Nghiên cứu quá trình thủy phân axít hexenuronic trong bột giấy và ứng dụng của nó trong quá trình tẩy trắng bột giấy sunphát bằng phương pháp ECF

BỘ CÔNG THƯƠNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Nghiên cứu quá trình thủy phân axit hexenuronic trong bột giấy và ứng dụng của nó trong quá trình tẩy trắng bột giấy sunphát bằng phương pháp ECF Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Cao đẳng nghề Công nghệ Giấy và Cơ điện Chủ nhiệm đề tài: ThS. Ngô Tiến Luân Khoa Công nghệ Giấy 8242 Phú Thọ, năm 2010 1 MỤC LỤC Chương Nội dung Trang MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 5 DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG 7 ĐẶT VẤN ĐỀ 8 I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 10 1.1 Khái quát về thành phần hóa học của gỗ 10 1.1.1 Cấu tạo chung của hemicelluloses trong gỗ 11 1.1.2 Cấu trúc của xylan trong gỗ 13 1.2 Sự hình thành và biến đổi axit hexenuronic trong quá trình sản xuất bột giấy 14 1.2.1 Sự hình thành axit hexenuronic trong quá trình nấu bột 14 1.2.2 Sự biến đổi của HexA trong quá trình nấu bột 17 1.2.3 Tách loại HexA trong giai đoạn tách loại lignin bằng oxy và trong quá trình tẩy trắng 18 1.2.4 Thủy phân HexA bằng axit H 2 SO 4 19 1.3 Ảnh hưởng của HexA tới tính chất của bột giấy và giấy 21 1.3.1 Ảnh hưởng của HexA tới trị số Kappa của bột giấy 21 1.3.2 Ảnh hưởng của HexA tới các tính chất khác của bột giấy và giấy 22 1.3.2.1 Ảnh hưởng tới sự hồi màu 22 1.3.2.2 Ảnh hưởng tới độ bền của giấy 23 1.4 Ảnh hưởng của HexA tới quá trình tẩy trắng 23 1.5 Tìm hiểu thực trạng của ngành giấy Việt Nam 25 1.5.1 Phân bố theo vùng địa lý 25 1.5.2 Quy mô, trình độ công nghệ và thiết bị sản xuất 26 1.5.3 Tình hình sản xuất và tiêu dùng bột giấy 26 2 1.5.4 Sức cạnh tranh của ngành giấy Việt Nam 27 1.5.5 Định hướng phát triển ngành công nghiệp giấy Việt Nam 27 1.5.6 Giải pháp bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 28 II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Nguyên vật liệu 30 2.1.1 Bột giấy 30 2.1.2 Hóa chất, vật tư, dụng cụ, thiết bị 31 2.2 Phương pháp tiến hành thực nghiệm 32 2.2.1 Thủy phân axit hexenuronic trong bột giấy 32 2.2.2 Tẩy trắng bột giấy 34 2.2.3 Chuẩn bị mẫu bột giấy cho xác định tính chất cơ lý 35 2.2.4 Phương pháp xác định tính chất bột giấy 35 III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Nghiên cứu quá trình tách loại HexA từ bột giấy sunphát bằng phương pháp thủy phân 36 3.1.1 Ảnh hưởng của mức dùng H 2 SO 4 36 3.1.1.1 Tới mức độ tách loại HexA 36 3.1.1.2 Tới trị số Kappa 37 3.1.1.3 Tới độ trắng 37 3.1.1.4 Tới độ nhớt 38 3.1.1.5 Tới hiệu suất bột 39 3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân 39 3.1.2.1 Tới mức độ tách loại HexA 39 3.1.2.2 Tới trị số Kappa 40 3.1.2.3 Tới độ trắng 41 3.1.2.4 Tới độ nhớt 42 3.1.2.5 Tới hiệu suất bột 42 3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân 43 3.1.3.1 Tới sự tách loại HexA 43 3 3.1.3.2 Tới trị số Kappa 44 3.1.3.3 Tới độ trắng 46 3.1.3.4 Tới độ nhớt 47 3.1.3.5 Tới hiệu suất bột 48 3.2 Ảnh hưởng của HexA trong bột giấy đến quá trình tẩy trắng bột giấy 49 3.2.1 Ảnh hưởng của HexA đến mức dùng hóa chất tẩy trắng 49 3.2.2 Ảnh hưởng của HexA tới tàn hóa chất 50 3.3 Ảnh hưởng của HexA trong bột giấy đến tính chất của bột và giấy sau tẩy trắng 3.3.1 Độ nhớt của bột 53 3.3.2 Tính chất của giấy 54 3.3.2.1 Độ bền kéo 54 3.3.2.2 Độ bền xé 55 3.3.2.3 Độ chịu bục 56 3.4 Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế