De ce este utilizat sulfitul de sodiu în industria de obținere a pastei de hârtie?

Rolul sulfitului de sodiu în procesul de obținere a pastei prin procedeul sulfite

Cum permite sulfitul de sodiu delignificarea selectivă în fibrele non-lemnoase

Atunci când vine vorba de descompunerea ligninei din materiale precum paiele de grâu sau nuful, sulfitul de sodiu obține rezultate destul de bune, eliminând între 85 și 92 la sută din conținutul de lignină. Ceea ce face ca această metodă să funcționeze atât de bine este faptul că sulfitul atacă în mod specific legăturile beta-O-4 din structura ligninei, păstrând în același timp celuloza intactă. Rezultatul final? Randamentul pulpei crește cu 6 până la 11 puncte procentuale față de metodele kraft tradiționale, conform unei cercetări publicate anul trecut în revista Pulping Science Review. Și, interesant de menționat, tot acest proces are loc în condiții destul de acide, în general atunci când nivelurile de pH se situează undeva între 1,5 și 3. La aceste valori scăzute ale pH-ului, ionii de sulfite atacă părțile fenolice ale moleculelor de lignină, tăind eficient aceste legături eterice fără a afecta structurile de carbohidrați pe care dorim să le păstrăm pentru o producție de pulpă de calitate.

Chimia reacțiilor acide de sulfite și solubilizarea ligninei

Când este încălzit între 130 și 150 de grade Celsius, sulfitul de sodiu creează ioni de bisulfit (HSO3-) care se leagă de moleculele de lignină în anumite puncte de carbon, formând în final compuși solubili în apă cunoscuți sub numele de lignosulfonați. Cercetări recente publicate anul trecut în Journal of Wood Chemistry sugerează că stabilirea pH-ului la aproximativ 2,2 funcționează cel mai bine pentru această reacție specifică, permițând dizolvarea a aproximativ trei sferturi din lignină din probele de paie de orez după doar două ore. Analizând modul în care progresează reacția, se pare că urmează ceea ce oamenii de știință numesc cinetică pseudo de ordinul întâi, necesitând aproximativ 98 de kilojouli pe mol de energie pentru a demara. Acest lucru face ca întregul proces să fie destul de eficient în descompunerea ligninei fără a deteriora prea mult structurile de celuloză în timpul tratamentului.

Aplicație în Bambus și Bagasă: Cazul Materiilor Prime Durabile

Nivelurile de lignină din bambus (aproximativ 24-28%) și bagasa (circa 19-22%) plasează aceste materiale într-o poziție favorabilă pentru procesele de obținere a pulpei prin metoda sulfitică. Unele fabrici chinezești de hârtie au raportat chiar un randament de aproximativ 48% pulpă din bambus, atunci când au utilizat metode cu sulfit de sodiu. Acest rezultat este destul de impresionant în comparație cu sistemele kraft tradiționale, care în mod tipic obțin cu aproximativ șase puncte procentuale mai puțin, conform ultimului Raport privind Fibrele Non-lemnoase din 2022. Ceea ce face acest lucru și mai interesant este modul în care se încadrează în obiectivele mai largi de sustenabilitate. Planul de Acțiune al Uniunii Europene pentru Economia Circulară încurajează în mod specific utilizarea produselor reziduale agricole precum acestea pentru a contribui la reducerea defrișărilor cu 17%-23% anual în statele membre.

Eficiență sporită a delignificării cu sulfite de sodiu

Mecanismul formării ligninei sulfonate în timpul fierberii

În timpul gătitului, sulfitul de sodiu reacționează cu polimerii de lignină prin sulfolizarea legăturilor de eter β-O-4 în condiții acide, producând derivați hidrofili care îmbunătățesc solubilitatea în lichior. Acest mecanism elimină 70-85% din lignină din fibrele ne-de lemn, cum ar fi bambusul, fără a deteriora carbohidrații, făcându-l foarte eficient pentru materiile prime agricole fibroase.

Strategiile de control al temperaturii și pH-ului pentru a optimiza eliminarea ligninei

Controlul precis al temperaturii și al pH-ului este esențial pentru maximizarea eficienței delignificării:

Menținerea temperaturilor peste 140°C timp de 90-120 minute asigură o descompunere completă, în timp ce un pH între 2,8 și 3,2 îmbunătățește eficiența delignificării cu 15-20% în comparație cu condițiile neutre, reducând la minimum reacțiile adverse.

