Tại Sao Natri Sulfit Được Sử Dụng Trong Ngành Công Nghiệp Sản Xuất Bột Giấy?

Vai trò của Natri Sunfit trong Quá trình Tẩy Sunfit

Cách Natri Sunfit Cho Phép Tẩy Trắng Lignin Chọn lọc trong Sợi Không phải từ Gỗ

Khi nói đến việc phân hủy lignin trong các vật liệu như rơm lúa mì hoặc cây sậy, natri sulfite cho kết quả khá tốt, loại bỏ từ 85 đến 92 phần trăm lượng lignin. Điều làm nên hiệu quả này là ion sulfite đặc biệt tấn công các liên kết beta-O-4 trong cấu trúc lignin trong khi vẫn giữ nguyên xenluloza. Kết quả cuối cùng? Theo nghiên cứu được công bố năm ngoái trên Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Chế bột, năng suất bột tăng lên từ 6 đến 11 điểm phần trăm so với phương pháp kraft truyền thống. Và điều thú vị là toàn bộ quá trình này xảy ra trong điều kiện khá axit, thường ở mức độ pH nằm trong khoảng từ 1,5 đến 3. Ở các giá trị pH thấp này, các ion sulfite thực sự nhắm vào các phần phenolic của phân tử lignin, hiệu quả phá vỡ các liên kết ete mà không làm ảnh hưởng đến các cấu trúc carbohydrate mà chúng ta muốn bảo tồn để sản xuất bột chất lượng cao.

Hóa học đằng sau phản ứng Sulfite Axit và quá trình hòa tan Lignin

Khi được đun nóng ở nhiệt độ từ 130 đến 150 độ C, natri sulfite tạo ra các ion bisulfite (HSO3-) gắn vào các phân tử lignin tại những vị trí carbon cụ thể, cuối cùng tạo thành các hợp chất hòa tan trong nước gọi là lignosulfonat. Nghiên cứu gần đây được công bố năm ngoái trên Tạp chí Hóa học Gỗ cho thấy việc điều chỉnh pH khoảng 2,2 là tối ưu nhất cho phản ứng này, cho phép khoảng ba phần tư lượng lignin hòa tan từ mẫu rơm gạo chỉ sau hai giờ. Khi xem xét tiến trình của phản ứng, dường như nó tuân theo động học giả bậc một mà các nhà khoa học gọi là, đòi hỏi năng lượng khoảng 98 kilojoule mỗi mol để khởi động. Điều này làm cho toàn bộ quá trình trở nên khá hiệu quả trong việc phân hủy lignin mà không làm tổn hại nhiều đến cấu trúc cellulose trong quá trình xử lý.

Ứng dụng trong Tre và Bã Mía: Trường hợp về Nguyên liệu Tái tạo Bền vững

Hàm lượng lignin trong cây tre (khoảng 24 đến 28%) và bã mía (khoảng 19 đến 22%) khiến những vật liệu này rất phù hợp với quy trình sản xuất bột giấy bằng phương pháp sunfit. Một số nhà máy giấy ở Trung Quốc thậm chí đã báo cáo đạt năng suất bột giấy khoảng 48% từ tre khi sử dụng phương pháp natri sunfit. Con số này khá ấn tượng so với các hệ thống kraft truyền thống, vốn thường thấp hơn khoảng sáu điểm phần trăm theo Báo cáo Sợi Phi Gỗ mới nhất năm 2022. Điều làm nên sự thú vị hơn nữa là cách thức phù hợp với các mục tiêu bền vững rộng lớn hơn. Kế hoạch Hành động Kinh tế Tuần hoàn của Liên minh Châu Âu đặc biệt khuyến khích việc tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp như thế này để góp phần giảm tỷ lệ phá rừng từ 17% đến 23% mỗi năm trên toàn các quốc gia thành viên.

