Mengapa Natrium Sulfit Digunakan dalam Industri Penghasilan Serbuk Kertas?

Peranan Natrium Sulfit dalam Proses Penggilingan Sulfit

Bagaimana Natrium Sulfit Membolehkan Pendelignan Pilihan dalam Gentian Bukan Kayu

Apabila melibatkan pemecahan lignin dalam bahan seperti jerami gandum atau rebung, natrium sulfit memberikan keputusan yang agak baik, menghilangkan antara 85 hingga 92 peratus kandungan lignin. Apa yang menjadikan kaedah ini berkesan ialah sulfite secara khusus menyerang ikatan beta-O-4 dalam struktur lignin sambil mengekalkan selulosa utuh. Hasil akhirnya? Hasil pulp meningkat sebanyak 6 hingga 11 peratus berbanding kaedah kraft tradisional menurut penyelidikan yang diterbitkan tahun lepas dalam Pulping Science Review. Dan yang menariknya, semua ini berlaku di bawah keadaan yang agak berasid, biasanya apabila aras pH berada di antara 1.5 dan 3. Pada nilai pH yang rendah ini, ion sulfite yang sebenarnya menyasarkan bahagian fenolik molekul lignin, secara berkesan memutuskan sambungan eter tersebut tanpa mengganggu struktur karbohidrat yang ingin kita kekalkan bagi pengeluaran pulp berkualiti.

Kimia Di Sebalik Tindak Balas Sulfite Berasid dan Pelarutan Lignin

Apabila dipanaskan antara 130 hingga 150 darjah Celsius, natrium sulfit menghasilkan ion bisulfit (HSO3-) yang melekat pada molekul lignin di titik-titik karbon tertentu, akhirnya membentuk sebatian larut air yang dikenali sebagai lignosulfonat. Kajian terkini yang diterbitkan tahun lepas dalam Jurnal Kimia Kayu mencadangkan bahawa penetapan pH kira-kira 2.2 adalah paling sesuai untuk tindak balas ini, membolehkan kira-kira tiga perempat lignin larut daripada sampel jerami padi hanya dalam masa dua jam. Dari segi perkembangan tindak balas ini, ia kelihatan mengikuti kinetik pseudo turutan pertama seperti yang disebut oleh saintis, dan memerlukan tenaga sebanyak kira-kira 98 kilojoule per mol untuk memulakannya. Ini menjadikan keseluruhan proses ini cukup berkesan dalam memecahkan lignin tanpa merosakkan struktur selulosa secara berlebihan semasa rawatan.

Aplikasi dalam Buluh dan Bagase: Kes untuk Bahan Mentah Mampan

Kandungan lignin dalam buluh (sekitar 24 hingga 28%) dan bagase (kira-kira 19 hingga 22%) menempatkan bahan-bahan ini sesuai untuk proses penggondolan sulfit. Beberapa kilang kertas di China sebenarnya melaporkan mendapat hasil pulp sebanyak kira-kira 48% daripada buluh apabila menggunakan kaedah natrium sulfit. Ini cukup mengagumkan berbanding sistem kraft tradisional yang biasanya lebih rendah sekitar enam peratus menurut Laporan Serat Bukan Kayu terkini dari tahun 2022. Yang menjadikan ini lebih menarik ialah bagaimana ia menyokong matlamat kelestarian secara lebih meluas. Rancangan Tindakan Ekonomi Bulatan Kesatuan Eropah secara khusus menggalakkan penggunaan sisa pertanian seperti ini untuk membantu mengurangkan kadar penebangan hutan antara 17% hingga 23% setiap tahun di seluruh negara anggota.

