Miért használják a nátrium-szulfitot a papír cellulózgyártásban?

A nátrium-szulfit szerepe a szulfitos cellulózgyártási folyamatban

Hogyan teszi lehetővé a nátrium-szulfit a szelektív delignifikációt nem faalapú rostok esetén

Amikor a szénában vagy nádban lévő lignint bontani kell, a nátrium-szulfit kiváló eredményeket ér el, eltávolítva a lignin 85 és 92 százalékát. Ennek sikerének oka az, hogy a szulfit specifikusan a lignin szerkezetében található béta-O-4 kötéseket támadja meg, miközben a cellulózt érintetlenül hagyja. A végeredmény? A múlt évben a Pulping Science Review-ben publikált kutatások szerint a cellulózhozam 6 és 11 százalékponttal magasabb, mint a hagyományos kraft módszernél. És ami érdekes, mindez meglehetősen savas körülmények között történik, általában akkor, amikor a pH-érték 1,5 és 3 között van. Az ilyen alacsony pH-értékek mellett a szulfitionok a ligninmolekulák fenolos részeit célozzák meg, hatékonyan szétszakítva az éterkötéseket anélkül, hogy zavarnák a szénhidrát-struktúrákat, amelyeket a minőségi cellulózgyártás érdekében meg kell őrizni.

A savas szulfit reakciók és a lignin oldhatóvá válásának kémiai háttere

Amikor 130 és 150 °C közötti hőmérsékleten melegítik, a nátrium-szulfit biszulfátionokat (HSO3-) képez, amelyek specifikus szénatomhelyeken kapcsolódnak a ligninmolekulákhoz, végül vízben oldható vegyületekké, úgynevezett lignoszulfonátokká alakulva. A tavaly a Wood Chemistry folyóiratban megjelent kutatás szerint ennek a reakciónak a pH-értékét körülbelül 2,2-re állítva érhető el a legjobb hatásfok, amely körülbelül háromnegyed részének oldódását teszi lehetővé a szalmaszárakból csupán két óra alatt. A reakció kinetikáját tekintve úgy tűnik, hogy az tudósok által pszeudo elsőrendű kinetikának nevezett folyamatot követ, és körülbelül 98 kilojoule/mol energiára van szüksége az indításhoz. Ez az egész folyamatot igen hatékonyá teszi a lignin bontásában anélkül, hogy jelentősen károsítaná a cellulóz szerkezeteket a kezelés során.

Alkalmazás bambuszban és bagasszéban: Fenntartható nyersanyagok esete

A bambusz (kb. 24–28%) és a bagacso (körülbelül 19–22%) lignintartalma jól pozicionálja ezeket az anyagokat a szulfitos cellulózgyártási eljárások számára. Néhány kínai papírgyár valójában körülbelül 48%-os cellulózhozamot ért el bambuszból nátrium-szulfitos módszer alkalmazásával. Ez elég lenyűgöző eredmény a hagyományos kraft-rendszerekhez képest, amelyek általában hat százalékponttal maradnak el a 2022-es Nem Fa Alapú Rost Jelentés szerint. Még érdekesebbé teszi ezt az adatot, hogy hogyan illeszkedik a tágabb fenntarthatósági célokba. Az Európai Unió Környezetbarát Gazdaság Akcióterve kifejezetten előmozdítja a mezőgazdasági melléktermékek, például ezeknek az anyagoknak a felhasználását, hogy évente 17–23% között csökkentsék az erdőirtás mértékét az uniós tagállamokban.

Nátrium-szulfitos delignifikálási hatékonyság javítása

A szulfonált lignin képződésének mechanizmusa főzés közben

Főzés közben a nátrium-szulfit savas körülmények között szulfonálja a lignin polimerek β-O-4 éterkötéseit, hidrofil származékokat képezve, amelyek javítják az oldhatóságot a főzőlében. Ez a mechanizmus a nem faalapú rostok, például a bambusz esetében a lignin 70–85%-át eltávolítja anélkül, hogy károsítaná a szénhidrátokat, így különösen hatékony mezőgazdasági eredetű rostos alapanyagoknál.