và môi trường 59 3.4.1 Hiệu quả kinh tế 59 3.4.2 Tác động môi trường 60 IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 68 4 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ Tên Chú thích A Acid stage Giai đoạn axit hóa AOX Absorbable organic halides Hàm lượng halôgen hữu cơ hấp thụ được Bột Kraft Bột nấu theo phương pháp sunphát C Giai đoạn tẩy trắng bằng clo nguyên tố D 0 Tẩy trắng giai đoạn 1 bằng ClO 2 D 1 Tẩy trắng giai đoạn 2 bằng ClO 2 D HT Tẩy ClO 2 ở nhiệt độ cao ECF Element Chlorine Free Tẩy trắng không có clo nguyên tố EOP Giai đoạn trích ly kiềm có bổ sung O 2 và H 2 O 2 EP Extraction with peroxide stage Giai đoạn trích ly kiềm có sử dụng H 2 O 2 H Giai đoạn tẩy trắng bằng Hypoclorit HexA Hexenuronic Acid Axit Hexenuronic ISO International Standardization Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế KG Khô gió KTĐ Khô tuyệt đối PA Purity Analysis Hóa chất phân tích PFI Máy nghiền bột PFI TCF Total Chlorine Free Tẩy trắng hoàn toàn không có clo Trị số Kappa Chỉ tiêu đánh giá hàm lượng lignin còn lại trong bột sau nấu 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ STT Nội dung Trang Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của hemicelluloses trong gỗ mềm 12 Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của glucomannan và xylan gỗ cứng 12 Hình 1.3 Sự tồn tại của hemicelluloses ở giữa lignin và cellulose 13 Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của mạch phần tử xylan 13 Hình 1.5 Cấu trúc của xylan 14 Hình 1.6 Sự hình thành HexA 15 Hình 1.7 Các nhóm chức của HexA trong phần tử xylan 15 Hình 1.8 Sự thay đổi hàm lượng HexA trong quá trình nấu bột 16 Hình 1.9 Sự cắt đứt nhóm HexA ra khỏi mạch xylan 17 Hình 1.10 Cơ chế tách loại HexA ra khỏi mạch xylan 20 Hình 1.11 Hàm lượng HexA trong bột gỗ mềm và bột gỗ cứng 22 Hình 1.12 Ảnh hưởng của HexA tới sự hồi màu của giấy 23 Hình 1.13 Sự tách loại axit HexA sau các quá trình tẩy trắng 24 Hình 1.14 Sản phẩm của phản ứng giữa HexA và chlorine dioxide 25 Hình 3.1 Ảnh hưởng của mức dùng H 2 SO 4 tới hàm lượng HexA của bột sau thủy phân và tẩy trắng 36 Hình 3.2 Ảnh hưởng của mức dùng H 2 SO 4 tới trị số Kappa 37 Hình 3.3 Ảnh hưởng của mức dùng H 2 SO 4 tới độ trắng của bột sau thủy phân 38 Hình 3.4 Ảnh hưởng của mức dùng H 2 SO 4 tới độ nhớt 38 Hình 3.5 Ảnh hưởng của mức dùng H 2 SO 4 tới hiệu suất 39 Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới hàm lượng HexA của bột sau thủy phân và tẩy trắng 40 Hình 3.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới trị số Kappa của bột 41 Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ trắng của bột sau thủy phân 41 Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới độ nhớt của bột sau thủy phân 42 Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân tới hiệu suất 43 Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới HexA trong bột sau 44 6 quá trình thủy phân và tẩy trắng Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới trị số Kappa sau thủy phân 45 Hình 3.13 Sự phân bố HexA Kappa trong trị số Kappa của bột 46 Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới độ trắng của bột 47 Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân tới độ nhớt của bột sau thủy phân 47 Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất 48 Hình 3.17 Ảnh hưởng của HexA trong bột tới độ trắng của bột sau tẩy 50 Hình 3.18 Ảnh hưởng của HexA tới tàn clo ở giai đoạn D 0 51 