Công nghiệp rừng TẠO BỘT GIẤY HIỆU SUẤT CAO TỪ THÂN CÂY NGÔ SỬ DỤNG XÚC TÁC NẤU THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thị Minh Nguyệt TS Trường Đại học Lâm nghiệp TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu quy trình cơng nghệ thân thiện mơi trường tạo bột giấy từ thân Ngô, bao gồm cơng đoạn nấu, nghiền trích ly kiềm Dịch nấu chứa hydropeoxit axit axetic bổ sung TiO2 Bột giấy thu sau xử lý kiềm Kết xác định điều kiện nấu thích hợp 100oC vịng 120 phút, với mức tiêu hao hóa chất 3%H2O2, 3%CH3COOH 1% TiO so với khối lượng ngun liệu khơ tuyệt đối, q trình trích ly kiềm tiến hành 100oC thời gian 60 phút Hiệu suất bột giấy thu đạt 65-66%, có hàm lượng lignin 12-13% Tính chất học bột giấy thu cho thấy loại bột phù hợp làm nguyên liệu sản xuất giấy carton, bao gói Phương pháp tạo bột giấy xem phương pháp hiệu mặt kinh tế môi trường Từ khóa: Bột giấy, dịch nấu, giấy, kiềm, lignin I ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu công nghệ tiết kiệm lượng, thân thiện môi trường từ lâu vấn đề thiết công nghiệp giấy [1] Bên cạnh đó, vấn đề sử dụng hiệu nguồn tài nguyên thiên nhiên, nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp vấn đề cần trọng nước nông nghiệp phát triển Việt Nam Cùng với gỗ, loại nguyên liệu phi gỗ, phế phụ phẩm, phế thải nông nghiệp sử dụng rộng rãi làm nguyên liệu sản xuất bột giấy theo nhiều phương pháp khác [2,3] Trong số công nghệ nghiên cứu gần nguyên liệu gỗ, đáng ý vấn đề sử dụng hydropeoxit làm tác nhân tách loại lignin [4] Tuy nhiên nguyên liệu gỗ, thành phần lignin có cấu tạo phức tạp, nên hiệu tách loại chưa cao [5] Ở nước ta, sản xuất nông nghiệp hàng năm tạo thành hàng triệu phế phụ phẩm, phế thải sau thu hoạch, riêng thân Ngơ đạt vài triệu tấn, chưa có phương thức tận dụng hiệu quả, gây lãng phí khơng vấn đề 78 bảo vệ mơi trường sức khỏe cộng đồng Trong đó, nước ta đáp ứng gần 50% nguyên liệu bột giấy cho sản xuất loại giấy, giấy carton, bao gói loại sản phẩm có nhu cầu ngày tăng với tốc độ phát triển công nghiệp Mục tiêu nghiên cứu thiết lập quy trình cơng nghệ thân thiện môi trường, tạo bột giấy hiệu suất cao từ thân ngơ sử dụng làm ngun liệu sản xuất giấy carton, bao gói, phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam II VẬT LIỆU VÀ THỰC NGHIỆM Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu thân ngơ có thành phần hóa học sau: hàm lượng xenluloza 40,7%; lignin 21,6%; pentozan 21%; độ tro 5,3%; hàm lượng chất tan nước nóng 18,2%; hàm lượng chất tan dung dịch NaOH 1%: 34,6% Quá trình tạo bột giấy tiến hành thiết bị chun dụng Phịng thí nghiệm Bộ mơn CN Xenluloza & Giấy, viện Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, theo sơ đồ cơng nghệ sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 Công nghiệp rừng Thân ngô Làm Nghiền tinh Xử lý dung dịch kiềm Rửa Bột hợp cách Chú thích - Thân Ngơ làm đất cát, bẹ hong phơi khô, tạo dăm theo tiêu chuẩn (chiều dài 1,5 – 2cm, chiều dày 2mm) - Nấu dung dịch hydropeoxit môi trường axit (bổ sung CH3COOH TiO2) nhiệt độ 100 oC với tỉ lệ dịch: 1:14 thời gian nấu 60-120 phút Mức sử dụng hóa chất nấu điều chỉnh tùy thuộc vào mục tiêu thực nghiệm - Rửa bột nghiền thô sử dụng thiết bị rửa nghiền phịng thí nghiệm - Xử lý dung dịch NaOH (trích ly kiềm) 100oC vòng 1-2h với mức dùng NaOH 1-2% so với nguyên liệu khô tuyệt đối (KTĐ) - Nghiền tinh rửa bột: sử dụng thiết bị nghiền tinh có phịng thí nghiệm Các thơng số cơng nghệ thích hợp mức dùng hóa chất, nhiệt độ thời gian xử lý xác định để thiết lập quy trình cơng nghệ phù hợp III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong trình tạo bột giấy, hydropeoxit môi trường axit sử dụng làm tác nhân phân hủy lignin, TiO2 sử dụng làm chất xúc tác q trình tách loại lignin Cơng