A lignineltávolítás optimalizálása: hőmérséklet- és pH-szabályozási stratégiák

A hőmérséklet és a pH pontos szabályozása elengedhetetlen a delignifikációs hatékonyság maximalizálásához:

A 140 °C feletti hőmérséklet 90–120 percig tartó fenntartása biztosítja a teljes bontást, míg a 2,8 és 3,2 közötti pH érték 15–20%-kal javítja a delignifikációs hatékonyságot semleges körülményekhez képest, minimalizálva a mellékreakciókat.

Összehasonlító teljesítmény: lombhullató fafajták és mezőgazdasági melléktermékek

A nátrium-szulfit kiválóan működik mezőgazdasági hulladékanyagok bontása során. Vegyük például a bambuszfát, amelyből megfelelő feldolgozással körülbelül 85–90 százaléknyi lignint lehet eltávolítani, ami lényegesen jobb, mint a keményfáké, mint például az eukaliptuszé, amelynél csak körülbelül 65–75 százalékos eltávolítás érhető el. Miért történik mindez? Nos, a mezőgazdasági rostok általában kevésbé kondenzált ligninszerkezettel és vékonyabb sejtfalakkal rendelkeznek, így a szulfitoldat sokkal mélyebbre tud behatolni az anyagba. Ha a gyakorlati eredményeket nézzük, a nátrium-szulfittal feldolgozott búzakulicsná kb. 10–15 százalékkal nagyobb papírtermést eredményez, mint a hagyományos keményfa-papírképzési módszerek. Ez a nátrium-szulfitos feldolgozást vonzó lehetőséggé teszi azok számára, akik környezetbarátabb módon szeretnének hasznosítani nem fa alapú rostokat.

Javult rostszétválasztás és papírminőség

Sejtfal-mátrix duzzadása szulfitionok hatására a jobb rostfelszabadulás érdekében

Amikor a szulfitionok növényi anyagokhoz kerülnek, valójában lebontják azokat a hidrogénkötéseket, amelyek a cellulóz- és ligninösszetevőket összetartják. Ez okozza a hemicellulóz-lignin részben található specifikus duzzadást a roststruktúrában, például bambuszszárak vagy búzakalász esetében. A Food Packaging and Shelf Life 2022-ben közzétett kutatása szerint ez a folyamat akár 12–15 százalékkal is képes kiterjeszteni a sejtfalakat, ami lényegesen hatékonyabban szabadítja fel az egyedi rostokat, mint a hagyományos módszerek. Ennek a megközelítésnek az az értéke, hogy kb. 18–22 százalékkal csökkenti a mechanikai finomításhoz szükséges energiamennyiséget a szokásos lúgos cellulózgyártási technikákkal összehasonlítva. Emellett, más eljárásoktól eltérően, megőrzi a hosszabb rostokat, ami különösen fontos a későbbiekben gyártott formázott termékek esetében.

A rost morfológiája nátrium-szulfit kezelést követően: búzakalász esettanulmány

Az AFM-elemzések szerint a nátrium-szulfittal kezelt búzakócás szálak kb. 23 százalékkal kevesebb felületi repedést mutatnak a hagyományos kraft eljárással feldolgozott szálakhoz képest, emellett a mikroszálaik rendeződése is körülbelül 40 százalékkal jobb. A kezelés hatékonyságát az adja, hogy csökkenti a lignin kondenzációját, így a szálak porózusabbak maradnak, ami kiváló folyadékfelvételt biztosít élelmiszer-csomagolási alkalmazásoknál. A javult szerkezet azt jelenti, hogy ezek a szálak gyártás során sokkal jobban összetartanak. Ezt több atompásztázásos mikroszkópos vizsgálat is megerősítette az elmúlt hónapokban.