Hình 3.19 Ảnh hưởng của HexA tới tàn H 2 O 2 51 Hình 3.20 Ảnh hưởng của HexA tới tàn ClO 2 ở giai đoạn D 1 52 Hình 3.21 Ảnh hưởng của HexA tới độ nhớt của bột 53 Hình 3.22 Ảnh hưởng của HexA của bột sau tẩy tới chỉ số kéo 55 Hình 3.23 Ảnh hưởng của HexA của bột sau tẩy tới chỉ số xé 56 Hình 3.24 Ảnh hưởng của HexA của bột sau tẩy tới chỉ số chịu bục 56 7 DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Tên Nội dung Trang Bảng 1.1 Thành phần hóa học của các loài gỗ khác nhau 11 Bảng 1.2 Hàm lượng HexA trong các loại bột gỗ cứng khác nhau 16 Bảng 1.3 Kết quả tẩy trắng mẫu bột có giai đoạn thủy phân bằng axit 20 Bảng 2.1 Tính chất của bột sunphát gỗ cứng chưa tẩy trắng 30 Bảng 2.2 Hoá chất sử dụng cho nghiên cứu 31 Bảng 2.3 Các thiết bị, dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu 31 Bảng 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân 33 Bảng 2.5 Ảnh hưởng của mức dùng hóa chất thủy phân 33 Bảng 2.6 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân 33 Bảng 2.7 Quy trình tẩy trắng bột giấy 34 Bảng 2.8 Các tiêu chuẩn xác định tính chất của bột và giấy 35 Bảng 3.1 Kết quả thủy phân ở điều kiện lựa chọn 49 Bảng 3.2 Tính chất của bột chưa thủy phân và có thuỷ phân so sánh với bột tẩy trắng của Nhà máy Giấy Bãi Bằng - Tổng công ty Giấy Việt Nam 58 Bảng 3.3 Hiệu suất của bột qua các giai đoạn so sánh với bột tẩy tại Nhà máy Giấy Bãi Bằng - Tổng công ty Giấy Việt Nam 59 Bảng 3.4 Tiêu hao hóa chất tẩy trắng 60 8 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, việc nghiên cứu hoàn thiện các quy trình công nghệ nhằm nâng cao tính cạnh tranh và làm cho quá trình sản xuất bột giấy ngày càng thân thiện môi trường hơn luôn là một trong những định hướng được ưu tiên hàng đầu của hóa học và công nghệ sản xuất bột giấy. Trên thế giới, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của sự hình thành axit hexenuronic trong quá trình nấu bột giấy sunphát tới quá trình tẩy trắng được xem là một trong những vấn đề b ức thiết với hàng loạt nghiên cứu đối với các dạng nguyên liệu khác nhau, nhờ đó mà nhiều cải tiến công nghệ quá trình nấu đã được áp dụng nhằm giảm tiêu hao chất tẩy, nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm ảnh hưởng đến môi trường của công đoạn tẩy trắng. Ngoài việc tối ưu hóa quá trình nấu nhằm thu được bột sunphát chưa tẩy trắng có hàm lượng axit hexenuronic thấp nhất, các s ơ đồ tẩy trắng có công đoạn tiền axit hóa được xem là những cải tiến kỹ thuật hiệu quả của quá trình tẩy trắng, đặc biệt là đối với bột sunphát gỗ cứng. Ở nước ta, nhà máy sản xuất bột giấy sunphát tẩy trắng duy nhất là nhà máy giấy Bãi Bằng (Tổng công ty Giấy Việt Nam) vẫn áp dụng công nghệ tẩy trắng truyền thống bằng clo nguyên tố. Mặ c dù từ năm 2003 quy trình tẩy trắng CEHH đã được cải tạo thành C(EOP)H và có thêm công đoạn tách loại lignin bằng ôxy trước tẩy trắng nên tiêu hao hóa chất tẩy đã được giảm một phần, tuy nhiên vẫn ở mức cao vì vậy vẫn bị đánh giá là có mức ảnh hưởng tới môi trường rất lớn. Để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường các dự án sản xu ất bột sunphát tẩy trắng đang được triển khai sẽ áp dụng công nghệ tẩy trắng ECF sử dụng tác nhân tẩy là dioxit clo. Vì vậy việc nghiên cứu cơ chế, quá trình và các giải pháp giảm tiêu hao hóa chất tẩy đối với công nghệ mới này là vấn đề cần được chú ý. Tuy nhiên số lượng các nghiên cứu về HexA còn rất ít, các nghiên cứu này chỉ tập trung vào ảnh hưởng của quá trình