Зачем используется сульфит натрия в производстве бумажной массы?

Роль сульфита натрия в сульфитном процессе производства целлюлозы

Как сульфит натрия обеспечивает селективное обеслигнивание в недеревянных волокнах

При разложении лигнина в материалах, таких как солома пшеницы или камыш, сульфит натрия показывает довольно хорошие результаты, удаляя от 85 до 92 процентов содержания лигнина. Эффективность этого процесса обусловлена тем, что сульфит целенаправленно атакует β-O-4 связи в структуре лигнина, сохраняя при этом целлюлозу нетронутой. Какой результат? Выход целлюлозы увеличивается на 6–11 процентных пунктов по сравнению с традиционным крафт-методом, согласно исследованию, опубликованному в прошлом году в журнале «Pulping Science Review». И что особенно интересно, весь этот процесс происходит в достаточно кислых условиях, обычно при значениях pH от 1,5 до 3. При таких низких значениях pH сульфит-ионы воздействуют на фенольные части молекул лигнина, эффективно разрывая эфирные связи, не затрагивая при этом структуры углеводов, которые необходимо сохранить для производства качественной целлюлозы.

Химия кислых сульфитных реакций и растворения лигнина

При нагревании в диапазоне от 130 до 150 градусов Цельсия сульфит натрия образует ионы бисульфита (HSO3-), которые присоединяются к молекулам лигнина в определённых углеродных точках, в результате чего образуются водорастворимые соединения, известные как лигносульфонаты. Недавние исследования, опубликованные в прошлом году в журнале «Журнал химии древесины», показывают, что для этой реакции наиболее эффективным является значение pH около 2,2, при котором около трёх четвертей лигнина растворяется из образцов рисовой соломы всего за два часа. Анализируя ход реакции, можно заметить, что она подчиняется так называемой псевдопервого порядка кинетике и требует примерно 98 килоджоулей на моль энергии для запуска. Это делает весь процесс достаточно эффективным для разрушения лигнина без значительного повреждения структур целлюлозы в ходе обработки.

Применение в производстве из бамбука и багассы: случай устойчивого сырья

Уровень лигнина в бамбуке (около 24–28%) и багассе (примерно 19–22%) делает эти материалы хорошо подходящими для сульфитной варки. Некоторые китайские бумажные фабрики сообщают о выходе целлюлозы из бамбука примерно на уровне 48% при использовании метода сульфита натрия. Это довольно впечатляющий результат по сравнению с традиционными крафт-системами, которые, как правило, уступают на шесть процентных пунктов, согласно последнему отчёту «Non-Wood Fiber Report» за 2022 год. Особенно интересен этот факт в контексте более широких целей устойчивого развития. В Европейском союзе в рамках Плана действий по циклической экономике специально поощряется использование сельскохозяйственных отходов подобного рода, чтобы способствовать сокращению обезлесения на 17–23% ежегодно среди стран-членов.

Повышенная эффективность делигнификации с помощью сульфита натрия

Механизм образования сульфонированного лигнина в процессе варки

Во время варки натрий сернистокислый реагирует с полимерами лигнина посредством сульфонации эфирных связей β-O-4 в кислых условиях, образуя гидрофильные производные, которые повышают растворимость в щелоке. Этот механизм удаляет 70–85 % лигнина из нек древесных волокон, таких как бамбук, не повреждая углеводы, что делает его высокоэффективным для волокнистого сельскохозяйственного сырья.

Стратегии контроля температуры и уровня pH для оптимизации удаления лигнина

Точное управление температурой и уровнем pH имеет решающее значение для максимальной эффективности обезлигнивания:

Поддержание температуры выше 140°C в течение 90–120 минут обеспечивает тщательное разрушение, а уровень pH между 2,8 и 3,2 повышает эффективность обезлигнивания на 15–20 % по сравнению с нейтральными условиями, минимизируя побочные реакции.

