เหตุใดโซเดียมซัลไฟต์จึงถูกใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเยื่อกระดาษ?

บทบาทของโซเดียมซัลไฟต์ในกระบวนการผลิตเยื่อซัลไฟต์

โซเดียมซัลไฟต์ช่วยให้เกิดการกำจัดลิกนินแบบเลือกสรรในเส้นใยที่ไม่ใช่ไม้อย่างไร

เมื่อพูดถึงการสลายลิกนินในวัสดุเช่นฟางข้าวสาลีหรือกก สสารโซเดียมซัลไฟต์ให้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างดี โดยสามารถกำจัดลิกนินออกไปได้ระหว่าง 85 ถึง 92 เปอร์เซ็นต์ สิ่งที่ทำให้วิธีนี้ได้ผลดีก็คือ ซัลไฟต์จะโจมตีพันธะเบต้า-O-4 ในโครงสร้างของลิกนินโดยเฉพาะ ในขณะที่ยังคงเซลลูโลสไว้ไม่เสียหาย ผลลัพธ์สุดท้ายคือ ปริมาณเยื่อกระดาษที่ได้เพิ่มขึ้น 6 ถึง 11 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีคราฟต์แบบดั้งเดิม ตามรายงานการวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Pulping Science Review และที่น่าสนใจคือ กระบวนการทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายใต้สภาวะกรดค่อนข้างสูง โดยปกติระดับ pH จะอยู่ระหว่าง 1.5 ถึง 3 ที่ค่า pH ต่ำเหล่านี้ ไอออนซัลไฟต์จะเข้าทำลายส่วนฟีนอลิกของโมเลกุลลิกนินอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้พันธะอีเทอร์ถูกตัดขาดโดยไม่กระทบต่อโครงสร้างคาร์โบไฮเดรตที่เราต้องการรักษาไว้ เพื่อการผลิตเยื่อกระดาษคุณภาพสูง

หลักเคมีของปฏิกิริยาซัลไฟต์แบบกรดและการทำให้ลิกนินละลายน้ำได้

เมื่อให้ความร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 130 ถึง 150 องศาเซลเซียส โซเดียมซัลไฟต์จะสร้างไอออนไบซัลไฟต์ (HSO3-) ซึ่งจะจับกับโมเลกุลของลิกนินที่ตำแหน่งคาร์บอนเฉพาะเจาะจง ส่งผลให้เกิดสารประกอบที่ละลายน้ำได้ ซึ่งเรียกว่า ลิกโนซัลโฟเนต การวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Journal of Wood Chemistry ชี้ให้เห็นว่า การตั้งค่า pH ประมาณ 2.2 จะให้ผลดีที่สุดสำหรับปฏิกิริยานี้ โดยสามารถทำให้ลิกนินละลายออกจากตัวอย่างฟางข้าวได้ประมาณสามในสี่ ภายในเวลาเพียงสองชั่วโมง เมื่อพิจารณาความก้าวหน้าของปฏิกิริยา พบว่าปฏิกิริยานี้ดูเหมือนจะเป็นไปตามกฎอัตราการเกิดปฏิกิริยาเทียมลำดับแรก (pseudo first order kinetics) และต้องใช้พลังงานประมาณ 98 กิโลจูลต่อโมล เพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยา ซึ่งทำให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงในการย่อยสลายลิกนิน โดยไม่ทำลายโครงสร้างเซลลูโลสมากนักระหว่างการบำบัด

