تولید خمیر کاغذ از ضایعات کشاورزی

تولید خمیر کاغذ از ضایعات کشاورزی : بطور كلي هر نوع ماده اوليه سلولزي و ليگنوسلولزی(گياهان غير چوبي) كه توليد مواد از آن اقتصادی باشد ميتواند به عنوان مواد اوليه در صنايع كاغذ سازی قرار گيرد كه عمده ترين آنها به تفصيل در ذيل و در جدول آمده است:

چوب : شامل چوب سوزني برگان كه داراي الياف بلند تري بودهه و براي توليد خمير كاغذ در اين صنعت بسيار مرغوب مي باشند همچنين چوب پهن برگان كه شامل انواع درختان پهن برگ و از جمله صنوبر مي باشد.

منابع غير چوبي :

- مازاد توليد محصولات كشاورزي نظير تفاله نيشكر،كاه غلات،كلش،و مواد مشابه
- گياهاني كه بصورت طبيعي مي رويند نظير بامبو،ني،پاپيروس،علف اسپارتو و نظير آن
- گياهان غير چوبي كه صرفا به منظور استفاده از الياف آنها كاشته مي شوند.
- الياف برگ بعضي از گياهان نظير موز،آناناس،خرما و غيره
- الياف پنبه، لينتر پنبه و پارچه هاي پنبه ای (راگا)

در كشور ايران در سالهای گذشته به علت محدود بودن سطح جنگل ها،نياز كلي و مصرف زياد چوب در صنايع ديگر توجه بيشتر به قسمت منابع غير چوبي الياف معطوف گشته همچنين بالا بودن ارزش افزوده توليدات حاصل از منابع غير چوبي نسبت به انواع چوبي آن بواسطه ارزاني مازاد محصولات كشاورزی كه به عنوان مواد اوليه در توليد خمير كاغذ مورد استفاده قرار مي گيرند، سبب گرديده كه تلاش بيشتري در جهت بهره برداري از اين منابع بعمل آيد و در سياست گذاري ها،سرمايه گذاري های صنعتي به اين سمت سوق داده مي شود.

طبقه بندی عمومی فرآيندهای تبديل چوب به خمير كاغذ 

مقدمه ای بر انواع روش های خمير سازی : 

قديمي ترين و شايد همچنان متداول ترين روش خمير سازي مكانيكي، فرآيند گراندوود سنگي است كه در آن، الياف سلولزي به صورت قطعات بريده شده گرده بينه و در طول به وسيله يك سنگ زبر چرخان با سرعت 1000 تا 1200 متر در دقيقه، تحت فشار قرار گرفته و خرد مي شود و در نتيجه اين عمل، الياف از چوب كنده مي شوند و ساييده مي شوند و با شستشو از سطح سنگ جدا مي شوند . خمير رقيق الياف و خرده الياف كه به اين ترتيب به دست مي آيد، غربال مي شود تا ريزه چوب ها و ساير ذرات درشت جدا شوند، سپس با آبگيري از آن خميري به دست مي آيد كه براي كاغذسازی مناسب است. اساس كار ساده است اما تهيه خميری يكنواخت با بازده و كيفيت خوب، نياز به كنترل دقيق زبری سطح سنگ، فشار وارد شده بر چوب در سطح سنگ، سرعت آب پاشي و دماي آب دارد. پيشرفت جديدی كه در خميرسازي مكانيكي حاصل شده است، شامل ساييدن و خرد كردن ضایعات چوب ها بين دو ديسك چرخان در وسيله اي به نام پالاينده است. در اينجا خمير حاصل را خمير معمولاً محتوي RMP ، مي نامند. در مقايسه با خمير گراندوود سنگي ( RMP ) مكانيكي – پالايشي الياف بلند بيشتری است و كاغذ حاصل از آن محكمتر است. توسعه بيشتري يافته است. در كارخانه هاي جديد يك RMP در طي چند سال گذشته، فرآيند مرحله نرم سازي مقدماتي گرمائي يا شيميائي ( يا گرمائي – شميائي ) نيز اضافه شده است. با اين عمل، انرژي مورد نياز براي توليد و پالايش خمير كاهش مي يابد و خمير حاصل بهتر است. در اين راستا، مي توان از خمير گرمائي – مكانیکی (TMP) نام برد که محکم تر از خمیر RMP  است و در غربال پس زده كمتری دارد.