Kecekapan Delignifikasi Dipertingkatkan dengan Natrium Sulfit

Mekanisme Pembentukan Lignin Sulfonat Semasa Proses Memasak

Semasa memasak, natrium sulfit bertindak balas dengan polimer lignin melalui penambahan sulfonasi pada ikatan eter β-O-4 dalam keadaan berasid, menghasilkan terbitan hidrofilik yang meningkatkan keterlarutan dalam likuor. Mekanisme ini mengeluarkan 70-85% lignin daripada gentian bukan kayu seperti buluh tanpa merosakkan karbohidrat, menjadikannya sangat berkesan untuk bahan api pertanian berfibar.

Strategi Kawalan Suhu dan pH untuk Mengoptimumkan Pengeluaran Lignin

Kawalan suhu dan pH yang tepat adalah penting untuk memaksimumkan kecekapan penghilangan lignin:

Mengekalkan suhu di atas 140°C selama 90-120 minit memastikan peruraian yang lengkap, manakala pH antara 2.8 hingga 3.2 meningkatkan kecekapan penghilangan lignin sebanyak 15-20% berbanding keadaan neutral, mengurangkan tindak balas sampingan.

Prestasi Perbandingan: Kayu Keras vs. Sisa Pertanian

Natrium sulfit berfungsi sangat baik dalam membubarkan bahan buangan pertanian. Ambil contoh buluh, ia boleh mengeluarkan sekitar 85 hingga 90 peratus lignin apabila diproses dengan betul, jauh lebih baik daripada kebanyakan kayu keras seperti eukaliptus yang hanya mampu mengeluarkan sekitar 65 hingga 75 peratus. Mengapa ini berlaku? Fiber pertanian secara umum mempunyai struktur lignin yang kurang padat dan dinding sel yang lebih nipis, membolehkan larutan sulfit menembusi lebih dalam ke dalam bahan tersebut. Apabila kita melihat hasil sebenar, jerami gandum yang diproses dengan natrium sulfit memberikan hasil pulp sekitar 10 hingga 15 peratus lebih tinggi berbanding kaedah pemutihan kayu keras tradisional. Ini menjadikan pemprosesan natrium sulfit sebagai pilihan menarik bagi mereka yang ingin memanfaatkan fiber bukan kayu dengan cara yang lebih mesra alam.

Pemisahan Fiber yang Dipertingkatkan dan Kualiti Pulp

Pengembangan Matriks Dinding Sel oleh Ion Sulfit untuk Pembebasan Fiber yang Lebih Baik

Apabila ion sulfit bersentuhan dengan bahan tumbuhan, ia sebenarnya memecahkan beberapa ikatan hidrogen yang mengikat komponen selulosa dan lignin. Ini menyebabkan pembengkakan tertentu dalam bahagian hemiselulosa-lignin struktur gentian yang terdapat dalam bahan seperti batang buluh atau jerami gandum. Menurut kajian yang diterbitkan dalam Food Packaging and Shelf Life pada tahun 2022, proses ini boleh menyebabkan dinding sel mengembang antara 12 hingga 15 peratus, yang membantu membebaskan gentian individu dengan lebih baik berbanding kaedah tradisional. Apa yang menjadikan pendekatan ini sangat bernilai ialah ia mengurangkan tenaga yang diperlukan semasa penapisan mekanikal sebanyak kira-kira 18 hingga 22 peratus berbanding teknik penggondolan alkali piawai. Selain itu, tidak seperti proses lain, ia mengekalkan gentian yang lebih panjang utuh, sesuatu yang sangat penting untuk mencipta produk acuan kemudian.

Morfologi Gentian Selepas Rawatan Natrium Sulfit: Kajian Kes Jerami Gandum

Berdasarkan analisis AFM, gentian jerami gandum yang dirawat dengan natrium sulfit sebenarnya menunjukkan kira-kira 23 peratus retakan permukaan yang lebih rendah berbanding gentian proses kraft biasa, selain itu ia juga mempunyai penyelarian fibril yang lebih baik sekitar 40%. Keberkesanan rawatan ini disebabkan oleh pengurangan kondensasi lignin, yang mengekalkan keporosan gentian supaya dapat menyerap cecair dengan sangat baik untuk aplikasi pembungkusan makanan. Struktur yang diperbaiki ini bermakna gentian-gentian ini melekat lebih rapat antara satu sama lain apabila dikilangkan menjadi produk. Kami telah melihat perkara ini disahkan melalui pelbagai ujian mikroskopi daya atom dalam beberapa bulan kebelakangan ini.

