Навіщо використовують натрію сульфіт у паперовій промисловості?

Роль натрію сульфіту в сульфітному процесі варіння целюлози

Як натрію сульфіт забезпечує селективне видалення лігніну з некартопляних волокон

Коли йдеться про розкладання лігніну в матеріалах, таких як солома пшениці або очерет, сульфіт натрію дає досить хороші результати, видаляючи від 85 до 92 відсотків вмісту лігніну. Те, що робить цей процес таким ефективним, полягає в тому, що сульфіт спеціально атакує зв'язки бета-O-4 у структурі лігніну, залишаючи целюлозу непошкодженою. Кінцевий результат? Вихід целюлози зростає на 6–11 процентних пунктив порівняно з традиційним крафтовим методом, згідно з дослідженням, опублікованим минулого року в журналі Pulping Science Review. І цікаво те, що весь цей процес відбувається в досить кислих умовах, зазвичай при значеннях pH між 1,5 та 3. За таких низьких значень pH сульфіт-іони націлено діють на фенольні частини молекул лігніну, ефективно розриваючи простірні зв'язки, не пошкоджуючи при цьому структури вуглеводів, які потрібно зберегти для отримання якісної целюлози.

Хімія кислотних сульфітних реакцій та розчинення лігніну

При нагріванні в діапазоні від 130 до 150 градусів Цельсія натрію сульфіт утворює бісульфіт-іони (HSO3-), які приєднуються до молекул лігніну в певних точках вуглецю, зрештою утворюючи водорозчинні сполуки, відомі як лігносульфонати. Нещодавні дослідження, опубліковані минулого року в журналі Wood Chemistry, свідчать про те, що для цієї реакції найкраще підходить значення pH близько 2,2, що дозволяє розчинити близько трьох чвертей лігніну зі зразків рисової соломи всього за дві години. Аналізуючи хід реакції, можна побачити, що вона відповідає так званій псевдопершій порядковості кінетики й потребує приблизно 98 кілоджоулів на моль енергії для запуску. Це робить весь процес досить ефективним для руйнування лігніну без надмірного пошкодження структур целюлози під час обробки.

Застосування в бамбуку та багасі: аргумент на користь сталого сировини

Рівні лігніну в бамбуку (приблизно 24–28%) та багасі (близько 19–22%) роблять ці матеріали добре придатними для сульфітного процесу виробництва целюлози. Деякі китайські паперові фабрики повідомили про отримання приблизно 48% виходу целюлози з бамбуку за допомогою методу натрію сульфіту. Це досить вражаюче порівняно з традиційними крафтовими системами, які, за даними Останнього звіту про вторинні волокна за 2022 рік, зазвичай поступаються на шість процентних пунктів. Що робить це ще цікавішим, так це те, як це вписується в загальні цілі сталого розвитку. План дій Європейського союзу щодо економіки замкнутого циклу спеціально заохочує використання сільськогосподарських відходів, таких як ці, аби скоротити вирубку лісів на 17–23% щороку серед країн-членів.

Покращена ефективність делігніфікації з натрієм сульфіту

Механізм утворення сульфонованого лігніну під час варіння

Під час процесу варіння натрію сульфіт реагує з полімерами лігніну шляхом сульфонації β-O-4 ефірних зв'язків в кислих умовах, утворюючи гідрофільні похідні, що підвищують розчинність у щелочі. Цей механізм дозволяє видалити 70–85% лігніну з нетрадиційних волокон, таких як бамбук, не пошкоджуючи вуглеводи, що робить його високоефективним для волокнистих сільськогосподарських сировин.

Стратегії контролю температури та рівня pH для оптимізації видалення лігніну

Точний контроль температури та рівня pH має важливе значення для максимізації ефективності делігніфікації:

Підтримання температури вище 140°C протягом 90–120 хвилин забезпечує повне руйнування, тоді як значення pH у діапазоні від 2,8 до 3,2 підвищує ефективність делігніфікації на 15–20% порівняно з нейтральними умовами, мінімізуючи побічні реакції.