Hiệu quả tách lignin được cải thiện với Natri Sunfit

Cơ chế hình thành Lignin Sunfonat trong quá trình nấu

Trong quá trình nấu, natri sulfite phản ứng với các polymer lignin thông qua quá trình sunfon hóa các liên kết ether β-O-4 trong điều kiện axit, tạo thành các dẫn xuất ưa nước giúp tăng độ hòa tan trong dịch nấu. Cơ chế này loại bỏ 70-85% lignin trong các sợi không phải từ gỗ như tre mà không làm hư hại carbohydrate, do đó rất hiệu quả đối với nguyên liệu nông nghiệp dạng sợi.

Chiến lược kiểm soát nhiệt độ và độ pH để tối ưu hóa việc loại bỏ lignin

Việc kiểm soát chính xác nhiệt độ và độ pH là yếu tố then chốt để tối đa hóa hiệu suất tẩy lignin:

Duy trì nhiệt độ trên 140°C trong 90-120 phút đảm bảo sự phân hủy triệt để, trong khi độ pH từ 2,8 đến 3,2 cải thiện hiệu suất tẩy lignin thêm 15-20% so với điều kiện trung tính, đồng thời giảm thiểu các phản ứng phụ.

So sánh hiệu suất: Gỗ cứng so với phụ phẩm nông nghiệp

Natri sulfite hoạt động rất tốt khi nói đến việc phá vỡ chất thải nông nghiệp. Ví dụ như tre có thể loại bỏ khoảng 85 đến 90% lignin khi được xử lý đúng cách, tốt hơn nhiều so với hầu hết các loại gỗ cứng như cây bạch dương chỉ có thể loại bỏ khoảng 65 đến 75%. Tại sao lại xảy ra chuyện này? Vâng, sợi nông nghiệp thường có cấu trúc lignin ít ngưng tụ hơn và các thành tế bào mỏng hơn, vì vậy dung dịch sulfite thực sự có thể thâm nhập sâu hơn nhiều vào vật liệu. Khi chúng ta nhìn vào kết quả thực tế, rơm lúa mì được chế biến với natri sulfite mang lại sản lượng bột hơn khoảng 10 đến 15 phần trăm so với các phương pháp bột gỗ cứng truyền thống. Điều này làm cho chế biến natri sulfite trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho những người muốn sử dụng tốt sợi không gỗ theo cách thân thiện hơn với môi trường.

Cải thiện phân tách sợi và chất lượng bột giấy

Sưng ma trận thành tế bào bởi ion sulfite để giải phóng sợi tốt hơn

Khi các ion sulfite tiếp xúc với vật liệu thực vật, chúng thực sự phá vỡ một số liên kết hydro giữ lại các thành phần cellulose và lignin. Điều này gây ra sự sưng đặc biệt trong phần hemicellulose-lignin của cấu trúc sợi được tìm thấy trong những thứ như thân tre hoặc rơm lúa mì. Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Food Packaging and Shelf Life vào năm 2022, quá trình này có thể làm cho các thành tế bào mở rộng từ 12 đến 15%, giúp giải phóng các sợi riêng lẻ tốt hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Điều làm cho phương pháp này rất có giá trị là nó giảm năng lượng cần thiết trong quá trình tinh chế cơ khí khoảng 18 đến 22 phần trăm so với các kỹ thuật làm giấy kiềm thông thường. Thêm vào đó, không giống như các quá trình khác, nó giữ cho các sợi dài hơn nguyên vẹn, điều này rất quan trọng để tạo ra các sản phẩm đúc sau này.

Mô hình học sợi sau khi xử lý natri sulfite: Nghiên cứu trường hợp rơm lúa mì

Theo phân tích của AFM, sợi rơm lúa mì được xử lý với natri sulfite thực sự cho thấy khoảng 23% ít gãy bề mặt hơn so với sợi kraft thông thường, cộng với đó chúng cũng có sự sắp xếp sợi tốt hơn khoảng 40%. Điều làm cho phương pháp điều trị này hiệu quả là nó làm giảm sự ngưng tụ lignin, giữ cho sợi đủ xốp để hấp thụ chất lỏng rất tốt cho các ứng dụng đóng gói thực phẩm. Cấu trúc được cải thiện có nghĩa là các sợi này dính lại với nhau tốt hơn nhiều khi được sản xuất thành các sản phẩm. Chúng tôi đã chứng minh điều này qua nhiều thử nghiệm vi mô lực nguyên tử trong những tháng gần đây.

