Zašto se natrijev sulfit koristi u industriji proizvodnje papirne pulpe?

Uloga natrijeva sulfita u sulfitnom procesu proizvodnje pulpe

Kako natrijev sulfit omogućuje selektivno uklanjanje lignina iz netrpavičastih vlakana

Kada je riječ o razgradnji lignina u materijalima poput pšenične slame ili trske, natrijev sulfit daje prilično dobre rezultate, uklanjajući između 85 i 92 posto sadržaja lignina. Ono što čini ovaj postupak tako učinkovitim jest da sulfit specifično napada one beta-O-4 veze u strukturi lignina, istovremeno zadržavajući celulozu netaknutom. Konačni rezultat? Prinos papira povećava se za 6 do 11 postotnih poena u odnosu na tradicionalne kraft metode, prema istraživanju objavljenom prošle godine u časopisu Pregled znanosti o prerađivanju drva. Zanimljivo je da se sve ovo događa u prilično kiselim uvjetima, obično kada pH vrijednosti variraju između 1,5 i 3. Na tim niskim pH vrijednostima, stvarni sulfitni ioni ciljano djeluju na fenolne dijelove molekula lignina, učinkovito razdvajajući te eterske veze, bez oštećenja ugljikohidratnih struktura koje želimo sačuvati radi proizvodnje kvalitetnog papira.

Kemija kiselih sulfitnih reakcija i otapanja lignina

Kada se zagrijava između 130 i 150 stupnjeva Celzijevih, natrijev sulfit stvara bisulfitne ione (HSO3-) koji se vežu za molekule lignina na specifičnim ugljikovim točkama, konačno stvarajući vodootporne spojeve poznate kao lignosulfonati. Nedavna istraživanja objavljena prošle godine u časopisu Journal of Wood Chemistry sugeriraju da pH postavljen oko 2,2 najbolje odgovara ovoj reakciji, omogućujući otapanje oko tri četvrtine lignina iz uzoraka rižinog slame nakon samo dvije sata. Uzimajući u obzir tijek reakcije, čini se da slijedi ono što znanstvenici nazivaju kinetikom lažno prvog reda, za koju je potrebno približno 98 kilodžula po molu energije kako bi započela. To čini cijeli proces prilično učinkovitim u razgradnji lignina bez prevelikog oštećenja celuloznih struktura tijekom obrade.

Primjena na bambusu i bagasi: Slučaj za održive sirovine

Razine lignina u bambusu (oko 24 do 28%) i bagasi (oko 19 do 22%) ovu sirovinu svrstavaju među pogodne materijale za sulfitnu proizvodnju pulpe. Neki kineski papirnički kombinati izvješćuju čak o oko 48% prinosa pulpe iz bambusa primjenom natrijevih sulfitnih metoda. To je prilično impresivno u usporedbi s tradicionalnim kraft sustavima koji obično zaostaju za oko šest postotnih poena, prema najnovijem Izvješću o ne-drvnom vlaknu iz 2022. godine. Ono što ovo čini još zanimljivijim jest kako se to uklapa u šire ciljeve održivosti. Plan za akciju krugovne ekonomije Europske unije posebno potiče korištenje poljoprivrednih otpadnih proizvoda poput ovih kako bi se pomoglo smanjiti stope deforestacije negdje između 17% i 23% svake godine u državama članicama.

Poboljšana učinkovitost odstranjivanja lignina s natrijevim sulfitom

Mehanizam stvaranja sulfoniranog lignina tijekom kuhanja

Tijekom kuhanja, natrijev sulfit reagira s ligninskim polimerima putem sulfonacije β-O-4 eternih veza u kiselim uvjetima, proizvodeći hidrofilne derivate koji poboljšavaju otapanje u tekućini. Ovaj mehanizam uklanja 70-85% lignina iz vlakana koja nisu drvena, poput bambusa, bez oštećenja ugljikohidrata, zbog čega je iznimno učinkovit za vlaknaste poljoprivredne sirovine.

Strategije kontrole temperature i pH za optimizaciju uklanjanja lignina

Precizna kontrola temperature i pH-a ključna je za maksimalnu učinkovitost određivanja:

Održavanje temperatura iznad 140°C tijekom 90-120 minuta osigurava temeljito razlaganje, dok pH između 2,8 i 3,2 poboljšava učinkovitost određivanja za 15-20% u usporedbi s neutralnim uvjetima, minimizirajući sporedne reakcije.