Сравнительная эффективность: лиственные породы против сельскохозяйственных остатков

Сульфит натрия работает очень эффективно при разложении сельскохозяйственных отходов. Возьмём, к примеру, бамбук: при правильной обработке он позволяет удалить около 85–90 процентов лигнина, что значительно превосходит результаты для большинства твёрдых пород древесины, таких как эвкалипт, где удаляется лишь около 65–75 процентов. Почему так происходит? Дело в том, что волокна сельскохозяйственных культур обычно имеют менее конденсированные структуры лигнина и более тонкие клеточные стенки, поэтому сульфитный раствор может глубже проникать в материал. Согласно практическим результатам, пшеничная солома, обработанная сульфитом натрия, даёт на 10–15 процентов больше выхода целлюлозы по сравнению с традиционными методами получения целлюлозы из твёрдых пород древесины. Это делает процесс обработки сульфитом натрия привлекательным вариантом для тех, кто стремится эффективно использовать нетрадиционные волокна более экологически чистым способом.

Улучшенное разделение волокон и качество целлюлозы

Разбухание матрицы клеточной стенки под действием сульфит-ионов для лучшего выделения волокон

Когда сульфит-ионы вступают в контакт с растительным сырьем, они фактически разрушают водородные связи, удерживающие целлюлозу и лигнин. Это вызывает определённое набухание в части структуры волокна, где содержатся гемицеллюлоза и лигнин, как, например, в бамбуковых стеблях или пшеничной соломе. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Food Packaging and Shelf Life в 2022 году, этот процесс может привести к расширению клеточных стенок на 12–15 процентов, что позволяет значительно лучше отделить отдельные волокна по сравнению с традиционными методами. Ценность этого подхода заключается в снижении энергозатрат при механической обработке примерно на 18–22 процента по сравнению со стандартными щелочными способами варки целлюлозы. Кроме того, в отличие от других процессов, он сохраняет длинные волокна нетронутыми — что крайне важно для последующего производства формованных изделий.

Морфология волокон после обработки сульфитом натрия: исследование на примере пшеничной соломы

Согласно анализу АСМ, волокна пшеничной соломы, обработанные сульфитом натрия, имеют примерно на 23 процента меньше поверхностных трещин по сравнению с волокнами, обработанными по обычной крафт-технологии, а также демонстрируют на 40% лучшее выравнивание фибрилл. Эффективность этой обработки объясняется тем, что она снижает конденсацию лигнина, сохраняя пористость волокон, достаточную для хорошего поглощения жидкостей, что важно для упаковки пищевых продуктов. Улучшенная структура означает, что эти волокна значительно лучше сцепляются друг с другом при производстве изделий. Мы подтвердили это в ходе различных испытаний с использованием атомно-силовой микроскопии в течение последних месяцев.

Удовлетворение рыночного спроса на высококачественную древесную целлюлозу с высокой степенью свободы и высоким выходом

Современные операции термоформования позволяют получать целлюлозу, обработанную сульфитом натрия, с показателем свободного оттока воды (CSF) в диапазоне 650–700 мл, что обеспечивает примерно на треть лучшие характеристики по сравнению со старыми методами. Такой повышенный уровень свободного оттока позволяет производителям массово выпускать изделия из формованной целлюлозы с долей дефектов в виде микропор менее чем в половину процента, что полностью соответствует строгим требованиям FDA к упаковке пищевых продуктов. С точки зрения цифр, эти процессы сохраняют около 82–85 процентов углеводов, достигая целей устойчивого развития без значительного увеличения затрат. Особенно впечатляет, сколько денег экономят компании, снижая расходы на переработку на 18–22 доллара за тонну по сравнению с традиционными древесными вариантами.

Максимизация выхода целлюлозы и сохранение углеводов

Снижение деградации гемицеллюлозы в сульфитных процессах по сравнению с крафтовыми

Сульфитная варка целлюлозы наиболее эффективна в более мягких диапазонах pH около 4,5–6,5, что помогает снизить кислотное разложение и сохраняет на 15–20 процентов больше углеводов по сравнению с традиционными методами крафтовой варки. Крафтовый процесс создаёт щелочную среду, которая фактически разрушает примерно 30–40 процентов компонентов гемицеллюлозы. Напротив, сульфитные системы способны сохранять около 85–90 процентов этих важных связей целлюлозы и гемицеллюлозы. При рассмотрении конкретно применения для бамбука, недавние исследования показывают, что добавление ионных жидкостей в сульфитный процесс варки позволяет поддерживать впечатляющий уровень сохранения целлюлозы — 84 процента. Это значительный рост по сравнению с крафтовым методом, который достигает лишь 67 процентов, согласно исследованию, опубликованному Глиньской и коллегами в 2021 году. Эти различия имеют большое значение для отраслей, ориентированных на максимизацию выхода материала без ущерба для его структурной целостности.