Đáp ứng nhu cầu thị trường về bột giấy không gỗ có độ vỏn vẹn cao, năng suất cao

Các hoạt động tạo nhiệt mới nhất hiện tạo ra các bột bột được xử lý với natri sulfite đạt được khoảng 650 đến 700 ml mức độ tự do CSF, đại diện cho hiệu suất tốt hơn khoảng một phần ba so với các kỹ thuật cũ hơn. Sự tự do tăng lên này cho phép các nhà sản xuất sản xuất hàng loạt các sản phẩm bột đúc với ít hơn nửa phần trăm lỗ chân, một cái gì đó đánh dấu tất cả các hộp cho những yêu cầu nghiêm ngặt của FDA khi nói đến các ứng dụng đóng gói thực phẩm. Nhìn vào số liệu, các quá trình này giữ lại khoảng 82 đến 85 phần trăm carbohydrate, đạt được mục tiêu bền vững mà không phá vỡ ngân hàng. Điều đặc biệt ấn tượng là các công ty tiết kiệm được bao nhiêu tiền, cắt giảm chi phí chế biến từ 18 đến 22 đô la mỗi tấn so với các lựa chọn dựa trên gỗ truyền thống.

Tăng tối đa năng suất bột và giữ lại carbohydrate

Giảm phân hủy hemicellulose trong Sulfite so với các quy trình Kraft

Quy trình nấu bột giấy bằng natri sulfit hoạt động tốt nhất trong khoảng pH nhẹ hơn từ khoảng 4,5 đến 6,5, giúp giảm sự phân hủy do axit và giữ nguyên vẹn lượng carbohydrate nhiều hơn khoảng 15 đến 20 phần trăm so với các phương pháp nấu kraft truyền thống. Quy trình kraft tạo ra môi trường kiềm làm phân hủy khoảng 30 đến 40 phần trăm thành phần hemicellulose. Ngược lại, hệ thống sulfit có thể duy trì khoảng 85 đến 90 phần trăm các liên kết cellulose-hemicellulose quan trọng này. Khi xét riêng ứng dụng với tre, các nghiên cứu gần đây cho thấy việc bổ sung dung dịch ion vào quá trình nấu bột sulfit có thể duy trì tỷ lệ giữ lại cellulose ấn tượng ở mức 84 phần trăm. Con số này tăng đáng kể so với phương pháp kraft chỉ đạt 67 phần trăm theo nghiên cứu công bố bởi GliÅ„ska và các cộng sự vào năm 2021. Những khác biệt này rất quan trọng đối với các ngành công nghiệp hướng tới tối đa hóa năng suất vật liệu mà không làm ảnh hưởng đến độ bền cấu trúc.

So sánh năng suất: Xử lý keo trong hệ thống Sulfit và Kraft

Khi nói đến việc xử lý gỗ keo, phương pháp sản xuất bột giấy sulfit thực tế mang lại kết quả tốt hơn so với phương pháp kraft truyền thống. Quy trình sulfit đạt năng suất khoảng 52 đến 55 phần trăm, vượt trội hơn kraft với 48 đến 50 phần trăm vì nó giữ được nhiều glucomannan quý giá hơn trong quá trình xử lý bằng axit. Các thử nghiệm gần đây vào năm 2023 cũng đã phát hiện một điều thú vị: keo được xử lý bằng sulfit vẫn giữ được khoảng 18,3% hàm lượng hemicellulose. Con số này khá ấn tượng so với mức chỉ 9,1% ở bột kraft, từ đó tạo ra các sản phẩm giấy có độ bền cao hơn tổng thể. Nhóm nghiên cứu này cũng xem xét các vật liệu phế thải nông nghiệp và phát hiện rằng hệ thống sulfit đạt năng suất cellulose lên tới 80,3% khi mọi yếu tố được tối ưu hóa đúng cách. Điều này giúp chúng vượt hơn công nghệ kraft khoảng 11 điểm phần trăm, làm cho quy trình sulfit trở thành lựa chọn vượt trội trong một số ứng dụng nhất định.