A magas szabadságfokú, magas hozamú nem fa alapú cellulóz iránti piaci kereslet kielégítése

A legújabb termoformáló eljárások most olyan cellulózt állítanak elő nátrium-szulfit kezeléssel, amelyek szabad vízelvezetési értéke körülbelül 650–700 mL CSF, ami durván egyharmaddal jobb teljesítményt jelent a régebbi technikákhoz képest. Ez a javult szabad vízelvezetés lehetővé teszi a gyártók számára, hogy tömeggyártásban olyan formázott cellulóz alapú termékeket készítsenek, amelyek pinhole hibáinak aránya kevesebb, mint fél százalék, így minden szigorú FDA előírást teljesítenek az élelmiszer-csomagolási alkalmazások tekintetében. A számokat tekintve ezek az eljárások körülbelül 82–85 százalékban megőrzik a szénhidrátokat, fenntartva a fenntarthatósági célokat anélkül, hogy túlterhelnék a költségvetést. Különösen lenyűgöző, mennyi pénzt takarítanak meg a vállalatok, hiszen a feldolgozási költségek csökkenése 18 és 22 dollár között mozog tonnánként a hagyományos faalapú megoldásokhoz képest.

A Cellulózhozam és a Szénhidrát-megőrzés maximalizálása

Csökkent hemicellulóz-bontás szulfitos eljárásokban a kraft eljárásokhoz képest

A nátrium-szulfitos cellulózgyártás a 4,5 és 6,5 közötti enyhébb pH-tartományban működik a legjobban, ami segít csökkenteni a savas lebontást, és körülbelül 15–20 százalékkal több szénhidrátot tart meg, mint a hagyományos kraft eljárások. A kraft eljárás lúgos környezetet hoz létre, amely valójában a hemicellulóz-komponensek kb. 30–40 százalékát lebontja. Ezzel szemben a szulfitos rendszerek képesek megőrizni az ezen fontos cellulóz-hemicellulóz kapcsolatok kb. 85–90 százalékát. Ha kifejezetten a bambusz alkalmazásait tekintjük, a legutóbbi tanulmányok azt mutatják, hogy az ionos folyadékok hozzáadása a szulfitos cellulózgyártási folyamathoz lenyűgöző 84 százalékos cellulóz-megtartási rátát eredményez. Ez jelentős előrelépés a kraft eljárás által elért 67 százalékhoz képest, amelyre Glińska és munkatársai még 2021-ben tettek közzé kutatást. Ezek a különbségek nagyon fontosak az olyan iparágak számára, amelyek a nyersanyag-kihozatal maximalizálására törekednek a szerkezeti integritás romlása nélkül.

Hozamösszehasonlítás: Eukaliptusz-feldolgozás szulfátos és kraft eljárásokban

Amikor eukaliptuszfa feldolgozásáról van szó, a szulfátos cellulózgyártási módszer valójában jobb eredményt hoz, mint a hagyományos kraft-módszer. A szulfátos eljárás körülbelül 52–55 százalékos hozamot ér el, ami felülmúlja a kraft eljárás 48–50 százalékát, mivel savas kezelés során jobban megőrzi az értékes glukomannánokat. A 2023-as vizsgálatok érdekes eredményt is találtak: a szulfátos eljárással kezelt eukaliptusz körülbelül 18,3%-os hemicellulóz-tartalmat őrzött meg. Ez figyelemre méltóan magas érték a kraft cellulózok 9,1%-ához képest, és összességében erősebb papírtermékeket eredményez. Ugyanez a kutatócsoport mezőgazdasági hulladékanyagokat is vizsgált, és azt tapasztalta, hogy megfelelő optimalizálás mellett a szulfátos rendszerek 80,3%-os cellulóz-hozamot értek el. Ez körülbelül 11 százalékponttal haladja meg a kraft technológiát, így a szulfátos eljárás bizonyos alkalmazások esetében igazi előnyös megoldásnak tűnik.