Performanță comparativă: lemn dur vs. reziduuri agricole

Sulfitul de sodiu funcţionează foarte bine când vine vorba de descompunerea deşeurilor agricole. Să luăm bambusul de exemplu, el poate elimina aproximativ 85 până la 90% din lignină atunci când este procesat în mod corespunzător, mult mai bine decât majoritatea lemnului dur, cum ar fi eucaliptul, care reușește doar aproximativ 65 până la 75% de eliminare. De ce se întâmplă asta? Ei bine, fibrele agricole au în general structuri de lignină mai puțin condensate și pereți celulare mai subțiri, astfel încât soluția de sulfit poate penetra mult mai adânc în material. Când ne uităm la rezultatele reale, paie de grâu prelucrate cu sulfit de sodiu dau aproximativ 10 până la 15 la sută mai multă producţie de pulpă comparativ cu metodele tradiţionale de pulpă de lemn tare. Acest lucru face ca prelucrarea sulfitului de sodiu să fie o opțiune atractivă pentru cei care doresc să utilizeze bine fibrele ne-de lemn într-un mod mai ecologic.

Separarea mai bună a fibrelor şi calitatea celulozei

Umflarea matricei pereților celulare de ioni sulfitici pentru o mai bună eliberare a fibrelor

Când ionii de sulfit intră în contact cu materialele vegetale, ei de fapt descompun unele dintre acele legături de hidrogen care ţin împreună componentele de celuloză şi lignină. Acest lucru provoacă umflarea specifică în partea de lignină de hemiceluloză a structurii fibroase găsite în lucruri precum tulpinile de bambus sau paie de grâu. Potrivit cercetărilor publicate în Food Packaging and Shelf Life în 2022, acest proces poate face pereții celulelor să se dilate de la 12 la 15%, ceea ce ajută la eliberarea fibrelor individuale mult mai bine decât metodele tradiționale. Ceea ce face această metodă atât de valoroasă este faptul că reduce energia necesară în timpul rafinării mecanice cu aproximativ 18 până la 22 la sută, comparativ cu tehnicile standard de pulpare alcalină. În plus, spre deosebire de alte procese, păstrează fibrele mai lungi intacte, ceva care este foarte important pentru crearea produselor modelate mai târziu.

Morfologie a fibrelor după tratamentul cu sulfit de sodiu: studiu de caz al paie de grâu

Conform analizei AFM, fibrele de paie de grâu tratate cu sulfit de sodiu prezintă de fapt cu 23% mai puține fracturi de suprafață comparativ cu fibrele obișnuite prelucrate cu kraft, plus că au o aliniere fibrilă cu aproximativ 40% mai bună. Ceea ce face acest tratament atât de eficient este modul în care reduce lighina de condensare, care păstrează fibrele suficient de poros pentru a absorbi lichide foarte bine pentru aplicații de ambalare a alimentelor. Structura îmbunătăţită înseamnă că aceste fibre se lipesc mult mai bine când sunt fabricate în produse. Am văzut confirmarea acestora prin diverse teste de microscopie a forţei atomice în ultimele luni.

Întâlnirea cererii pieței de pulpă ne-lemnă de înaltă curatate și de înaltă randament

Cele mai recente operațiuni de termoformare creează acum pulpe tratate cu sulfit de sodiu care ating niveluri de libertate a CSF de aproximativ 650-700 ml, ceea ce reprezintă aproximativ o treime mai bună în comparație cu tehnicile mai vechi. Această libertate sporită permite producătorilor să producă în masă articole din pulpa modelată cu mai puțin de jumătate de procent de defecte de găuri de ac, ceva ce marchează toate cutiile pentru cerințele stricte ale FDA când vine vorba de aplicații de ambalare a alimentelor. Dacă ne uităm la cifre, aceste procese păstrează aproximativ 82-85% din carbohidrați, atingând obiectivele de sustenabilitate fără a rupe banca. Ceea ce este deosebit de impresionant este cât de mulți bani economizează companiile, reducând cheltuielile de prelucrare cu între 18 și 22 de dolari pe tonă în comparație cu opțiunile tradiționale pe bază de lemn.

Maximizarea producţiei de pulpă şi retenţia de carbohidraţi

Degradarea redusă a hemicelulozei în procesele sulfit vs. Kraft

Pulparea cu sulfit de sodiu funcționează cel mai bine la pH-uri mai ușoare, în jur de 4,5 până la 6,5, ceea ce ajută la reducerea descompunerii acizilor și menține aproximativ 15-20% mai mulți carbohidrați intacți în comparație cu metodele tradiționale de procesare kraft. Procesul kraft creează un mediu alcalin care descompune aproximativ 30-40% din componentele hemicelulozei. În schimb, sistemele de sulfit reuşesc să păstreze aproximativ 85 până la 90 la sută din aceste importante conexiuni celuloză-emiceluloză. Când se analizează în mod specific aplicaţiile pentru bambus, studii recente arată că adăugarea de lichide ionice în procesul de pulpare a sulfitului menţine o rată impresionantă de 84% de retenţie a celulei. E un salt destul de mare față de ceea ce Kraft realizează la doar 67 la sută, conform cercetării publicate de Gliska și colegii săi în 2021. Aceste diferențe contează foarte mult pentru industriile axate pe maximizarea randamentului materialului fără a compromite integritatea structurală.