Cân bằng tốc độ khử lignin và bảo tồn năng suất

Nấu ở nhiệt độ 135-145°C trong 90-120 phút để tối đa hóa năng suất mà không ảnh hưởng đến công suất. Dưới 130°C, quá trình khử lignin chậm lại 40%; trên 150°C, 8-12% cellulose bị phân hủy. Các nhà máy hiện đại sử dụng cảm biến lignin theo thời gian thực để dừng phản ứng ở mức 85-90% khử lignin, bảo tồn 94% carbohydrate đồng thời đáp ứng tiến độ sản xuất.

Tái thu hồi Natri Lignosulfonat và lợi ích về tính bền vững

Từ chất thải thành giá trị: Chuyển đổi dịch sulfite đã dùng thành Lignosulfonat

Dịch sulfite đã qua sử dụng từ quá trình xử lý natri sulfite hiện được chuyển hóa thành lignosulfonat với hiệu suất thu hồi đạt 92-95% (Nghiên cứu Thu hồi Vật liệu 2025). Các polymer có nguồn gốc sinh học này thay thế chất kết dính tổng hợp trong phụ gia bê tông, với các thử nghiệm tiền khả thi cho thấy liên kết vữa chắc hơn 40% so với các sản phẩm từ dầu mỏ.

Tái thu hồi quy mô công nghiệp: Lọc màng và cô đặc

Lọc màng nhiều giai đoạn làm đặc dòng lignosulfonat đến 68-72% chất rắn, sử dụng ít hơn 35% năng lượng so với bốc hơi nhiệt. Các cơ sở xử lý 500 tấn/ngày dịch thải đạt hiệu suất thu hồi hóa chất 89%, tạo ra 280 tấn lignosulfonat sẵn sàng cho thị trường mỗi ngày.

Hỗ trợ các mô hình nền kinh tế tuần hoàn trong các nhà máy giấy hiện đại

Tái sử dụng 1 tấn phụ phẩm nấu giấy thành 42.000 đô la Mỹ giá trị chất phân tán gốc lignosulfonat hỗ trợ mục tiêu kinh tế tuần hoàn. Các hệ thống khép kín hiện nay tái định hướng 78% phụ phẩm vào nông nghiệp (ví dụ: chất giữ bụi) và dệt may (ví dụ: chất mang màu), thay thế 290.000 tấn sản phẩm hóa dầu tương đương mỗi năm trên toàn cầu.

Câu hỏi thường gặp

Natri sulfite đóng vai trò gì trong quá trình nấu giấy từ sợi không phải gỗ?

Natri sulfite phá vỡ hiệu quả lignin trong các sợi không phải gỗ như rơm lúa mì và tre, nhắm chọn lọc vào các liên kết beta-O-4 trong khi bảo tồn cellulose có giá trị, dẫn đến năng suất bột giấy cao hơn.

Quy trình nấu sulfite góp phần như thế nào vào tính bền vững?

Quy trình sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp như tre và bã mía để giảm nạn phá rừng và tăng cường các mô hình kinh tế tuần hoàn bằng cách chuyển đổi dịch lỏng sulfite thải thành lignosulfonat có giá trị.

Những lợi thế khi sử dụng natri sulfite so với phương pháp kraft là gì?

Các quy trình natri sulfite thường mang lại năng suất bột giấy cao hơn, giữ lại lượng carbohydrate lớn hơn và làm suy giảm hemicellulose ít hơn so với các phương pháp kraft truyền thống.

Tại sao việc kiểm soát nhiệt độ và độ pH lại quan trọng trong quá trình nấu bột sulfite?

Việc kiểm soát nhiệt độ và độ pH giúp tối ưu hóa hiệu quả tách lignin, thúc đẩy các phản ứng sulfonation và giảm thiểu các phản ứng phụ, đảm bảo loại bỏ lignin tối đa và chất lượng bột giấy tốt nhất.