مزيت بزرگ فرآيندهاي خميرسازي مكانيكي در اين است كه مي توانند تا 95 % وزن خشك چوب را به خمير كاغذ تبديل كنند، اما براي دستيابي به اين هدف، به مقدار زيادي انرژي نياز هست . كاغذ حاصل بسيار مات است و چاپ پذيری مطلوبی دارد، اما ضعيف است و در برابر نور به زودي رنگين مي شود. براي افزايش مقاومت اين نوع كاغذها، معمولاً لازم است مقداري خمير شيميائي الياف بلند به خمير مكانيكي افزوده شود. در گذشته براي كاغذ روزنامه معمولاً 75 درصد خمير گراندوود را با 25 درصد به جاي خمير گراندوود، خمير شيميائي RMP خمير شيميائي مخلوط مي كردند. امروزه با استفاده از كمتري مورد نياز است.

1- خمير مكانيكي 

خميرهاي مكانيكي را غالباً از منابع سوزني برگ به دست مي آورند. الياف كوتاهتر و نازكتر پهن برگان در جريان تبديل مكانيكي به خمير، معمولاً به شدت آسيب مي بينند و خمير حاصل از آن ها ضعيف و شبيه آرد است و در نتيجه كاغذ حاصل نيز بسيار ضعيف است. بعضي از پهن برگ ها مخصوصاً صنوبر، خميری با سفيدی مطلوب توليد مي كنند. به طوری كه با مخلوط كردن اين خمير با خميرهای مكانيكي سوزني برگ با خواص نوری مطلوب به دست مي آيد. امروزه پيشرفت و كاربرد فرآيندهاي خميرسازي شيميائي– گرمائي– مكانيكي، صنعت را قادر ساخته است از بعضي گونه هاي پهن برگ نظير انواع صنوبر و اوكاليپتوس، براي توليد الياف كوتاه اما قوی و مناسب برای مخلوط كردن با ساير خمير های كاغذ سازی استفاده كند.

2- خمير سازی شيميایی

هدف در فرآيندهاD توليد شيميائي، تجزيه و حل ليگنين و خارج ساختن آن است به طوري كه آنچه كه بر جاD مي ماند، سلولز و همي سلولز ها به صورت الياف سالم و نسبتاً تغيير نيافته است. در عمل با روش هاي توليد خمير به طريق شيميائي مي توانند قسمت عمده ليگنين را خارج كنند. اين روشها مقداري همي سلولز و سلولز را نيز تجزيه مي كنند و در نتيجه، در مقايسه با فرآيندهاي مكانيكي بازده خمير شيميائي كمتر مي باشد.

در فرآيندهاي شيميائي خرده چوب ها ( چيپس ) در دما و فشار بالا با مواد شيميائي مناسب در محلول آبي پخته مي شوند. دو فرآيند مهم از اين نوع عبارتند از كرافت (قليائي) و فرآيند سولفيت (اسيدي) فرآيند كرافت به دليل داشتن مزيت امكان بازيابي مواد شيميائي و خواص مقاومتي مطلوب خمير، موقعيت برتر را به دست آورده است. فرآيند سولفيت كه تا سال 1940 رايج تر بود، مجدداً مورد توجه قرار گرفته است و ممكن است گسترش بيشتري پيدا كند.

3- روش های شيميایی و نيمه شيميایی مهم:

الف) فرآيند كرافت

در فرآيند كرافت خرده چوب ها (چيپس) در محلولي از هيدروكسيد سديم (NAOH) و سولفيد سديم (NA2S) پخته مي شود. قليا سبب تخريب مولكول ليگنين و تبديل آن به مولكول های كوچكتر میشود كه به صورت نمك سديم در مايع پخت حل مي شوند. از خمير كرافت كاغذ محكمي توليد میشود ( KRAFT در زبان آلماني به معنای محكم)، اما خمير رنگبری نشده بسيار تيره رنگ (قهوه ای) است . گازهای حاصل از عمليات پخت كرافت عمدتاً سولفيدهای آلي و بسيار بدبو هستند و اين خود يك مسئله زيست محيطي مهم پيش مي آورد.