Memenuhi Permintaan Pasaran terhadap Empulur Bukan Kayu Berkualiti Tinggi dan Hasil Tinggi

Operasi thermoforming terkini kini menghasilkan pulp yang dirawat dengan natrium sulfit yang mencapai tahap kebebasan CSF sekitar 650 hingga 700 mL, iaitu hampir sepertiga lebih baik berbanding teknik lama. Peningkatan kebebasan ini membolehkan pengilang menghasilkan produk pulp bentuk secara besar-besaran dengan kurang daripada setengah peratus kecacatan lubang jarum, sesuatu yang memenuhi semua keperluan ketat FDA dalam aplikasi pembungkusan makanan. Dari segi angka, proses ini mengekalkan kira-kira 82 hingga 85 peratus karbohidrat, mencapai sasaran kelestarian tanpa melebihi belanjawan. Yang lebih mengagumkan ialah jumlah wang yang dijimatkan syarikat, mengurangkan perbelanjaan pemprosesan sebanyak 18 hingga 22 dolar AS setiap tan berbanding pilihan berasaskan kayu tradisional.

Memaksimumkan Hasil Pulp dan Pengekalan Karbohidrat

Penguraian Hemiselulosa yang Berkurangan dalam Proses Sulfit Berbanding Kraft

Penggilingan natrium sulfit berkesan paling baik pada julat pH yang lebih lembut sekitar 4.5 hingga 6.5, yang membantu mengurangkan penguraian asid dan mengekalkan kira-kira 15 hingga 20 peratus karbohidrat dengan lebih utuh berbanding kaedah pemprosesan kraft tradisional. Proses kraft mencipta persekitaran alkali yang sebenarnya menguraikan kira-kira 30 hingga 40 peratus komponen hemiselulosa. Sebaliknya, sistem sulfit berjaya mengekalkan kira-kira 85 hingga 90 peratus sambungan selulosa-hemiselulosa yang penting ini. Apabila difokuskan khusus pada aplikasi buluh, kajian terkini menunjukkan bahawa penambahan cecair ionik ke dalam proses penggilingan sulfit mengekalkan kadar retensi selulosa yang mengagumkan sebanyak 84 peratus. Ini merupakan peningkatan yang ketara berbanding kraft yang hanya mencapai 67 peratus menurut penyelidikan yang diterbitkan oleh Glińska dan rakan-rakan pada tahun 2021. Perbezaan-perbezaan ini amat penting bagi industri yang berfokus untuk memaksimumkan hasil bahan tanpa mengorbankan integriti struktur.

Perbandingan Hasil: Pemprosesan Eucalyptus dalam Sistem Sulfite dan Kraft

Apabila melibatkan pemprosesan kayu eucalyptus, kaedah perembesan sulfite sebenarnya memberikan hasil yang lebih baik berbanding kaedah kraft tradisional. Pemprosesan sulfite menghasilkan hasil sekitar 52 hingga 55 peratus, melebihi kraft yang hanya 48 hingga 50 peratus kerana ia mengekalkan lebih banyak glucomannan yang bernilai semasa proses rawatan asid. Ujian terkini pada tahun 2023 turut mendapati sesuatu yang menarik: eucalyptus yang dirawat dengan sulfite mengekalkan kandungan hemiselulosa sebanyak kira-kira 18.3%. Ini adalah cukup mengagumkan berbanding hanya 9.1% bagi pulp kraft, dan secara keseluruhannya menghasilkan produk kertas yang lebih kuat. Pasukan penyelidik yang sama juga mengkaji bahan sisa pertanian dan mendapati sistem sulfite menghasilkan hasil selulosa sebanyak 80.3% apabila semua faktor dioptimumkan dengan betul. Ini menempatkan mereka kira-kira 11 peratus mata di hadapan teknologi kraft, menjadikan pemprosesan sulfite kelihatan seperti pilihan unggul untuk aplikasi tertentu.

