopulta veteen liukoisiksi yhdisteiksi, joita kutsutaan lignosulfonaateiksi. Viime vuonna julkaistu tutkimus Wood Chemistry -lehdessä viittaa siihen, että pH:n asettaminen noin 2,2 tasolle toimii parhaiten tälle reaktiolle, jolloin noin kolme neljäsosaa ligniinistä liukenee riisinkuorista jo kahdessa tunnissa. Reaktion etenemistä tarkasteltaessa se noudattaa sitä, mitä tiedemiehet kutsuvat pseudoeksimääräiseksi kinetiikaksi, ja vaatii käynnistymiseen noin 98 kilojoulea molea kohti. Tämä tekee koko prosessista tehokkaan ligniinin hajottamisessa ilman, että selluloosarakenteet vahingoittuisivat merkittävästi käsittelyn aikana.

Sovellus bambussa ja sokeriruo'ossa: tapaus kestäviä raaka-aineita

Bambulin (noin 24–28 %) ja sokeriruokojuoman (noin 19–22 %) ligniinipitoisuudet sijoittavat nämä materiaalit hyvin sulfiittikeittoprosesseihin. Joidenkin kiinalaisten paperitehtaiden on raportoitu saavan noin 48 %:n massantuotto bambusta käyttäessään natriumsulfiittimenetelmää. Tämä on melko vaikuttavaa verrattuna perinteisiin kraft-järjestelmiin, jotka yleensä jäävät noin kuusi prosenttiyksikköä alemmaksi vuoden 2022 Non-Wood Fiber -raportin mukaan. Tämä tekee asiasta vielä mielenkiintoisemman laajempiin kestävyystavoitteisiin sopeutuvana ratkaisuna. Euroopan unionin kierrättämistalouden toimintasuunnitelma kannustaa erityisesti maatalousjätteiden, kuten näiden, hyödyntämiseen auttamaan metsittämisen vähentämisessä jäsenvaltioissa vuosittain 17–23 %.

Parannettu delignifikaation tehokkuus natriumsulfiitilla

Sulfonoidun ligniinin muodostumismekanismi keittoprosessin aikana

Kuumentamisen aikana natriumsulfiitti reagoi ligniinipolymeerien kanssa sulfonoinnin kautta β-O-4-etyyrisidosten kohdalla happamissa olosuhteissa, tuottaen hydrofiilisiä johdannaisia, jotka parantavat liukoisuutta lipeässä. Tämä mekanismi poistaa 70–85 % ligniinistä ei-puukuitujen, kuten bambun, kohdalla vahingoittamatta hiilihydraatteja, mikä tekee siitä erittäin tehokkaan kuitumaisille maatalousraaka-aineille.

Ligniinin poiston optimointi lämpötilan ja pH:n säätöstrategioilla

Tarkka lämpötilan ja pH:n säätö on ratkaisevan tärkeää valkaisutehokkuuden maksimoimiseksi:

Lämpötilan ylläpito yli 140 °C:ssa 90–120 minuutin ajan varmistaa perusteellisen hajoamisen, kun taas pH-arvo välillä 2,8–3,2 parantaa valkaisutehokkuutta 15–20 % verrattuna neutraaleihin olosuhteisiin, vähentäen sivureaktioita.

Vertailu suorituskyvystä: lehtipuu vs. maatalouden jäännösaineet

Natriumsulfiitti toimii erittäin hyvin maatalousjätteiden hajottamisessa. Otetaan esimerkiksi bambu, josta voidaan poistaa noin 85–90 prosenttia ligniinistä, kun se käsitellään asianmukaisesti – huomattavasti paremmin kuin useimmista lehtipuista, kuten eukalyptuksesta, joista saadaan vain noin 65–75 prosentin poistoaste. Miksi näin tapahtuu? No, maatalouskuitujen ligniinirakenteet ovat yleensä vähemmän tiiviit ja soluseinät ohuempia, joten sulfiittiliuos pääsee tunkeutumaan materiaaliin paljon syvemälle. Katsottaessa todellisia tuloksia, natriumsulfiitilla käsitelty vehnäolki tuottaa noin 10–15 prosenttia enemmän massaa verrattuna perinteisiin lehtipuiden massamenetelmiin. Tämä tekee natriumsulfiittikäsittelystä houkuttelevan vaihtoehdon niille, jotka haluavat hyödyntää ei-puukuituja ympäristöystävällisemmällä tavalla.