فرآيند كرافت حدود 100 سال پيش با تغييري چند در فرآيند سودا ( كه در آن فقط از هيدروكسيد سديم به عنوان ماده شيميائي فعال استفاده مي شود)، توسط كارل اس دال با اضافه كردن سولفات سديم به مايع پخت به وجود آمد. تبديل سولفات سديم به سولفيد سديم در جريان پخت، تغييري ناگهاني در سينتيك واكنش ها و در خواص خمير حاصل از پخت سوزني برگان به وجود آورد، در واقع استفاده از سولفات سديم در بازيابي و بازسازي مايع پخت كرافت، سبب گرديده است. كه گاهي اين فرآيند را فرآيند سولفات بنامند. وجود سولفيد سديم در مايع پخت، تاثير چنداني بر توليد خمير از پهن برگان ندارد و خمير پهن برگان هنوز هم عمدتاً به روش سودا تهيه مي شود. انواع خمير كرافت با نام های مختلف تهيه مي شود ، خمير رنگبري نشده، بر اثر پخت كوتاهتر با بازده بيشتر توليدمي شود ( ليگنين آن بيشتر است ) و براي توليد كاغذ بسته بندي و مقوا مناسب است . خمير رنگبری شده ليگنين كمتري دارد و براي توليد كاغذ سفيد مناسب است.

ب) فرآيند سولفيت

براي تخريب و انحلال پذير كردن ليگنين، از مخلوطي از اسيد سولفورو  در فرآيند سولفيت استفاده مي شود. در اين روش مكانيزم تاثير شيميائي به ( HSO3) و يون بي سولفيت (H2SO3) گونه ای است كه ليگنين با ساختار مولكولي نسبتاً تغيير يافته، به صورت نمك های اسيد ليگنوسولفونيك خارج مي شود. تون مثبت همراه با يون بي سولفيت مي تواند يون كليسم، منيزيم، سديم و يا آمونيوم باشد. فرآيند سولفيت را مي توان در گستره وسيعي از PH انجام داد.  "سولفيت اسيدی" فرآيند سولفيتي است كه در مجاورت مقدار اضافی اسيد سولفوروی آزاد (PH 1 تا 2 ) انجام شود. در حالي كه پخت  بی سولفيت در شرایطی با قدرت اسيدی كمتر ( 3 تا 5 ) ،  عملي مي شود.

در مقايسه با خمير كرافت، خمير سولفيت رنگ روشنتري دارد و به آساني سفيد مي شود، اما خواص مقاومتي كاغذ حاصل كمتر از كاغذ كرافت است. فرآيند سولفيت در مورد چوب سوزني برگانی از قبيل نوئل، نراد، تسوكا و پهن برگاني از قبيل صنوبر و اوكاليپتوس به خوبي عمل مي كند، اما سوزني برگان پر رزين و پهن برگان تانن دار براي اين فرآيند مناسب نيستند. اين حساسيت به نوع چوب همراه با مقاومت كمتر كاغذ حاصل و دشواری بازاريابي مواد شيميائي، دلايل اصلي سير نزولي تدريجي كاربرد فرآيند سولفيت در مقايسه با فرآيند كرافت است. تمايل موجود نسبت به تبديل تمامی درخت به خرده چوب، موقعيت فرآيند سولفيت را متزلزل تر مي كند، چون اين فرآيند نسبت به همراه بودن پوست با خرده چوب ها حساس است. بسته به نوع مصرف مورد نظر، انواع خميرهاي سولفيت توليد مي شوند. نوع پر بازده، معمولاً با پخت خرده چوب در مايعي با اسيد سولفوروي آزاد كمتر يعني با يون بي سولفيت به عنوان جزء شيميائي فعال برتر تهيه مي شود .