Порівняльна продуктивність: листяні дерева проти сільськогосподарських залишків

Натрій сульфіт дуже добре працює при розкладанні сільськогосподарських відходів. Візьмемо, наприклад, бамбук: при правильній обробці він може видаляти близько 85–90 відсотків лігніну, що значно краще, ніж більшість твердих порід деревини, таких як евкаліпт, який забезпечує лише 65–75 відсотків видалення. Чому так відбувається? Справа в тому, що волокна сільськогосподарських культур зазвичай мають менш конденсовану структуру лігніну та тонші клітинні стінки, тому розчин сульфіту може глибше проникати в матеріал. З огляду на фактичні результати, пшенична солома, оброблена натрієвим сульфітом, дає приблизно на 10–15 відсотків більше виходу целюлози порівняно з традиційними методами виробництва целюлози з твердої деревини. Це робить обробку натрієвим сульфітом привабливим варіантом для тих, хто прагне ефективно використовувати нетрадиційні волокна у більш екологічно чистий спосіб.

Покращене розділення волокон та якість целюлози

Набрякання матриці клітинної стінки іонами сульфіту для кращого виділення волокон

Коли іони сульфіту контактують із рослинними матеріалами, вони фактично руйнують деякі водневі зв'язки, що утримують разом целюлозу та лігнін. Це призводить до специфічного набрякання у частині структури волокна, пов'язаній із геміцелюлозою та лігніном, яка міститься, наприклад, в бамбукових стеблах або пшеничній соломі. Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Food Packaging and Shelf Life у 2022 році, цей процес може спричинити розширення клітинних стінок на 12–15 відсотків, що значно краще вивільняє окремі волокна порівняно з традиційними методами. Особливу цінність цьому підходу надає те, що він скорочує енерговитрати під час механічного очищення приблизно на 18–22 відсотки порівняно зі стандартними лужними методами виробництва целюлози. Крім того, на відміну від інших процесів, він зберігає довгі волокна цілими — що має велике значення для подальшого виготовлення формованих продуктів.

Морфологія волокон після обробки сульфітом натрію: дослідження випадку пшеничної соломи

Згідно з аналізом АСМ, волокна пшеничної соломи, оброблені сульфітом натрію, мають приблизно на 23 відсотки менше поверхневих тріщин у порівнянні зі звичайними волокнами, отриманими за процесом крафт, а також біля 40% кращої орієнтації фібрил. Ефективність цієї обробки пояснюється тим, що вона зменшує конденсацію лігніну, завдяки чому волокна залишаються достатньо пористими для добреї абсорбції рідин, що важливо для застосування в харчовій упаковці. Покращена структура означає, що ці волокна значно краще з'єднуються між собою під час виготовлення продуктів. Ми неодноразово підтверджували це за допомогою різних тестів атомно-силової мікроскопії протягом останніх місяців.

Відповідаємо попиту ринку на високоякісну целюлозу з невеликим деревом, з високим ступенем вільності та виходом

Сучасні операції термоформування дозволяють отримувати целюлозу, оброблену сульфітом натрію, зі ступенем вільного відтікання води у межах приблизно 650–700 мл, що на треть перевершує показники старих технологій. Цей підвищений ступінь вільного відтікання дає змогу виробникам масово випускати вироби з формованої целюлози з менш ніж піввідсотка дефектів типу «проколи», що цілком відповідає суворим вимогам FDA для застосування у харчовій упаковці. З огляду на цифри, ці процеси зберігають близько 82–85 відсотків вуглеводів, досягаючи цілей сталого розвитку без значних витрат. Особливо вражає економія коштів: витрати на обробку скорочуються на 18–22 долари за тонну порівняно з традиційними деревинними альтернативами.

Максимізація виходу целюлози та збереження вуглеводів

Знижене руйнування геміцелюлози в сульфітному процесі порівняно з процесом Крафта

Сульфітне варіння целюлози найкраще працює в помірних значеннях pH близько 4,5–6,5, що допомагає зменшити руйнування кислот і зберігає на 15–20 відсотків більше вуглеводів у порівнянні з традиційними методами крафтового виробництва. Крафтовий процес створює лужне середовище, яке фактично розкладає приблизно 30–40 відсотків компонентів геміцелюлози. Навпаки, сульфітні системи здатні зберігати близько 85–90 відсотків важливих зв'язків між целюлозою та геміцелюлозою. Коли йдеться про застосування саме бамбуку, останні дослідження показують, що додавання іонних рідин до сульфітного процесу варіння зберігає вражаючі 84 відсотки целюлози. Це значно вище, ніж у крафтового методу, який досягає лише 67 відсотків, згідно з дослідженням, опублікованим Ґліньською та колегами ще в 2021 році. Ці відмінності мають велике значення для галузей, які прагнуть максимізувати вихід матеріалу, не поступаючись при цьому структурній міцності.

