Зашто се натријум-сулфит користи у индустрији папирне пасте?

Улога натријум-сулфита у сулфитном процесу производње пулпе

Како натријум-сулфит омогућава селективну делигнификацију у нелувеним влакнима

Када је у питању разградња лигнина у материјалима као што су слама жита или трска, натријум-сулфит даје прилично добре резултате, уклањајући између 85 и 92 процента садржаја лигнина. Оно што омогућава тако добар ефекат јесте то што сулфит специфично напада бета-O-4 везе у структури лигнина, истовремено задржавајући целулозу нетакнутом. Коначан резултат? Принос пулпе се повећава за 6 до 11 процентних поена у односу на традиционалне крафт методе, према истраживању објављеном прошле године у часопису Преглед науке о пулпи. Занимљиво је да све ово има место у прилично киселим условима, обично када вредности pH варирају између 1,5 и 3. На овим ниским вредностима pH, саме сулфитне јоне циљају фенолна подручја молекула лигнина, ефикасно сецкајући те етарске везе, без оштећења угљеничних структура које желимо да сачувамо ради производње квалитетне пулпе.

Хемија киселих сулфитних реакција и растварања лигнина

Када се загреје између 130 и 150 степени Целзијуса, натријум-сулфит ствара бисулфитне јоне (HSO3-) који се везују за молекуле лигнина на одређеним угљеничним тачкама, на крају стварајући водом растврљиве једињења позната као лигносулфонати. Недавна истраживања објављена прошле године у часопису Journal of Wood Chemistry показују да постављање pH око 2,2 даје најбоље резултате за ову реакцију, омогућавајући да се око три четвртине лигнина раствора из узорака сламе ориза након само два сата. Ако посматрамо како напредује реакција, чини се да прати оно што научници називају лажном кинетиком првог реда, захтевајући приближно 98 килоџула по молу енергије за покретање. То чини цео процес прилично ефикасним за разградњу лигнина, без превеликог оштећења структура целулозе током третмана.

Примена на бамбу и шећерну трску: случај за одрживе сирове материјале

Нивои лигнина у бамбуу (око 24 до 28%) и багасу (око 19 до 22%) омогућавају добре услове за сулфитну пулпирацију. Неки кинески папирници су чак пријавили добијање око 48% излаза пулпе од бамбуа коришћењем методе натријум-сулфита. То је веома импресивно у поређењу са традиционалним крафт системима који обично заостају за шест проценатних поена, према најновијем извештају о нелувном влакну из 2022. године. Што је још занимљивије, ово се уклапа у шире циљеве одрживости. План акције Европске уније за круговни економски модел посебно подстиче искоришћавање отпадних производа пољопривреде као што су ови, како би се смањила стопа дефорестације између 17% и 23% сваке године у земљама чланицама.

Побољшана ефикасност делигнификације са натријум-сулфитом

Механизам формирања сулфонисаног лигнина током кувања

Током кувања, натријум-сулфит реагује са полимерима лигнина путем сулфонизације β-O-4 етарских веза у киселим условима, стварајући хидрофилне деривате који побољшавају растворање у течности. Овај механизам уклања 70–85% лигнина из некоштаних влакана као што је бамбус, без оштећења угљених хидрата, чинећи га веома ефикасним за фиброзна пољопривредна сировинска средства.

Стратегије контроле температуре и pH за оптимизацију уклањања лигнина

Прецизна контрола температуре и pH је од критичног значаја за максимизацију ефикасности уклањања лигнина:

Одржавање температуре изнад 140°C током 90–120 минута осигурава потпуно разградњу, док pH између 2,8 и 3,2 побољшава ефикасност уклањања лигнина за 15–20% у поређењу са неутралним условима, минимизирајући споредне реакције.