Usporedba učinkovitosti: listopadno drvo naspram poljoprivrednih ostataka

Natrijev sulfit izvrsno funkcionira kod razgradnje poljoprivrednih otpadnih materijala. Uzmimo bambus, na primjer, može ukloniti oko 85 do 90 posto lignina ako se pravilno obradi, što je znatno bolje od većine tvrdih vrsta drva poput eukaliptusa koji ostvaruju uklanjanje tek oko 65 do 75 posto. Zašto se to događa? Pa, vlakna iz poljoprivrede općenito imaju manje kondenzirane strukture lignina i tanje stanične zidove, pa otopina sulfita može prodrijeti dublje u materijal. Kada pogledamo stvarne rezultate, pšenična slama obrađena natrijevim sulfitom daje oko 10 do 15 posto više prinosa celuloze u usporedbi s tradicionalnim metodama celulozne proizvodnje od tvrdog drva. To čini procesiranje natrijevim sulfitom privlačnom opcijom za one koji žele racionalno iskorištavati ne-drvena vlakna na ekološki prihvatljiviji način.

Poboljšano odvajanje vlakana i kvaliteta pulpe

Nabubrenje matrice staničnog zida sulfidnim ionima radi boljeg oslobađanja vlakana

Kada sulfitni ioni dođu u kontakt s biljnim materijalima, zapravo razgrađuju neke od tih vodikovih veza koje drže zajedno celulozu i lignin. To uzrokuje specifično oticanje unutar dijela strukture vlakana hemiceluloze i lignina koji se nalazi u stvarima poput stabljika bambusa ili pšenične slame. Prema istraživanju objavljenom u časopisu Food Packaging and Shelf Life još 2022. godine, ovaj proces može uzrokovati širenje staničnih zidova od 12 do 15 posto, što znatno bolje oslobađa pojedinačna vlakna u usporedbi s tradicionalnim metodama. Ono što ovaj pristup čini toliko vrijednim jest smanjenje potrošnje energije tijekom mehaničkog rafiniranja za oko 18 do 22 posto u odnosu na standardne alkalne postupke proizvodnje pulpe. Osim toga, za razliku od drugih postupaka, ova metoda očuvava duža vlakna, što je iznimno važno za kasniju izradu kaljenih proizvoda.

Morfologija vlakana nakon tretmana natrijevim sulfitom: slučaj pšenične slame

Prema AFM analizi, žitarice od pšenice tretirane natrijevim sulfitom zapravo pokazuju otprilike 23 posto manje pukotina na površini u usporedbi s običnim kraft postupcima, a također imaju oko 40% bolju poravnanost fibrila. Ono što ovaj tretman čini toliko učinkovitim je smanjenje kondenzacije lignina, što održava vlakna dovoljno poroznima kako bi vrlo dobro upijala tekućine za primjenu u pakiranju hrane. Poboljšana struktura znači da se ova vlakna znatno bolje drže skupa prilikom proizvodnje proizvoda. Ovo smo potvrdili kroz različite testove atomske silne mikroskopije u posljednjih nekoliko mjeseci.

Zadovoljavanje tržišnog potražnje za visokofreenesnim, visokoprinosnim celuloznim masama bez drva

Najnovije operacije termooblikovanja sada stvaraju pulpe tretirane sulfitom natrija koje postižu razine slobodnog odlijevanja od oko 650 do 700 mL CSF, što predstavlja otprilike trećinu bolju učinkovitost u usporedbi sa starijim tehnologijama. Povećana sloboda odlijevanja omogućuje proizvođačima masovnu proizvodnju kalandranih pulpnih artikala s manje od pola posto nedostataka u obliku mikropukotina, što zadovoljava sve kriterije strogih FDA zahtjeva za primjenu u pakiranju hrane. Gledajući brojke, ovi procesi zadržavaju približno 82 do 85 posto ugljikohidrata, postižući ciljeve održivosti bez prevelikih troškova. Posebno je impresivno i koliko novca tvrtke uštede, smanjujući troškove obrade za između osamnaest i dvadeset dva dolara po toni u usporedbi s tradicionalnim drvenim alternativama.

Maksimalizacija prinosa pulpe i zadržavanje ugljikohidrata

Smanjena degradacija hemiceluloze u sulfitnom u odnosu na kraft procese

Sulfitna pulpiranja najbolje djeluju u blagim pH rasponima oko 4,5 do 6,5, što pomaže u smanjenju kiselinskog raspada i zadržava oko 15 do 20 posto više ugljikohidrata netaknutih u usporedbi s tradicionalnim kraft postupcima. Kraft postupak stvara alkalno okruženje koje zapravo razgrađuje otprilike 30 do 40 posto komponenti hemiceluloze. Nasuprot tome, sulfitni sustavi uspijevaju zadržati približno 85 do 90 posto tih važnih veza celuloze i hemiceluloze. Kada se posebno promatra primjena na bambusu, nedavne studije pokazuju da dodavanje ionskih tekućina u sulfitni proces pulpiranja održava impresivnih 84 posto retencije celuloze. To je priličan skok u odnosu na kraft koji postiže samo 67 posto, prema istraživanju objavljenom od strane Glińskog i suradnika još 2021. godine. Ove razlike imaju veliki značaj za industrije koje se fokusiraju na maksimizaciju iskorištaja materijala bez narušavanja strukturne čvrstoće.