A delignifikáció sebességének és a hozam megőrzésének kiegyensúlyozása

135-145 °C-on 90-120 percig tartó főzés maximalizálja a hozamot anélkül, hogy csökkenné a termelékenységet. 130 °C alatt a delignifikáció 40%-kal lelassul; 150 °C felett a cellulóz 8-12%-a degradálódik. A modern gyárak valós idejű ligninérzékelőket használnak, hogy a reakciót 85-90% delignifikációnál leállítsák, így megőrizve a szénhidrátok 94%-át, miközben betartják a termelési ütemtervet.

Nátrium-lignoszulfonát visszanyerése és fenntarthatósági előnyök

Hulladékból érték: A kimerült szulfitlé átalakítása lignoszulfonáttá

A nátrium-szulfitos feldolgozás során keletkezett kimerült szulfitlét napjainkban 92-95%-os visszanyerési hatékonysággal alakítják lignoszulfonáttá (2025-ös Anyagvisszanyerési Tanulmány). Ezek a biológiai eredetű polimerek kiváltják a szintetikus kötőanyagokat betonadalékokban, és a próbagyártási kísérletek kimutatták, hogy 40%-kal erősebb habarcskötést biztosítanak a kőolajalapú alternatívákkal szemben.

Ipari méretű visszanyerés: Membránszűrés és koncentrálás

Többfokozatú membránszűrési eljárás segítségével a lignoszulfonát-oldatok szilárdanyagtartalma 68-72%-ra koncentrálható, 35%-kal kevesebb energiával, mint hőerjesztéssel. A napi 500 tonna használt folyadékot feldolgozó létesítmények 89% kémiai anyag-visszanyerést érnek el, naponta 280 tonna piacképes lignoszulfonátot termelve.

A korszerű papírgyárak körkörös gazdasági modelljeinek támogatása

Az 1 tonna cellulózmaradvány újrahasznosítása 42 000 dollár értékű, lignoszulfonát-alapú diszpergálószerré hozzájárul a körkörös gazdaság céljainak eléréséhez. A zárt rendszerek jelenleg a melléktermékek 78%-át átirányítják mezőgazdasági (pl. porvisszatartók) és textilipari (pl. festékhordozók) felhasználásba, ezzel globálisan évi 290 000 metrikus tonna kőolajalapú anyag kiváltását eredményezve.

GYIK

Milyen szerepet játszik a nátrium-szulfit a nem fa alapú rostok feldolgozásában?

A nátrium-szulfit hatékonyan bontja le a lignint nem fa alapú rostokban, például búzakorpa és bambusz esetén, szelektíven célozva meg a béta-O-4 kötéseket, miközben megőrzi az értékes cellulózt, így magasabb pulpahozamot eredményezve.

Hogyan járul hozzá a szulfitos cellulózgyártási eljárás a fenntarthatósághoz?

A folyamat mezőgazdasági hulladéktermékeket, például bambuszot és bagasszét használ fel az erdőirtás csökkentése érdekében, és körkörös gazdasági modelleket fejleszt ki a kénitesített szeszmentes likőr értékes lignoszulfonátokká alakításával.

Milyen előnyei vannak a nátrium-szulfit használatának a krafteljárásokkal szemben?

A nátrium-szulfitos eljárások általában jobb papírkihozatalt, magasabb szénhidráttartalmat és kisebb hemicellulóz-bontást eredményeznek, mint a hagyományos krafteljárások.

Miért fontos a hőmérséklet- és pH-szabályozás a szulfitos cellulózgyártási folyamatban?

A hőmérséklet és a pH szabályozása optimalizálja a delignifikáció hatékonyságát, elősegíti a szulfonálási reakciókat, és minimalizálja a mellékreakciókat, így biztosítva a maximális lignineltávolítást és a magas minőségű cellulózt.