การประยุกต์ใช้กับไม้ไผ่และกากน้ำตาล: กรณีศึกษาวัตถุดิบที่ยั่งยืน

ระดับลิกนินในไม้ไผ่ (ประมาณ 24 ถึง 28%) และกากน้ำตาล (ประมาณ 19 ถึง 22%) ทำให้วัสดุเหล่านี้เหมาะสมอย่างยิ่งต่อกระบวนการผลิตเยื่อกระดาษแบบซัลไฟต์ บางโรงงานผลิตกระดาษในจีนรายงานว่าได้ผลผลิตเยื่อกระดาษจากไม้ไผ่ประมาณ 48% เมื่อใช้วิธีโซเดียมซัลไฟต์ ซึ่งถือว่าค่อนข้างน่าประทับใจเมื่อเทียบกับระบบคราฟท์แบบดั้งเดิมที่มักจะต่ำกว่าอยู่ประมาณ 6 เปอร์เซ็นต์ตามรายงานเส้นใยจากวัสดุที่ไม่ใช่ไม้ล่าสุดปี 2022 สิ่งที่น่าสนใจยิ่งไปกว่านั้นคือการที่เรื่องนี้สอดคล้องกับเป้าหมายด้านความยั่งยืนในภาพรวมมากขึ้น แผนปฏิบัติการเศรษฐกิจหมุนเวียนของสหภาพยุโรปสนับสนุนให้มีการใช้วัสดุเหลือทิ้งจากการเกษตร เช่น วัสดุเหล่านี้ เพื่อช่วยลดอัตราการทำลายป่าไม้ลงระหว่าง 17 ถึง 23% ต่อปีในแต่ละประเทศสมาชิก

ประสิทธิภาพการกำจัดลิกนินที่เพิ่มขึ้นด้วยโซเดียมซัลไฟต์

กลไกการเกิดลิกนินซัลโฟเนตระหว่างกระบวนการต้ม

ในระหว่างการปรุงอาหาร ซัลฟิตซาเดียมปฏิกิริยากับพอลิมเลอร์ลิกนินผ่านการซัลโฟเนชั่นของพันธะ β-O-4 เอเทอร์ภายใต้สภาพกรด ผลิตสารกําเนิดที่มีความรักต่อน้ําที่เพิ่มความละลายในเหลว อุปกรณ์นี้กําจัดลิกนินในเส้นใยที่ไม่ใช่ไม้ เช่น ก้านถึง 70-85% โดยไม่ทําลายคาร์บอฮิเดรต ทําให้มันมีประสิทธิภาพสูงสําหรับวัสดุดิบเกษตรที่มีเส้นใย

กลยุทธ์ควบคุมอุณหภูมิและ pH เพื่อปรับปรุงการกําจัดลิกนิน

การควบคุมอุณหภูมิและ pH อย่างแม่นยําเป็นสิ่งสําคัญในการยกระดับประสิทธิภาพการปรับปรุงการปรับปรุง

การรักษาอุณหภูมิที่สูงกว่า 140 °C เป็นเวลา 90-120 นาทีทําให้การทําลายอย่างละเอียด ขณะที่ pH ระหว่าง 2.8 และ 3.2 จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการลดความร้อนขึ้น 15-20% เมื่อเทียบกับสภาพเฉลี่ย โดยลดการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงให้น้อยที่สุด

ผลประกอบการเปรียบเทียบ: ไม้แข็งกับเศษเหลือทางการเกษตร

ซัลฟิตนาเดียมทํางานได้ดีมาก เมื่อพูดถึงการทําลายวัสดุที่เหลือจากการเกษตร ยกตัวอย่างเช่น ก้านยาง สามารถกําจัดลิกนินได้ประมาณ 85 ถึง 90% เมื่อถูกประมวลผลอย่างถูกต้อง ซึ่งดีกว่าไม้แข็งส่วนใหญ่ เช่น ยูคาลิปตัส ที่กําจัดได้แค่ 65 ถึง 75% ทําไมมันถึงเกิดขึ้น ใยเกษตรมักมีโครงสร้างลิกนินที่ไม่ค่อยแน่น และผนังเซลล์บาง ดังนั้นสารซัลฟิตจะสามารถเจาะเข้าไปในวัสดุได้ลึกกว่า เมื่อเราดูผลจริง หมักข้าวโพดที่แปรรูปด้วยซัลฟิตโซเดียม จะให้ผลผลิตผงมากกว่าวิธีการแปรรูปไม้แบบดัดดัดแบบดั้งเดิม ประมาณ 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ นี่ทําให้การแปรรูปซัลฟิตซาเดียม เป็นทางเลือกที่น่าสนใจสําหรับคนที่ต้องการใช้เส้นใยที่ไม่ใช่ไม้ได้อย่างดีในวิธีที่มิอ่อนโยนต่อสิ่งแวดล้อม