nấu bột và chưa có đề tài nào nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện thủy phân tới HexA trong bột sau nấu [1,2]. Để cải tiến các quy trình công nghệ nấu và tẩy trắng bột sunphat nhóm nghiên cứu trường Cao đẳng nghề Công nghệ Giấy và Cơ điện đã đăng ký và tiến hành thực hiện để tài “Nghiên cứu quá trình thủy phân axit hexenuronic trong bột giấy và ứng dụng của nó trong quá trình tẩy trắng bột giấy sunphát bằng phương pháp ECF”. Mục tiêu của đề tài là xác lập mối quan hệ giữa các 9 điều kiện thủy phân axit hexenuronic trong bột sunphát gỗ cứng bằng axit với chất lượng bột sau thủy phân và xác định được được ảnh hưởng của quá trình thuỷ phân axit hexenuronic trong bột giấy đối với chất lượng sản phẩm giấy sau tẩy trắng và tiêu hao hoá chất tẩy trắng. Từ đó lựa chọn quy trình thuỷ phân và quy trình tẩy trắng phù hợp cho bột đạt độ trắng ≥ 82%ISO sử dụng cho sản xuất giấy in, viết, copy. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, tạo tiền đề cho các nghiên cứu cải tiến các quy trình công nghệ nấu và tẩy trắng bột sunphat từ nguồn nguyên liệu trong nước, nâng cao hiệu quả kinh tế, giảm tiêu hao hóa chất, giảm ảnh hưởng môi trường, là tài liệu tham khảo tốt trong lĩnh vực hóa học và công nghệ sản xuất bột giấy. Ngoài ra, v ới sự tham gia tích cực của đông đảo cán bộ giảng dạy và nghiên cứu của Nhà trường (Cơ quan chủ trì đề tài), việc thực hiện thành công đề tài sẽ góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn, năng lực nghiên cứu cho cán bộ và sinh viên, mở rộng hợp tác nghiên cứu khoa học công nghệ với các cơ quan, đơn vị đào tạo và nghiên cứu khác, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển định hướ ng nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ của Nhà trường. Cơ quan chủ trì đề tài và nhóm nghiên cứu xin chân thành cám ơn các cơ quan chức năng của Bộ Công Thương đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc triển khai thực hiện đề tài, chân thành cám ơn Tổng công ty giấy Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Công nghịêp Giấy và Xenluylô và các cơ quan khác đã giúp đỡ và hợp tác góp phần thực hi ện thành công đề tài. [...]... theo quy trình Tiến hành tẩy trắng bột giấy sunphat đã qua thủy phân và chưa qua thủy phân tách loại axit hexenuronic, sau đó so sánh và xác định ảnh hưởng của quá trình thủy phân axit hexenuronic tới quá trình tẩy trắng và tính chất của bột 2.2.1 Phương pháp thuỷ phân axit hexenuronic Mỗi lần tiến hành với 100g bột KTĐ Quá trình thủy phân bột giấy được tiến hành trong túi nilong kín, gia nhiệt trong. .. tẩy trắng bột giấy với các loại bột Kraft ở Chilê [44] Ở Việt Nam chưa có đề tài nghiên cứu nào tìm hiểu ảnh hưởng của các điều kiện thủy phân bột giấy bằng axit tới hàm lượng HexA còn lại trong bột và ảnh hưởng của HexA tới quá trình tẩy trắng bột giấy theo quy trình tẩy trắng ECF và các tính chất của giấy Vì vậy nhóm tác giả thực hiện đề tài sẽ nghiên cứu một cách tổng thể vấn đề này dựa trên bột. .. bột gỗ cứng được sản xuất ở quy mô công nghiệp Đề tài nghiên cứu này thực hiện quá trình thủy phân bột gỗ cứng ở các điều kiện nhiệt độ, mức dùng hóa chất, thời gian khác nhau, sau đó tiến hành tẩy trắng bột giấy bằng quy trình ECF và tiến hành xeo giấy để xác định các tính chất của bột giấy Từ các kết quả nghiên cứu lựa chọn quy trình thuỷ phân và quy trình tẩy trắng phù hợp cho bột đạt độ trắng ≥82%ISO... Tinh bột Việt Nam - Rắn Loại hóa chất Bảng 2.3: Các thiết