Parantunut kuitujen erottautuminen ja massan laatu

Sulfiatti-ionien aiheuttama soluseinämatriksin turpoaminen paremman kuidenerottumisen saavuttamiseksi

Kun sulfiittionit tulevat kosketukseen kasvimateriaalien kanssa, ne hajottavat osan vety-sidoksista, jotka pitävät selluloosan ja ligniinin komponentteja yhdessä. Tämä aiheuttaa erityistä turpoamista hemiselluloosa-ligniini -osassa kuidun rakenteessa, jota löytyy esimerkiksi bambusauvoista tai vehnän strontista. Tutkimuksen mukaan, joka julkaistiin aikakauslehdessä Food Packaging and Shelf Life vuonna 2022, tämä prosessi voi saada soluseinät laajenemaan 12–15 prosenttia, mikä vapauttaa yksittäisiä kuituja huomattavasti tehokkaammin kuin perinteiset menetelmät. Tämän lähestymistavan arvo on siinä, että se vähentää koneelliseen jalostukseen tarvittavaa energiaa noin 18–22 prosenttia verrattuna tavallisiin emäspulppointitekniikoihin. Lisäksi, toisin kuin muissa prosesseissa, se säilyttää pidemmät kuidut ehjänä, mikä on erittäin tärkeää myöhemmissä muovattujen tuotteiden valmistuksessa.

Kuidun muodostuminen natriumsulfiitin käsittelyn jälkeen: Vehnän stronti -tapaus

AFM-analyysin mukaan natriumsulfiitilla käsiteltyjen vehnäoljyjen pinnassa on noin 23 prosenttia vähemmän halkeamia verrattuna tavallisiin kraft-kuituihin, ja niiden fibrillien suuntautuminen on myös noin 40 prosenttia parempaa. Tämä käsittely on tehokasta, koska se vähentää ligniinin kondensoitumista, mikä pitää kuidut riittävän huokoisina nesteen hyvän imeytymisen varmistamiseksi elintarvikkeiden pakkauksiin. Parantunut rakenne tarkoittaa, että nämä kuidut pitävät yhdessä paljon paremmin valmistettaessa niistä tuotteita. Olemme havainneet tämän vahvistetuksi useissa atomivoimamikroskopiakokeissa viime kuukausina.

Korkean vapauden ja korkean saannon ei-puupohjaisen massan markkinoiden kysynnän täyttäminen

Uusimmat termomuovausmenetelmät tuottavat nyt natriumsulfiitilla käsiteltyjä massoja, joiden CSF-vapausaste on noin 650–700 ml, mikä tarkoittaa suunnilleen kolmanneksen parempaa suorituskykyä vanhoihin menetelmiin verrattuna. Tämä parantunut vapausaste mahdollistaa muovattujen massatuotteiden massatuotannon vähemmän kuin puolen prosentin pinnokevirheillä, mikä täyttää kaikki tiukat FDA-vaatimukset elintarvikkeiden pakkauksiin liittyen. Numerot tarkasteltuna nämä prosessit säilyttävät noin 82–85 prosenttia hiilihydraateista ja saavuttavat kestävyystavoitteet kustannustehokkaasti. Erityisen vaikuttavaa on myös se, kuinka paljon yritykset säästävät rahaa, vähentäen käsittelykustannuksia 18–22 dollaria per tonni verrattuna perinteisiin puupohjaisiin vaihtoehtoihin.

Massantuoton ja hiilihydraattien säilytyksen maksimointi

Hemielluloosan hajoamisen vähentyminen sulfiittiprosessissa verrattuna sulfaattiprosessiin

Natriumsulfiittikeittä toimii parhaiten lievemmissä pH-alueissa noin 4,5–6,5, mikä auttaa vähentämään hapon aiheuttamaa hajoamista ja säilyttää noin 15–20 prosenttia enemmän hiilihydraatteja verrattuna perinteisiin sulfaattikeittomenetelmiin. Sulfaattiprosessi luo emäksisen ympäristön, joka hajottaa noin 30–40 prosenttia hemiselluloosikomponenteista. Sen sijaan sulfiittijärjestelmät pystyvät säilyttämään noin 85–90 prosenttia näistä tärkeistä selluloosa-hemiselluloosa-sidoksista. Kun tarkastellaan erityisesti bambuun liittyviä sovelluksia, viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että ionisten nesteiden lisääminen sulfiittikeittoprosessiin säilyttää vaikuttavan 84 prosenttia selluloosasta. Tämä on huomattava parannus verrattuna sulfaattiprosessin saavuttamaan 67 prosenttiin, kuten GliÅ„ska ja kollegat julkaisivat vuonna 2021. Nämä erot ovat erittäin merkittäviä teollisuudenaloille, jotka pyrkivät maksimoimaan materiaalin saannon rakenteellista eheyttä kompromisoimatta.