Порівняння виходу: переробка евкаліпту в сульфітних і крафтових системах

Що стосується переробки деревини евкаліпту, то сульфітний спосіб виробництва целюлози дає кращі результати, ніж традиційні крафтові методи. Сульфітний процес забезпечує вихід близько 52–55 відсотків, що перевершує показник крафтового процесу (48–50 відсотків), оскільки під час кислотної обробки зберігається більша кількість цінних глюкомананів. Нещодавні дослідження 2023 року виявили цікавий факт: евкаліпт, оброблений сульфітом, зберіг приблизно 18,3% геміцелюлози. Це досить вражаючий показник у порівнянні з лише 9,1% для крафтової целюлози, що загалом забезпечує отримання міцніших паперових матеріалів. Та сама дослідницька група також вивчала відходи сільськогосподарського виробництва й виявила, що при оптимальних умовах сульфітні системи забезпечують вихід целюлози на рівні 80,3%. Це на 11 процентних пунктів вище, ніж у крафтових технологій, що робить сульфітну обробку справжнім лідером для певних застосувань.

Балансування швидкості делігніфікації та збереження виходу

Варіння при температурі 135–145 °C протягом 90–120 хвилин максимізує вихід без втрати продуктивності. При температурі нижче 130 °C швидкість делігніфікації знижується на 40%; вище 150 °C руйнується 8–12% целюлози. Сучасні підприємства використовують датчики лігніну в реальному часі, щоб зупиняти реакцію на етапі 85–90% делігніфікації, зберігаючи 94% вуглеводів і дотримуючись графіку виробництва.

Одержання натрію лігносульфонату та переваги з точки зору сталого розвитку

Від відходів до цінності: перетворення відпрацьованого сульфітного щелоку на лігносульфонати

Відпрацьований сульфітний щелок із процесу обробки натрію сульфіту тепер перетворюють на лігносульфонати з ефективністю відновлення 92–95% (Дослідження відновлення матеріалів, 2025). Ці біополімери замінюють синтетичні зв’язуючі у добавках для бетону, а пілотні випробування показали на 40% міцніші зв’язки розчину порівняно з нафтовими аналогами.

Промислове відновлення: мембранна фільтрація та концентрування

Багатоступінчаста мембранна фільтрація концентрує потоки лігносульфонатів до 68-72% сухих речовин, використовуючи на 35% менше енергії, ніж термічне випарювання. Об'єкти, що переробляють 500 тонн/добу витраченої рідини, досягають 89% хімічного вилучення, отримуючи 280 тонн лігносульфонатів, придатних для ринку, щодня.

Підтримка моделей циркулярної економіки в сучасних паперових млинах

Перепрофілювання 1 тонни залишків від виробництва целюлози у диспергатори на основі лігносульфонатів вартістю 42 000 доларів США сприяє досягненню цілей циркулярної економіки. Системи замкнутого циклу тепер перенаправляють 78% побічних продуктів у сільське господарство (наприклад, засоби пригнічення пилу) та текстильну промисловість (наприклад, носії барвників), витісняючи 290 000 метричних тонн/рік нафтохімічних аналогів у глобальному масштабі.

ЧаП

Яку роль відіграє натрію сульфіт у процесі варіння некартопляних волокон?

Натрію сульфіт ефективно розщеплює лігнін у некартопляних волокнах, таких як пшенична солома та бамбук, селективно впливаючи на β-O-4 зв'язки, зберігаючи при цьому цінну целюлозу, що забезпечує вищий вихід целюлози.

Як процес сульфітного варіння сприяє сталому розвитку?

Процес використовує сільськогосподарські відходи, такі як бамбук та багасу, щоб зменшити вирубку лісів і посилювати моделі циркулярної економіки шляхом перетворення відпрацьованого сульфітного лугу на цінні лігносульфонати.

Які переваги використання натрію сульфіту порівняно з процесом крафту?

Процеси натрію сульфіту зазвичай забезпечують кращий вихід целюлози, вищу збереженість вуглеводів і менше руйнування геміцелюлози порівняно з традиційними методами крафту.

Чому важливо контролювати температуру та рівень pH у процесі сульфітного варіння?

Контроль температури та рівня pH оптимізує ефективність делігніфікації, сприяє реакціям сульфонації та мінімізує побічні реакції, забезпечуючи максимальне видалення лігніну та якість целюлози.