Сравнение выхода: переработка эвкалипта в сульфитных и крафтовых системах

При переработке древесины эвкалипта сульфитный способ получения целлюлозы даёт лучшие результаты по сравнению с традиционным крафтовым методом. Сульфитная обработка обеспечивает выход около 52–55 процентов, что превышает показатель крафтового метода (48–50 процентов), поскольку при кислотной обработке сохраняется большее количество ценных глюкоманнанов. Исследования 2023 года выявили интересный факт: эвкалипт, обработанный сульфитным способом, сохранил около 18,3 % гемицеллюлозы. Это весьма высокий показатель по сравнению с 9,1 % для крафт-целлюлозы и в целом обеспечивает более высокую прочность бумажной продукции. Та же исследовательская группа изучила отходы сельскохозяйственного производства и установила, что при оптимальных условиях сульфитные системы обеспечивают выход целлюлозы на уровне 80,3 %. Это на 11 процентных пунктов выше, чем у крафтовой технологии, что делает сульфитный способ действительно перспективным решением для определённых применений.

Сбалансированная скорость делигнификации и сохранение выхода

Варка при температуре 135–145 °C в течение 90–120 минут максимизирует выход без снижения производительности. При температуре ниже 130 °C скорость делигнификации замедляется на 40 %; при температуре выше 150 °C разрушается 8–12 % целлюлозы. Современные заводы используют датчики лигнина в реальном времени для остановки реакции при степени делигнификации 85–90 %, что позволяет сохранить 94 % углеводов и соблюдать производственный график.

Восстановление сульфита натрия и экологические преимущества

Из отходов — в ценное сырьё: переработка использованного сульфитного щёлока в лигносульфонаты

Использованный сульфитный щёлок, полученный при обработке сульфитом натрия, теперь перерабатывается в лигносульфонаты с эффективностью восстановления 92–95 % (исследование по утилизации материалов 2025 года). Эти полимеры биологического происхождения заменяют синтетические связующие в добавках для бетона; пилотные испытания показали на 40 % более прочное сцепление раствора по сравнению с нефтехимическими аналогами.

Промышленная переработка: мембранная фильтрация и концентрирование

Многоступенчатая мембранная фильтрация концентрирует потоки лигносульфонатов до содержания сухих веществ 68–72 %, потребляя на 35 % меньше энергии по сравнению с термическим испарением. Предприятия, перерабатывающие 500 тонн отработанного щёлока в день, достигают извлечения химикатов на уровне 89 %, получая ежедневно 280 тонн лигносульфонатов, готовых к реализации.

Поддержка моделей циклической экономики на современных бумажных фабриках

Переработка 1 тонны остатков целлюлозного производства в диспергаторы на основе лигносульфонатов стоимостью 42 000 долларов США способствует достижению целей циклической экономики. Системы замкнутого цикла теперь направляют 78 % побочных продуктов в сельское хозяйство (например, подавители пыли) и текстильную промышленность (например, носители красителей), замещая глобально 290 000 метрических тонн в год продуктов на основе нефтехимии.

Часто задаваемые вопросы

Какую роль сульфит натрия играет при варке недеревянных волокон?

Сульфит натрия эффективно разрушает лигнин в недеревянных волокнах, таких как солома пшеницы и бамбук, избирательно воздействуя на β-O-4 связи и сохраняя ценную целлюлозу, что приводит к более высокому выходу целлюлозы.

Как процесс сульфитной варки способствует устойчивому развитию?

В процессе используются сельскохозяйственные отходы, такие как бамбук и багасса, чтобы сократить вырубку лесов и усилить модели циклической экономики путем превращения отработанной сульфитной жидкости в ценные лигносульфонаты.

Каковы преимущества использования сульфита натрия по сравнению с методом крафт?

Процессы с использованием сульфита натрия, как правило, обеспечивают более высокий выход целлюлозы, лучшее сохранение углеводов и меньшее разрушение гемицеллюлозы по сравнению с традиционными крафт-методами.

Почему важен контроль температуры и pH в процессе сульфитной варки?

Контроль температуры и pH оптимизирует эффективность обезлигнивания, способствует сульфонации и минимизирует побочные реакции, обеспечивая максимальное удаление лигнина и высокое качество целлюлозы.