การแยกเส้นใยและคุณภาพผงผงที่ดีขึ้น

การบวมของเมทริกซ์ผนังเซลล์โดยไอออนซัลฟิต เพื่อการปลดปล่อยเส้นใยที่ดีขึ้น

เมื่อยอนซัลฟิตเข้าสัมผัสกับวัสดุพืช พวกมันจะทําลายบางส่วนของพันธะฮายดรอเจน ที่ถือเซลลูโลสและลิกนินไว้ด้วยกัน ซึ่งทําให้เกิดการบวมเฉพาะในส่วนของเส้นใยที่ใช้เป็นลิกนินในเส้นใย เช่น ไม้ยาง หรือหญ้าข้าว ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์ในหนังสือ Food Packaging and Shelf Life เมื่อปี 2022 กระบวนการนี้สามารถทําให้ผนังเซลล์ขยายออกไปได้จาก 12 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งช่วยให้เส้นใยส่วนตัวได้ออกมาได้ดีกว่าวิธีการดั้งเดิม สิ่งที่ทําให้วิธีการนี้มีคุณค่ามาก คือวิธีการที่มันลดพลังงานที่จําเป็นในการชําระน้ําด้วยเครื่องกล โดยประมาณ 18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเทคนิคการชําระน้ําเป็นเกลือแบบปกติ นอกจากนี้ ไม่เหมือนกับกระบวนการอื่นๆ มันยังคงรักษาเส้นใยยาวๆ ให้ไม่เสียหาย ซึ่งเป็นสิ่งที่สําคัญมาก ในการสร้างผลิตภัณฑ์แบบพิมพ์ในภายหลัง

โมฟโลยีของเส้นใยหลังจากการรักษาด้วยซัลฟิตโซเดียม: การศึกษากรณีของหญ้าข้าวโพด

ตามการวิเคราะห์ของ AFM สายใยหญ้าข้าวที่มีการรักษาด้วยซัลฟิตซัตเดียม มีการแตกผิวน้อยกว่า 23% เมื่อเทียบกับเส้นใยที่ผ่านการแปรรูปแบบคราฟท์ทั่วไป และยังมีเส้นใยที่ตรงกันได้ดีขึ้นอีก 40% สิ่งที่ทําให้การรักษานี้มีประสิทธิภาพมาก คือการลดการบดลงของลิกนิน ซึ่งทําให้เส้นใยมีขุมพอที่จะดูดซึมของเหลวได้ดี สําหรับการใช้ในบรรจุอาหาร โครงสร้างที่ดีขึ้น ทําให้เส้นใยเหล่านี้ติดกันได้ดีกว่ามาก เมื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ เราเห็นว่าเรื่องนี้ได้รับการยืนยันผ่านการทดสอบ ผ่านกล้องจุลินทรีย์พลังอะตอมหลายครั้ง ในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมา

ตอบสนองความต้องการของตลาดสําหรับผงปูนที่ไม่เป็นไม้ที่มีความละเอียดสูง และผลิตสูง

การปฏิบัติงานการทําแบบร้อนล่าสุดตอนนี้สร้างผงผงที่ได้รับการรักษาด้วยซัลฟิตซาเดียม ที่บรรลุระดับความว่างของ CSF ราว 650 ถึง 700 mL ซึ่งเป็นผลประกอบการที่ดีกว่าประมาณสามส่วนเมื่อเทียบกับเทคนิคเก่า ความอิสระเพิ่มขึ้นนี้ ทําให้ผู้ผลิตสามารถผลิตสินค้าจากผงพลาสติกได้อย่างมากมาย โดยมีจุดอ่อนของรูเข็มน้อยกว่าครึ่งเปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นสิ่งที่ตรงกับความต้องการของ FDA ในเรื่องการใช้ในบรรจุอาหาร ถ้าดูจากตัวเลขแล้ว กระบวนการเหล่านี้จะเก็บคาร์โบไฮเดรตไว้ประมาณ 82- 85% โดยทําตามเป้าหมายความยั่งยืนโดยไม่ทําลายธนาคาร สิ่งที่น่าประทับใจมากก็คือ บริษัทสามารถประหยัดเงินได้มากแค่ไหน โดยลดค่าใช้จ่ายในการแปรรูปลง