ج) خمير سازی به طريق نيمه شيميایی 

در خمير سازی به طريق نيمه شيميائي، دو روش شيميائي و مكانيكي با يكديگر تلفيق مي شوند. ضایعات چوب ها ( يا قطعه چوب ها ) تحت تاثير مواد شيميائي تا حدودی نرم مي شوند و بقيه عمليات با روش های مكانيكي و غالباً در پالاينده هاي ديسكي ادامه مي يابد. بازده خمير در روش هاي نيمه شيميائي شامل گستره كامل مقادير بازده از شيميائي خالص تا مكانيكي خالص است، يعني 55 % تا %85 نسبت به چوب خشك مي باشد. انواع خمير حاصل، كاربردهاي مشخصي دارند و از بعضي خواص مخصوص به خود برخوردارند. به عنوان يك مثال مهم خمير هايي با بازده حدود 75 % سفتي خاصي دارند كه آنها را براي لايه مياني و كنگره اي مقوا مناسب مي سازد. به بيان دقيق ، هر فرآيند خمير سازي مكانيكي كه با يك تيمار شيميائي ضایعات چوب ها بيش از پالايش يا در ضمن پالايش همراه باشد يك فرآيند نيمه شيميائي است. در عمل اگر تيمار شيميائي ملايم و مختصر باشد، خمير كاغذ را خمير مكانيكي تلقي مي كنيم. قاعده كلي اين است كه خميرهایی با بازده %85 يا بيشتر، خمير كاغذهاي مكانيكي به شمار مي آيند. بر اساس اين طبقه بندی نسبتاً قراردادی، بعضي از فرآيندهاي مكانيكي نوين خميرسازي، در عمل، بين فرآيندهاي مكانيكي و نيمه شيميائي قرار مي گيرند. به عنوان مثال خميرهاي شيميائي– مكانيكي و خمير هاي سولفيت پر بازده از نظر بازده در گستره 80 % تا 92 % قرار مي گيرند.

مهمترين روش های شيميائي – مكانيكي ،فرآيندهاي كرافت پر بازده و سولفيت پربازده است. در هر دو مورد پخت تا سطح ليگنين زدائي جزئي و محدود انجام مي پذيرد و ليفي كردن خرده چوب كمي پخته شده به طور مكانيكي انجام مي شود. ميزان پيشرفت پخت و بازده را كنترل مي كند و افزايش بازده، به معناي نياز به انرژي بيشتر در مرحله ليفي كردن است.
فرآيند سولفيت خنثي كه عمدتاً در مورد پهن برگان به كار مي رود، مهمترين فرآيند نيمه شيميائي ناميده مي شود، از مايع پخت NSSC مورد استفاده در دنياست. در اين فرآيند،كه به كوتاهي سولفيت سديم استفاده مي شود كه براي خنثي كردن اسيدهاي آلي آزاد شده از چوب در ضمن پخت با كربنات سديم بافر شده است.

براي حذف گوگرد از فرآيند، برخي از پخت های نيمه شيميایی با استفاده از كربنات سديم و هيدروكسيد سديم انجام مي شود . برخي از كارخانه ها به ويژه آنهايي كه به يك كارخانه كرافت نزديك اند از « مايع سبز » ( كربنات سديم + سولفيد سديم ) آن كارخانه استفاده مي كنند. مايعات مصرف شده در عمليات خمير سازی نيمه شيميایی را نمي توان مستقيماً در نهرها و رودخانهها ريخت ،چون در اين مايعات مواد شيميائي زيادي به هدر مي رود و آلودگي شديدي نيز در آب ها ايجاد مي شود . بازيابي مواد از مايع مصرف شده در اين فرآيندها را مي توان به آساني با سيستم بازيابي يك كارخانه كرافت يا سولفيت انجام داد. هنگامي كه اين گونه بازياب ها ميسر نيست ،سوزاندن روی بستر روان روش متداولي برای سوزاندن مواد آلي و بازيابي مواد معدني است.