đoạn xử lý bột giấy NaOH nhằm mục đích trích ly lignin bị phân hủy khỏi bột để nâng cao chất lượng bột giấy Để xác lập chế độ cơng nghệ thích hợp, tác giả tiến hành nghiên cứu xác lập Tạo dăm theo quy cách Nấu Nghiền thơ Rửa giá trị thích hợp thông số công nghệ công đoạn nấu trích ly kiềm Đối với q trình nấu, kết khảo sát ảnh hưởng yếu tố công nghệ, bao gồm hệ tác chất H2O2-CH3COOH-TiO2, nhiệt độ thời gian nấu, tới hiệu suất bột giấy hàm lượng lignin bột cho thấy, trường hợp xử lý nguyên liệu nước nóng (cho hiệu suất bột 77,5% với hàm lượng lignin tương ứng 22,6%) có chất tan nước bị phân hủy hòa tan Ở trạng thái độc lập, tác chất nấu nêu có ảnh hưởng nhỏ tới hiệu suất bột hàm lượng lignin bột Cụ thể, nấu vòng 120 phút với dung dịch tác chất riêng biệt, sau xử lý bột 1% NaOH 60 phút cho hiệu suất bột 74,2-75,8% với hàm lượng lignin bột tương ứng 18,4-20,6% Trong xử lý nguyên liệu dung dịch tác chất nấu kết hợp cho hiệu tách loại lignin rõ rệt Với mục tiêu đạt hiệu suất bột khoảng 65%, kết khảo sát ảnh hưởng lượng hóa chất nấu tới hiệu suất tính chất bột (hình 1,2,3) cho thấy, với thời gian nấu 120 phút mức dùng cố định hai thành phần dung dịch nấu, mức dùng tác nhân thứ ba đạt “ngưỡng” bão hòa, tức tăng mức dùng cao giá trị “ngưỡng”, mức độ tách loại lignin không thay đổi tăng không đáng kể Những giá trị “ngưỡng” xem giá trị thích hợp q trình tạo bột giấy có hiệu suất theo mục tiêu ban đầu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 79 Công nghiệp rừng % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 Lượng H2O2 ,%so với nguyên liệu KTĐ Hiệu suất bột Lignin bột Hình 01 Ảnh hưởng lượng H2O2 tới hiệu suất tính chất bột giấy (Lượng tác chất: 3%CH3COOH, 1% TiO2) % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.5 1.5 Lượng TiO2,% so với nguyên liệu KTĐ Hiệu suất bột Lignin bột Hình 02 Ảnh hưởng lượng TiO2 tới hiệu suất tính chất bột giấy (Lượng tác chất:3%H2O2, 3% CH3COOH) % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Lượng CH3COOH,% so với nguyên liệu KTĐ Hiệu suất bột Lignin bột Hình 03 Ảnh hưởng lượng CH3 COOH tới hiệu suất tính chất bột giấy (Lượng tác chất: 3%H2O2, 1% TiO2) 80 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 Cơng nghiệp rừng Về phương diện hóa học, môi trường axit, hydropeoxit tạo thành ion HO+ phần tử oxi hóa mạnh, song tính chọn lọc thấp, tức ngồi phân hủy lignin, cịn gây ảnh hưởng đến thành phần khác nguyên liệu, kể xenluloza Q trình oxi hóa phân hủy lignin diễn mạnh nhờ thúc đẩy chất xúc tác So với chất xúc tác khác [6], trường hợp dioxit titan chất xúc tác tương đối hiệu quả, kể phương diện tách loại lignin, hiệu kinh tế Như vậy, sở phân tích ảnh hưởng tác nhân nấu tới hiệu suất tính chất bột giấy, với mục tiêu trì mức tiêu hao H2O2≤3% so với nguyên liệu KTĐ (để đảm bảo hiệu kinh tế sản xuất bột giấy chất lượng thường), xác định chế độ cơng nghệ tạo bột giấy thích hợp sau: - Nấu: lượng tác chất nấu so với nguyên liệu khô tuyệt đối: 3% H2O2, 3% CH3COOH, 1% TiO2 Nhiệt độ xử lý: 100oC, thời gian nấu: 120 phút - Nghiền thơ: tới độ nghiền 20-25oSR; - Trích ly kiềm sau nấu: 1%NaOH, 100 oC, thời gian xử lý: 60 phút - Nghiền tinh: tới độ nghiền ~40oSR; - Rửa bột, vắt nước sấy khơ Với quy trình xử lý nguyên liệu kết hợp nghiền trích ly kiềm bột sau nấu, thu bột giấy hiệu suất khoảng 64-65%, hàm lượng lignin bột 12-13% Đáng ý quy trình cơng nghệ cho phép tách loại tới 60% lượng lignin có nguyên liệu ban đầu Để kiểm tra tính hiệu trình sản xuất bột giấy, nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng thời gian nấu, lượng kiềm sử dụng cho cơng đoạn trích ly kiềm thời gian xử lý Kết nghiên cứu cho thấy, tăng lượng kiềm cơng đoạn trích ly kiềm để thu bột có hàm lượng lignin thấp hơn, song lượng kiềm