Tuotannon vertailut: Eukalyptuksen jalostus sulfiitti- ja kraftisysteemeissä

Eukalyptuspuun jalostuksessa sulfiittipulppousmenetelmä antaa todellisuudessa parempia tuloksia kuin perinteiset kraftmenetelmät. Sulfiitin käsittely saa noin 52-55 prosenttia tuottoa, mikä voittaa kraftin 48-50 prosenttia, koska se pitää enemmän arvokasta glukomannaania koskemattomana happohoitoprosessin aikana. Viimeisimmät testit vuodelta 2023 havaitsivat myös jotain mielenkiintoista: sulfiitilla käsitelty eukalyptus säilytti noin 18,3 prosentin hemiselluloosipitoisuuden. Se on melko vaikuttavaa verrattuna vain 9,1 prosenttiin kraft-massoista. Samat tutkijat tutkivat myös maatalouden jätteitä ja havaitsivat, että sulfiittijärjestelmät tuottivat 80,3 prosentin selluloosatuotannon, kun kaikki oli optimoitu oikein. Se asettaa ne yli kraft-teknologian noin 11 prosenttiyksikköä, - joten sulfiitin käsittely näyttää voittavalta tietyille sovelluksille.

Varausvähennyksen nopeuden ja tuotannon säilyttämisen välillä

Kun ruokaa keitetään 135 - 145 °C:n lämpötilassa 90 - 120 minuuttia, tuotantokapasiteetti kasvaa mahdollisimman paljon. Alle 130 °C:n lämpötilassa delignification hidastuu 40 prosenttia; yli 150 °C:n lämpötilassa 8-12 prosenttia selluloosista hajoaa. Nykyaikaiset tehtaat käyttävät reaaliaikaisia ligniinisensoreita pysäyttääkseen reaktioita 85-90% delignificationissa, säilyttäen 94% hiilihydraatteja, kun tuotantosuunnitelmia noudatetaan.

Natriumlignosulfonaatin palautus ja kestävyysetuja

Jätteestä arvoa: Käytetyn sulfiittijuoman muuntaminen lignosulfonaateiksi

Natriumsulfiitin käsittelyn käytetyn sulfiittiliuoksen muuntaminen lignosulfonaateiksi on nyt 92-95%:n palautustehokkuutta (2025-materiaalien palautustutkimus). Nämä biopohjaiset polymeerit korvaavat synteettiset sidosemittarit betoniliitteissä. 40% vahvempia teräskortteja tämä on erittäin tärkeää.

Teollisuuden mittakaavan palauttaminen: kalvon suodatus ja keskittyminen

Monivaiheinen kalvo-suodatus keskittää lignosulfaattivirrat 68–72 %:n kiintoaineisiin, käyttäen 35 % vähemmän energiaa kuin lämpöhöyrystys. Vuorokaudessa 500 tonnia käytettyä lipeää prosessoivat laitokset saavuttavat 89 %:n kemikaalipalomuksen, tuottaen päivittäin 280 tonnia markkinoille valmiita lignosulfaatteja.

Ympäripyörivien talousmallien tukeminen nykyaikaisissa paperitehtaissa

Yhden tonnin massajäähteen uudelleenkäyttö tuottaakseen 42 000 dollarin arvosta lignosulfonaattipohjaisia dispersoivia aineita edistää kiertotalouden tavoitteita. Suljetut järjestelmät ohjaavat nyt 78 % sivutuotteista maatalouteen (esim. pölyn hillittimeen) ja tekstiileihin (esim. väriaineiden kuljettajiin), korvaten globaalisti 290 000 metristä tonnia öljyjalosteita vuodessa.

UKK

Mikä on natriumsulfiitin rooli ei-puuisen kuidun keittämisessä?

Natriumsulfiitti hajottaa tehokkaasti ligniiniä ei-puuisissa kuiduissa, kuten vehnäniissä ja bambussa, kohdentaen erityisesti beta-O-4-sidoksia samalla kun säilytetään arvokasta selluloosaa, mikä johtaa korkeampiin massatuotannon saatoon.

Miten sulfiittikeittoprosessi edistää kestävyyttä?

Prosessi käyttää maatalouden jätetuotteita, kuten bambua ja sokeriruo'osta saatavaa bagassia, metsästämisen vähentämiseksi ja kierrätystalouden mallien parantamiseksi, kun käytetty sulfiittiliemi muunnetaan arvokkaiksi lignosulfonaateiksi.

Mikä on etuja natriumsulfiitin käytössä verrattuna sulfaattikeittoprosesseihin?

Natriumsulfiittiprosessit tuottavat yleensä parempia massatuotoksia, korkeampaa hiilihydraattien säilymistä ja vähemmän hemieselluloosan hajoamista verrattuna perinteisiin sulfaattikeittomenetelmiin.

Miksi lämpötilan ja pH:n säätö on tärkeää sulfiattikeiton prosessissa?

Lämpötilan ja pH:n säätö optimoi delignifikaation tehokkuuden, edistaa sulfoonointireaktioita ja minimoi sivureaktiot, varmistaen maksimaalisen ligniinin poiston ja massan laadun.