bị, dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu Tên thiết bị Chức năng Tủ sấy Sấy khô mẫu bột ở nhiệt độ tiêu chuẩn Tủ lạnh Bảo quản bột và hóa chất Thiết bị gia nhiệt cách thủy Gia nhiệt cho quá trình tẩy trắng bột giấy và quá trình thủy phân bột giấy Thiết bị nấu bột thí nghiệm Dùng để thủy phân bột giấy Thiết bị điều chế ClO2 Điều chế hóa chất tẩy trắng. .. lượng HexA trong quá trình nấu bằng cách tăng mức dùng kiềm đồng nghĩa với việc tăng sự phá hủy nhóm carbohydrate, điều này sẽ làm giảm hiệu suất nấu và giảm chất lượng bột sau khi nấu [20] Trong quá trình sản xuất bột giấy và giấy, HexA sẽ phản ứng với một vài hóa chất tẩy trắng và làm giảm sự ổn định độ trắng của bột sau quá trình tẩy trắng, do vậy giảm hàm lượng HexA trong bột sau tẩy trắng càng thấp... tẩy trắng và làm tăng các sản phẩm hòa tan trong dịch sau tẩy Các thành phần không phải lignin tồn tại trong suốt quá trình nấu bột Kraft và ngay cả trong quá trình tách loại lignin bằng oxy Các cấu trúc không phải là lignin này có mặt trong bột gỗ mềm ít hơn so với bột gỗ cứng [41] 23 HexA hầu như không phản ứng với oxygen và peroxide Trong quá trình tẩy trắng bằng chlorine dioxide, liên kết đôi của. .. giấy 1.3.1 Ảnh hưởng của HexA tới trị số Kappa của bột giấy Loại bỏ lignin ra khỏi bột giấy là mục tiêu quan trọng nhất của quá trình nấu bột và quá trình tẩy trắng bột giấy Phương pháp phổ biến nhất để xác định được hàm lượng lignin còn lại trong bột là trị số Kappa Việc xác định trị số Kappa nhằm mục đích kiểm soát được quá trình tách loại lignin và tính toán được lượng hóa chất tẩy trắng cần thiết Mức... nghệ cũ sử dụng clo Mục tiêu phát triển cần phải đạt tới là một dây chuyền tẩy trắng hầu như khép kín hoàn toàn không có dòng thải Công nghệ tẩy trắng bột giấy bằng phương pháp ECF đang được đưa vào dự án bột giấy An Hoà, công nghệ tẩy trắng bột giấy bằng phương pháp TCF đang được dự kiến đầu tư cho dự án mở rộng nhà máy Giấy Bãi Bằng giai đoạn 2 Mục tiêu cần thiết trước tiên và căn bản của sản xuất... màu của giấy [27,29] Sự thủy phân của HexA trong bột giấy được xác định bằng cách quan sát nhóm axit furan carboxylic hòa tan trong dịch sau thủy phân ở thiết bị hồng ngoại Sự thủy phân ở giai đoạn đầu tăng nhanh với sự giảm của pH nhưng sẽ đạt mức cao nhất ở pH bằng 3 hoặc 2 Tốc độ phản ứng tỷ lệ với sự phân hủy nhóm HexA tự do Quá trình thủy phân làm giảm sự linh hoạt của xơ sợi trong huyền phù bột. .. giấy, quá trình sản xuất giấy và đặc biệt là các tính chất của giấy thành phẩm Do vậy, tùy thuộc vào từng chủng loại giấy, tùy thuộc vào quy trình công nghệ sản xuất bột và sản xuất giấy sẵn có, tùy thuộc vào đặc tính của cây thì việc lựa chọn loại nguyên liệu cho phù hợp sản xuất bột giấy và sản xuất giấy là yếu tố rất cần thiết Trong đó, họ gỗ sẽ là lựa chọn tối ưu cho quá trình sản xuất bột giấy và . CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Nghiên cứu quá trình thủy phân axit hexenuronic trong bột giấy và ứng dụng của nó trong quá trình tẩy trắng bột giấy sunphát bằng phương pháp ECF Cơ quan chủ trì. nghệ Giấy và Cơ điện đã đăng ký và tiến hành thực hiện để tài Nghiên cứu quá trình thủy phân axit hexenuronic trong bột giấy và ứng dụng của nó trong quá trình tẩy trắng bột giấy sunphát bằng. của quá trình thuỷ phân axit hexenuronic trong bột giấy đối với chất lượng sản phẩm giấy sau tẩy trắng và tiêu hao hoá chất tẩy trắng. Từ đó lựa chọn quy trình thuỷ phân và quy trình tẩy trắng