Упоредна перформанса: Листно дрво у односу на пољопривредне остатке

Натријум-сулфит делује изузетно добро при разградњи отпадних материјала у пољопривреди. Узмимо бамбус, на пример – он може да уклони око 85 до 90 посто лигнина када се правилно обради, што је знатно боље у односу на већину тврдих врста дрвета као што је еукаптус, код којих се постиже уклањање од само око 65 до 75 посто. Зашто се то дешава? Па, пољопривредна влакна генерално имају мање кондензиране структуре лигнина и тање ћелијске зидове, тако да раствор сулфита може много дубље да продре у материјал. Када погледамо стварне резултате, пшенична слама обрађена натријум-сулфитом дава око 10 до 15 посто више добијеног пулпе у поређењу са традиционалним методама производње пулпе од тврдог дрвета. Због тога је прерада помоћу натријум-сулфита привлачна опција за оне који желе ефикасно коришћење влакана која нису од дрвета на еколошки прихватљивији начин.

Побољшано раздвајање влакана и квалитет пулпе

Набубрење матрице ћелијског зида услед сулфитних јона ради бољег ослобађања влакана

Када сулфитни јони дођу у контакт са биљним материјалима, они заправо разграђују неке од тих водоничних веза које држе заједно компоненте целулозе и лигнина. То изазива специфично набубење у делу структуре влакана између хемицелулозе и лигнина, као што се налази у бамбусовим стабљикама или сламкама пшенице. Према истраживању објављеном у часопису Food Packaging and Shelf Life 2022. године, овај процес може проузроковати ширење ћелијских зидова између 12 и 15 посто, чиме се влакна много ефикасније ослобађају него код традиционалних метода. Оно што ову методу чини вредном јесте чињеница да смањује потрошњу енергије током механичког прерађивања за око 18 до 22 процента у поређењу са стандардним алкалним пулпирањем. Поред тога, за разлику од других процеса, она очувава дужа влакна, што је изузетно важно за каснију производњу ливених производа.

Морфологија влакана након третмана натријум-сулфитом: студија случаја пшеничне сламке

Према анализи АФМ, влакна пшеничног страна која су третирана натријум-сулфитом заправо имају око 23 процента мање површинских прслина у поређењу са обичним крафт влакнима, а такође имају и око 40% бољу поравнатост фибрила. Оно што чини ово третирање толико ефикасним је чињеница да смањује кондензацију лигнина, чиме одржава влакна довољно порозним да веома добро упијају течности, што је важно за примену у паковању хране. Побољшана структура значи да се ова влакна много боље држе заједно приликом производње производа. Ово смо потврдили кроз разне тестове атомском силом микроскопијом у протеклих неколико месеци.

Задовољавање тражње на тржишту за бездрљиву, високопродуктивну целулозу од нелесног материјала

Новије операције термоформинга стварају пулпу која се третира сулфитом натријума и постиже слободност од око 650 до 700 mL CSF, што представља отприлике трећину бољу перформансу у односу на старије технике. Ова повећана слободност омогућава произвођачима масовну производњу калупљених пулпа са мање од половине процента малих дупла, што испуњава све захтеве строгих FDA стандарда када је у питању паковање хране. Ако погледамо бројке, ови процеси задржавају приближно 82 до 85 процената угљених хидрата, постижући циљеве одрживости без превеликих трошкова. Посебно импресивно је и колико новца компаније уштеде, смањујући трошкове обраде између 18 и 22 долара по тони у поређењу са традиционалним опцијама заснованим на дрвету.

Максимизација приноса пулпе и задржавање угљених хидрата

Смањена деградација хемицелулозе у сулфитном у односу на крафт процесе

Пулпирање натријум сулфитом најбоље функционише у блажим опсеговима pH око 4,5 до 6,5, што помаже у смањењу распада киселина и задржава око 15 до 20 посто више угљених хидрата у поређењу са традиционалним методама обраде крафта. Крахт процес ствара алкално окружење које заправо разграђује отприлике 30 до 40 посто компоненти хемицелулозе. С друге стране, сулфитни системи успевају да задрже око 85 до 90 посто тих важних веза целулозе и хемицелулозе. Када се посебно размотри на бамбуско коришћење, недавне студије показују да додавање јонских течности у процес пулпирања сулфита одржава импресивну стопу задржавања целулозе од 84 посто. То је прилично скок од онога што крафт постиже са само 67 одсто према истраживању које су објавили Глијска и колеге 2021. године. Ове разлике су веома важне за индустрије које се фокусирају на максимизацију приноса материјала без угрожавања структурног интегритета.