การ สูงสุด ผลิต ผง และ การ ถือ คาร์โบไฮเดรต

การลดการละลายของเฮมิสเซลลูโลสในซัลฟิต VS กระบวนการครอฟท์

การกระดาษด้วยโซเดียมซัลไฟต์ทำงานได้ดีที่สุดในช่วงค่าความเป็นกรด-เบาระหว่าง 4.5 ถึง 6.5 ซึ่งช่วยลดการสลายตัวจากกรดและรักษากลุ่มคาร์โบไฮเดรตไว้ได้มากขึ้นประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีการผลิตเยื่อกระดาษแบบคราฟต์ กระบวนการคราฟต์สร้างสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง ซึ่งทำให้ส่วนประกอบของเฮมิเซลลูโลสสลายตัวไปประมาณ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ในทางตรงกันข้าม ระบบซัลไฟต์สามารถคงโครงสร้างที่เชื่อมโยงระหว่างเซลลูโลสกับเฮมิเซลลูโลสไว้ได้ประมาณ 85 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ เมื่อพิจารณาเฉพาะการใช้งานกับไม้ไผ่ งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่า การเติมของเหลวไอออนิกเข้าไปในกระบวนการผลิตเยื่อซัลไฟต์สามารถรักษาระดับการเก็บเซลลูโลสไว้ได้สูงถึง 84 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับกระบวนการคราฟต์ที่ทำได้เพียง 67 เปอร์เซ็นต์ตามที่กลินสกาและคณะได้ตีพิมพ์ไว้ในปี ค.ศ. 2021 ความแตกต่างเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุตสาหกรรมที่มุ่งเน้นการเพิ่มผลผลิตของวัสดุโดยไม่กระทบต่อความแข็งแรงของโครงสร้าง

การเปรียบเทียบผลผลิต: การแปรรูปยูคาลิปตัสในระบบซัลไฟต์และคราฟท์

เมื่อพูดถึงการแปรรูปไม้ยูคาลิปตัส วิธีการผลิตเยื่อกระดาษแบบซัลไฟต์ให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าวิธีคราฟท์แบบดั้งเดิม กระบวนการซัลไฟต์ให้ผลผลิตประมาณ 52 ถึง 55 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสูงกว่าคราฟท์ที่ได้เพียง 48 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากสามารถคงสารกลูโคแมนแนนที่มีคุณค่าไว้ได้มากกว่าระหว่างกระบวนการรักษาด้วยกรด การทดสอบล่าสุดในปี 2023 พบข้อมูลที่น่าสนใจเช่นกัน: ยูคาลิปตัสที่ผ่านกระบวนการด้วยซัลไฟต์ยังคงมีเฮมิเซลลูโลสอยู่ประมาณ 18.3% ซึ่งถือว่าโดดเด่นมากเมื่อเทียบกับเพียง 9.1% ในเยื่อคราฟท์ และทำให้ผลิตภัณฑ์กระดาษมีความแข็งแรงมากขึ้นโดยรวม ทีมวิจัยเดียวกันยังได้ศึกษาวัสดุของเสียทางการเกษตรและพบว่าระบบซัลไฟต์สามารถผลิตเซลลูโลสได้สูงถึง 80.3% เมื่อมีการปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมที่สุด ซึ่งสูงกว่าเทคโนโลยีคราฟท์ประมาณ 11 เปอร์เซ็นต์ ทำให้กระบวนการซัลไฟต์ดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกที่เหนือกว่าสำหรับบางการใช้งาน

การปรับสมดุลระหว่างความเร็วของการขจัดลิกนินและการรักษายอดผลผลิต

การต้มที่อุณหภูมิ 135-145°C เป็นเวลา 90-120 นาที จะช่วยเพิ่มผลผลิตสูงสุดโดยไม่ลดทอนอัตราการผลิต หากต่ำกว่า 130°C การขจัดลิกนินจะช้าลง 40% และหากสูงกว่า 150°C เซลลูโลสจะเสื่อมสภาพ 8-12% โรงงานยุคใหม่ใช้เซ็นเซอร์ตรวจวัดลิกนินแบบเรียลไทม์ เพื่อยุติปฏิกิริยาเมื่อขจัดลิกนินได้ 85-90% ซึ่งช่วยรักษากลูโคสไว้ถึง 94% พร้อมกันไปกับการบรรลุตามกำหนดการผลิต