Mengimbangi Kelajuan Delignifikasi dan Pemeliharaan Hasil

Memasak pada suhu 135-145°C selama 90-120 minit memaksimumkan hasil tanpa mengorbankan kelancaran pengeluaran. Di bawah 130°C, kadar delignifikasi menurun sebanyak 40%; di atas 150°C, 8-12% selulosa terurai. Kilang moden menggunakan sensor lignin masa nyata untuk menghentikan tindak balas pada tahap delignifikasi 85-90%, memelihara 94% karbohidrat sambil memenuhi jadual pengeluaran.

Pemulihan Natrium Lignosulfonat dan Manfaat Kelestarian

Dari Sisa ke Nilai: Menukar Cecair Sulfida Terpakai kepada Lignosulfonat

Cecair sulfida terpakai dari proses natrium sulfit kini ditukar kepada lignosulfonat dengan kecekapan pemulihan 92-95% (Kajian Pemulihan Bahan 2025). Polimer berasaskan bio ini menggantikan pengikat sintetik dalam campuran konkrit, dengan ujian perintis menunjukkan ikatan mortar 40% lebih kuat berbanding alternatif berasaskan petroleum.

Pemulihan Skala Perindustrian: Penapisan Membran dan Penumpatan

Penapisan membran berperingkat memekatkan aliran lignosulfonat kepada pepejal 68-72%, menggunakan 35% kurang tenaga berbanding penyejatan haba. Kemudahan yang memproses 500 tan/hari cecair sisa mencapai pemulihan kimia sebanyak 89%, menghasilkan 280 tan lignosulfonat siap pasaran setiap hari.

Menyokong Model Ekonomi Bulatan di Kilang Kertas Moden

Menggunakan semula 1 tan sisa pelupusan menjadi perenyah berasaskan lignosulfonat bernilai $42,000 menyokong matlamat ekonomi bulatan. Sistem gelung tertutup kini mengalihkan 78% hasil sampingan ke dalam pertanian (contohnya, peredam debu) dan tekstil (contohnya, pembawa pewarna), menggantikan 290,000 metrik tan/tahun setara petrokimia secara global.

Soalan Lazim

Apakah peranan natrium sulfit dalam proses melupuskan gentian bukan kayu?

Natrium sulfit berkesan memecahkan lignin dalam gentian bukan kayu seperti jerami gandum dan buluh, dengan menargetkan ikatan beta-O-4 secara pilihan sambil memelihara selulosa bernilai, menghasilkan hasil pulp yang lebih tinggi.

Bagaimanakah proses pelupusan sulfite menyumbang kepada kelestarian?

Proses ini menggunakan sisa produk pertanian seperti buluh dan bagase untuk mengurangkan penebangan hutan dan meningkatkan model ekonomi bulatan dengan menukarkan cecair sulfite terpakai kepada lignosulfonat bernilai.

Apakah kelebihan menggunakan natrium sulfite berbanding kaedah kraft?

Proses natrium sulfite biasanya menghasilkan hasil pulp yang lebih baik, pengekalan karbohidrat yang lebih tinggi, dan penguraian hemiselulosa yang lebih rendah berbanding kaedah kraft tradisional.

Mengapakah kawalan suhu dan pH penting dalam proses pengelulusan sulfite?

Mengawal suhu dan pH mengoptimumkan kecekapan delignifikasi, memudahkan tindak balas sulfonasi, dan meminimumkan tindak balas sampingan, memastikan penyingkiran lignin dan kualiti pulp yang maksimum.