Упоређење приноса: Преработка евкалипта у сулфитном и крафт систему

Када је реч о обради дрвета евкалипта, метода пулпирања сулфитом заправо даје боље резултате од традиционалних метода крафта. Процесирање сулфита добија око 52 до 55 посто приноса, што је боље од 48 до 50 посто приноса крафта јер задржава више тих драгоцених глукоманна у неповређеном стању током процеса киселотног третмана. Недавни тестови из 2023. године открили су и нешто занимљиво: евкалипт третиран сулфитом задржао је око 18,3% садржаја хемицелулозе. То је прилично импресивно у поређењу са само 9,1% за папиру, и чини да су папирови производи чврстији. Исти истраживачки тим је такође погледао и материјале од остатка од пољопривреде и открио је да су сулфитни системи произвели 80,3% приноса целулозе када је све било правилно оптимизовано. То их ставља пред крафт технологију за око 11 проценатних поена, што чини да суфитска преработка изгледа као прави победник за одређене апликације.

Избалансирање брзине делигнификације и очувања приноса

Кување на 135-145°C током 90-120 минута максимизује принос без жртвовања прометности. Под 130 °C, делигнификација се успорава за 40%; изнад 150 °C, 8-12% целулозе се разлага. Модерне мљевине користе сензоре лигнина у реалном времену да зауставе реакције на 85-90% делигнификације, чувајући 94% угљених хидрата док испуњавају производне распореде.

Натријум лигносулфонат: повратак и користи за одрживост

Од отпада до вредности: Преобраћање потрошене сулфитне пиће у лигносулфонате

Избегли сулфитни течност из прераде натријум сулфита сада се претвара у лигносулфонате са 92-95% ефикасности рекуперације (Истрада о рекуперацији материјала 2025) Ови биобазирани полимери замењују синтетичке везаче у бетонским мешавинама, а пилотне студије показују да је 40% јаче облигације од мортара него алтернатива на бази нафте.

Рекуперација у индустријском обиму: филтрација и концентрација мембране

Филтрација мембраном у више фаза концентрише струје лигносулфоната на 68-72% чврстих супстанци, користећи 35% мање енергије у односу на термалну испарљивост. Објекти који обрађују 500 тона дневно отпадне течности остварују 89% опоравка хемикалија, производећи 280 тона лигносулфоната спремних за тржиште сваког дана.

Подршка моделу круговне привреде у модерним папиранима

Поновна употреба 1 тоне остатка из целулозног процеса у вредности од 42.000 долара у дисперсантима на бази лигносулфоната подржава циљеве круговне привреде. Системи затвореног циклуса сада преусмеравају 78% страних производа у пољопривреду (нпр. средстава за сузбијање прашине) и текстил (нпр. носачи боје), чиме се замењује 290.000 метричких тона годишње петрохемикалијских еквивалената на глобалном нивоу.

Често постављана питања

Коју улогу има натријум-сулфит у процесу целулозе од влакана која нису дрво?

Натријум-сулфит ефикасно разлаже лигнин у влакнима која нису дрво, као што су слама пшенице и бамбус, селективно циљајући бета-O-4 везе док очувава вредан целулозни материјал, чиме се постиже већи принос целулозе.

Како процес сулфитне целулозе доприноси одрживости?

Процес користи отпадне производе из пољопривреде, као што су бамбус и шећерна трска, како би се смањила дефростација и побољшали модели круговног економског система претварањем искоришћеног сулфитног дестилата у вредне лигносулфонате.

Које су предности коришћења натријум-сулфита у односу на крафт методе?

Сулфитни процеси обично резултирају бољим приносом пулпе, већим задржавањем угљених хидрата и мањим разградњом ксилана у поређењу са традиционалним крафт методама.

Зашто је контрола температуре и pH важна у сулфитном процесу прављења пулпе?

Контрола температуре и pH оптимизује ефикасност одлигнификације, олакшава сулфонисање реакција и минимизира споредне реакције, осигуравајући максимално уклањање лигнина и квалитет пулпе.