ประโยชน์ด้านความยั่งยืนและการกู้คืนโซเดียมลิกโนซัลโฟเนต

จากของเสียสู่มูลค่า: การแปรสภาพของเหลือทิ้งจากการซัลไฟต์เป็นลิกโนซัลโฟเนต

ของเหลือทิ้งจากการแปรรูปโซเดียมซัลไฟต์ หรือ Spent sulfite liquor ถูกนำมาแปรสภาพเป็นลิกโนซัลโฟเนต โดยมีประสิทธิภาพการกู้คืน 92-95% (รายงานการศึกษาการกู้คืนวัสดุ ปี 2025) โพลิเมอร์ชีวภาพชนิดนี้สามารถแทนที่สารยึดเกาะสังเคราะห์ในสารเติมแต่งคอนกรีต โดยการทดลองเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่า มีแรงยึดเกาะของปูนฉาบแข็งแรงขึ้น 40% เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ทำจากปิโตรเลียม

การกู้คืนในระดับอุตสาหกรรม: การกรองด้วยเยื่อเมมเบรนและการเข้มข้น

การกรองด้วยเยื่อหุ้มแบบหลายขั้นตอนช่วยเข้มข้นกระแสลิกโนซัลโฟเนตให้มีของแข็ง 68-72% โดยใช้พลังงานน้อยกว่าการระเหยด้วยความร้อนถึง 35% สถานประกอบการที่แปรรูปน้ำหมันปริมาณ 500 ตันต่อวันสามารถกู้คืนสารเคมีได้ 89% ผลิตลิกโนซัลโฟเนตที่พร้อมจำหน่ายได้ 280 ตันต่อวัน

สนับสนุนโมเดลเศรษฐกิจหมุนเวียนในโรงงานกระดาษสมัยใหม่

การนำเศษวัสดุจากการทำเยื่อกระดาษ 1 ตันมาแปรรูปเป็นสารกระจายตัวจากลิกโนซัลโฟเนตมูลค่า 42,000 ดอลลาร์สหรัฐ ช่วยส่งเสริมเป้าหมายเศรษฐกิจหมุนเวียน ระบบวงจรปิดในปัจจุบันนำของเสียรองกลับมาใช้ใหม่ได้ 78% โดยนำไปใช้ในภาคเกษตรกรรม (เช่น สารควบคุมฝุ่น) และอุตสาหกรรมสิ่งทอ (เช่น ตัวพาสีย้อม) ช่วยลดการใช้สารต่างๆ จากปิโตรเคมีเทียบเท่า 290,000 เมตริกตันต่อปีทั่วโลก

คำถามที่พบบ่อย

โซเดียมซัลไฟต์มีบทบาทอย่างไรในการทำเยื่อกระดาษจากเส้นใยที่ไม่ใช่ไม้

โซเดียมซัลไฟต์สามารถสลายลิกนินในเส้นใยที่ไม่ใช่ไม้ เช่น ฟางข้าวและไม้ไผ่ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเลือกทำลายพันธะเบต้า-O-4 โดยยังคงเซลลูโลสที่มีค่าไว้ ทำให้ได้เยื่อกระดาษในปริมาณที่สูงขึ้น

กระบวนการผลิตเยื่อซัลไฟต์มีส่วนช่วยต่อความยั่งยืนอย่างไร

กระบวนการนี้ใช้ผลิตภัณฑ์ของเสียจากการเกษตร เช่น ไม้ไผ่ และกากอ้อย เพื่อลดการตัดไม้ทำลายป่า และส่งเสริมโมเดลเศรษฐกิจหมุนเวียน โดยการแปรสภาพของเหลือทิ้งจากกระบวนการซัลไฟต์ให้กลายเป็นลิโคนซัลโฟเนตที่มีคุณค่า

ข้อดีของการใช้โซเดียมซัลไฟต์แทนวิธีการคราฟต์คืออะไร

โดยทั่วไป กระบวนการโซเดียมซัลไฟต์จะให้ผลผลิตเยื่อกระดาษที่ดีกว่า มีการคงคาร์โบไฮเดรตได้มากกว่า และทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของเฮมิเซลลูโลสในระดับที่ต่ำกว่าวิธีการคราฟต์แบบดั้งเดิม

ทำไมการควบคุมอุณหภูมิและค่าพีเอชจึงมีความสำคัญในกระบวนการผลิตเยื่อซัลไฟต์

การควบคุมอุณหภูมิและค่าพีเอชจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแยกลิกนิน ส่งเสริมปฏิกิริยาซัลโฟเนชัน และลดปฏิกิริยารองต่างๆ ซึ่งทำให้สามารถกำจัดลิกนินได้สูงสุดและรักษามาตรฐานคุณภาพของเยื่อกระดาษ