Comparația randamentelor: prelucrarea eucaliptului în sisteme de sulfit și Kraft

În ceea ce privește prelucrarea lemnului de eucalipt, metoda de pulpare cu sulfit dă de fapt rezultate mai bune decât metodele tradiționale de kraft. Procesarea cu sulfit obține o randament de 52-55%, care depășește 48-50% din Kraft pentru că păstrează mai mulți dintre acei glucomanani prețioși intacți în timpul procesului de tratare cu acid. Testele recente din 2023 au descoperit ceva interesant: eucaliptul tratat cu sulfit a păstrat aproximativ 18,3% hemiceluloză. Asta e destul de impresionant în comparație cu doar 9,1% pentru pasta kraft, și face pentru produse de hârtie mai puternice în general. Aceeași echipă de cercetare a analizat și deșeurile agricole și a descoperit că sistemele de sulfit produc o randament de celuloză de 80,3% atunci când totul a fost optimizat în mod corespunzător. Asta le pune în fața tehnologiei kraft cu aproximativ 11 puncte procentuale, făcând prelucrarea sulfitelor să pară un adevărat câștigător pentru anumite aplicații.

Eficiența de producție

Gătitul la 135-145°C timp de 90-120 minute maximizează randamentul fără a sacrifica capacitatea de producţie. Sub 130°C, delignificarea încetinește cu 40%; peste 150°C, 8-12% din celuloză se degradează. Fabricile moderne folosesc senzori de lignină în timp real pentru a opri reacțiile la 85-90% de delignificare, conservând 94% din carbohidrați, respectând programele de producție.

Beneficiile recuperării și sustenabilității lignosulfonatului de sodiu

De la deşeuri la valoare: transformarea lichiorului sulfitat folosit în lignosulfonate

Lichiorul de sulfit folosit obținut în urma prelucrării sulfitului de sodiu este acum transformat în lignosulfonate cu o eficiență de recuperare de 92-95% (studiu privind recuperarea materialelor în 2025) Aceste polimeri pe bază de biomaterială înlocuiesc lianturile sintetice în amestecurile de beton, iar testele pilot au arătat că obligații cu mortar cu 40% mai puternice decât alternativele pe bază de petrol.

Recuperare la scară industrială: filtrare și concentrare prin membrană

Filtrarea cu membrană în mai multe etape concentrează fluxurile de lignosulfonat la 68-72% substanță uscată, utilizând cu 35% mai puțină energie decât evaporarea termică. Instalațiile care procesează 500 de tone/zi de lichior uzat obțin un randament de recuperare chimică de 89%, producând zilnic 280 de tone de lignosulfonați gata pentru piață.

Susținerea modelelor de economie circulară în fabricile moderne de hârtie

Reutilizarea a 1 tonă de reziduu de rafinare în 42.000 USD dispersanți pe bază de lignosulfonat susține obiectivele economiei circulare. Sistemele în circuit închis redirecționează acum 78% din subproduse în agricultură (de exemplu, agenți de fixare a prafului) și în textile (de exemplu, agenți de transport al coloranților), înlocuind anual 290.000 de tone metrice de echivalenți petrochimici la nivel global.

Întrebări frecvente

Care este rolul sulfitului de sodiu în rafinarea fibrelor nelemnoase?

Sulfitul de sodiu degradează eficient lignina din fibre nelemnoase precum paiele de grâu și bambus, țintind selectiv legăturile beta-O-4, în timp ce păstrează celuloza valoroasă, ceea ce duce la randamente mai mari de pulpă.

Cum contribuie procesul de rafinare sulfitală la sustenabilitate?

Procesul utilizează deșeuri agricole precum bambusul și bagasa pentru a reduce defrișările și pentru a sprijini modelele economiei circulare prin transformarea licorii de sulfit uzate în lignosulfonați valoroși.

Care sunt avantajele utilizării sulfitului de sodiu față de metodele kraft?

Procesele cu sulfit de sodiu rezultă în mod tipic în randamente mai bune ale pulpei, o retenție mai mare a carbohidraților și o degradare mai redusă a hemicelulozei comparativ cu metodele kraft tradiționale.

De ce este important controlul temperaturii și al pH-ului în procesul de obținere a pulpei sulfite?

Controlul temperaturii și al pH-ului optimizează eficiența delignificării, facilitează reacțiile de sulfonare și minimizează reacțiile secundare, asigurând o îndepărtare maximă a ligninei și o calitate superioară a pulpei.