vượt 1,25% mức độ tách loại lignin tăng không đáng kể (chỉ đạt 11%), hiệu suất bột giảm đáng kể (chỉ cịn ~61%) Như với quy trình nấu lượng dùng 1% NaOH thích hợp Thay đổi thời gian trích ly kiềm cho kết tương đương Tương tự, nấu nhiệt độ thấp (70oC) với thời gian nấu kéo dài (180 phút) trích ly kiềm với lượng kiềm song kéo dài thời gian (120 phút) cho hiệu suất bột tính chất bột tương đương Như vậy, nói để thu sản phẩm mục tiêu, quy trình cơng nghệ nêu cho phép áp dụng điều kiện thực tiễn điều chỉnh Phân tích so sánh tính chất lý học bột giấy hiệu suất cao từ thân ngô với số loại bột giấy khác (bảng 1) cho thấy bột hiệu suất cao từ thân Ngơ có số độ bền học tương đương bột giấy phế liệu hòm hộp carton cũ (OCC) bột giấy từ nguyên liệu thân Ngô sản xuất phương pháp kiềm lạnh truyền thống phổ biến với lượng dùng NaOH 10% so với nguyên liệu KTĐ Với tính chất vậy, loại bột giấy hoàn toàn phù hợp làm ngun liệu sản xuất giấy carton, bao gói cơng nghiệp Bảng 01 Tính chất số loại bột giấy TT Loại bột Độ nghiền, SR Định lượng, (g/m2) 40 Chỉ số độ bền học Chiều dài đứt, m Chỉ số xé, mN.m2 /g Chỉ số bục, kPa.m2/g 77 3980 3,99 1,62 40 80 4670 3,38 1,91 Bột hiệu suất cao từ thân ngô Kiềm lạnh thân ngô Bột OCC 40 87 3670 4,38 1,57 Bột giấy từ tạp chí cũ 60 70 3330 7,40 1,86 Bột bán hóa gỗ dương 36 70 5000 6,50 2,70 Trích nguồn tổng hợp kết nghiên cứu Viện công nghiệp giấy xenluylo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 81 Công nghiệp rừng IV KẾT LUẬN Bài báo xác định quy trình cơng nghệ sản xuất bột giấy hiệu suất cao từ thân Ngô, sử dụng tác nhân thân thiện môi trường, tiết kiệm lượng, số TS, COD, BOD nước thải thấp so với phương pháp kiềm lạnh truyền thống Bột giấy có chất lượng tương đương bột giấy phế liệu OCC, dùng làm nguyên liệu sản xuất giấy carton, bao gói TÀI LIỆU THAM KHẢO United Nations Environmental Programme Regional Office for Asia and the Pacific and Asian Institute Technology (2004) Cleaner Production in the Pulp and Paper Industry Environmental Defense Fund (1996) Non-wood fiber sources/Non wood Plant Fibers as Alternative Fiber Sources for Papermaking White Paper 13 Method for Preparation of Pulp from Cornstalk (2007).US Patent US 7,186,316 B1 R Z Pen, A, et (2004) Fibre Chemistry, Vol.36, No.2, P.116-118 Kuznestsov S.A, et (2003) Journal Chemistry for Sustainable Development, Vol 11, P 141-147 R Z.Pen (2005) Journal Chemistry of Plant raw material, No.3, P.61-73 STUDY ON CORN STALK PULPING WITH USING OF ENVIRONMENTAL FRIENDLY COMPONENTS Nguyen Thi Minh Nguyet SUMMARY This paper presents the research results of environmental friendly pulping process from cornstalks comprising the steps of cooking, refining and alkaline extraction The cooking liquor comprised hydrogen peroxide and acetic acid with the presence of TiO2 The pulp was then subjected to sodium extraction The optimal pulping was determined at 100o C for 120 with chemical doses (w % vs bdmt) of H2O - 3, CH3COOH – 3, and TiO2 – 1, followed by alkaline extraction using NaOH 0.1% at 100o C for 60 Cornstalks pulp yield was 65-66% with lignin content of 12-13% Based on determined mechanical properties this pulp may be used for carton and packaging paper production The “black liquor” from cooking process may be recycled for the next cooks The waste water characteristics from pulping process such as TS, COD, BOD were lower than that from traditional cold alkaline pulping This method of pulping proved to be economical and environmental efficiency Keywords: Alkaline, lignin, liquor, paper, pulp Người phản biện Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng : : : : PGS.TS Cao Quốc An 29/3/2015 04/5/2015 09/6/2015 , 82 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015