U skladu s člankom 3. stavkom 1.

Kada je riječ o obradi drveta eukaliptusa, metoda pulpiranja sulfitom zapravo daje bolje rezultate od tradicionalnih metoda kraft. Sulfitna obrada daje oko 52 do 55 posto prinosa, što je bolje od 48 do 50 posto od Kraftove jer zadržava više tih vrijednih glukomana netaknutih tijekom procesa kiselog tretmana. Nedavni testovi iz 2023. godine otkrili su nešto zanimljivo: eukaliptus tretiran sulfitom zadržao je oko 18,3% sadržaja hemiceluloze. To je prilično impresivno u usporedbi s samo 9,1% za kraft pulpe, i čini za jače papir proizvoda ukupno. Isti istraživački tim je također proučavao poljoprivredne otpadne materijale i otkrio da sulfitni sustavi proizvode 80,3% celuloze kada je sve ispravno optimizirano. To ih stavlja ispred kraft tehnologije za otprilike 11 posto, što sulfit obradu izgleda kao pravi pobjednik za određene primjene.

U skladu s člankom 3. stavkom 2.

Kuhanje na 135-145°C 90-120 minuta maksimalno povećava prinos bez gubitka proizvodnje. Pod 130°C, delignifikacija se usporava za 40%; iznad 150°C, 8-12% celuloze se razgrađuje. Moderne tvornice koriste senzor lignina u stvarnom vremenu kako bi zaustavile reakcije pri 85-90% delignifikacije, čuvajući 94% ugljikohidrata dok se zadovoljavaju rasporedi proizvodnje.

U skladu s člankom 3. stavkom 1.

Od otpada do vrijednosti: pretvaranje potrošene sulfitne piće u lignosulfonate

U skladu s člankom 3. stavkom 1. točkom (a) Uredbe (EZ) br. 1272/2008 Komisija je odlučila da se odredi da se od 1. siječnja 2017. Ti biološki polimeri zamjenjuju sintetičke vezivače u betonskim dodataka, a pilotna ispitivanja pokazuju da se u 40% jače obveznice iz maltera nego alternativama na bazi nafte.

U industrijskoj mjeri: Filtracija i koncentracija membrane

U slučaju da se primjenjuje metoda iz točke (a) ovog članka, u skladu s člankom 6. stavkom 2. točkom (a) ovog članka, se za određene vrste proizvoda primjenjuje metoda iz točke (a) ovog članka. U postrojenjima za obradu 500 tona potrošene pića dnevno postiže se 89% kemijske oporavka, što daje 280 tona lignosulfonata spremnih za tržište dnevno.

Podrška modelima cirkularne ekonomije u suvremenim tvornicama papira

Preusmjeravanje tone ostataka od celuloze u dispersante na bazi lignosulfonata u vrijednosti od 42.000 dolara podržava ciljeve cirkularne ekonomije. Sustavi zatvorene kružne veze sada usmjeravaju 78% nusproizvoda u poljoprivredu (npr. supresori prašine) i tekstil (npr. nositelji boja), zamjenjujući 290.000 metričkih tona godišnje petrohemikalijskih ekvivalenata u svijetu.

Česta pitanja

Koju ulogu natrijev sulfit igra u proizvodnji celuloze od ne-drvenih vlakana?

Natrijev sulfit učinkovito razgrađuje lignin u ne-drvenim vlaknima kao što su pšenična slama i bambus, selektivno ciljajući na beta-O-4 veze, a istovremeno čuvajući vrijednu celulozu, što rezultira većim prinosom celuloze.

Kako proces pulpiranja sulfita pridonosi održivosti?

Proces koristi poljoprivredne otpadne proizvode poput bambusa i bagase kako bi se smanjila krčenje šuma i poboljšali modeli kružnog gospodarstva pretvaranjem potrošene sulfitne piće u vrijedne lignosulfonate.

Koje su prednosti korištenja natrijum sulfita u usporedbi s kraft metodama?

Procesima s natrijum sulfitom obično se postiže bolji prinos celuloze, veća zadržavanje ugljikohidrata i manja degradacija hemiceluloze u usporedbi s tradicionalnim metodama kraft.

Zašto su kontrola temperature i pH-a važna u procesu pulpiranja sulfita?

Kontrola temperature i pH-a optimizira učinkovitost delignifikacije, olakšava reakcije sulfonacije i minimizira nuspojave, osiguravajući maksimalno uklanjanje lignina i kvalitetu celuli.