tổng quan về công nghệ sản xuất bột giấy và giấy

trinh bày về tổng quan về công nghệ sản xuất bột giấy và giấy

2.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT GIẤY VÀ GIẤY

2.1.1 NGUYÊN LIỆU

Sợi cellulose là nguyên liệu thô chính cho công nghệ sản xuất giấy và bột giấy Các tế bào thực vật, đặc biệt là tế bào gỗ, chứa rất nhiều sợi cellulose Trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy, sợi cellulose chủ yếu được cung cấp từ các nguồn sau :

 Các loại gỗ : Bạch đàn, bồ đề, mỡ, keo,…

 Các thực vật ngoài gỗ : Tre nứa, bã mía, rơm rạ,…

 Các vật liệu tái sinh : Vải vụn, giấy vụn, giấy đã sử dụng,…

Trong đó, gỗ là nguồn cung cấp sợi quan trọng nhất Thành phần hóa học cơ bản của gỗ bao gồm:

 Cellulose

Cellulose là một carbohydrate, thành phần phân tử bao gồm các nguyên tố carbon, hydrogen và oxygen Phân tử cellulose do nhiều phân tử đường glucose tạo thành nên còn được gọi là polysaccharide

Công thức hóa học của cellulose là (C6H10O5)n, trong đó n thay đổi tùy theo loại gỗ Thông thường các sợi cellulose dùng trong sản xuất giấy có giá trị n nằm trong khoảng 600 – 1500

Cellulose rất dễ thủy phân thành đường glucose (C6H10O5) trong môi trường axit Tính chất của các vật liệu bằng cellulose phụ thuộc nhiều vào khối lượng phân tử của nó Khối lượng phân tử càng thấp thì độ bền của sợi cellulose càng giảm

 Hemicellulose

Các chuỗi cellulose dạng dài được gọi là alpha cellulose Các chuỗi cellulose ngắn hơn thường được gọi chung là hemicellulose Thông thường, người ta chia hemicellulose thành 02 loại :

 Beta cellulose (giá trị n nằm trong khoảng 15 – 90)

 Gamma cellulose (giá trị n nhỏ hơn 15)

Trái với cellulose – là polymer của một đường đơn duy nhất (glucose), hemicellulose là các polymer của 05 loại đường khác nhau :

 Hexose : Glucose, mannose, galactose

 Pentose : Xylose, arabinose

Một số hemicellulose liên kết với các cellulose, số còn lại chủ yếu là liên kết với lignin Trong quá trình sản xuất bột giấy từ gỗ bằng phương pháp hóa học, số lượng, vị trí và cấu trúc của hemicellulose thường thay đổi đáng kể Thông thường, hemicellulose dễ bị phân hủy và

 Lignin

Thuật ngữ holocellulose dùng để chỉ tổng lượng carbohydrate có trong sợi gỗ (cellulose và hemicellulose) Ngoài holocellulose, trong gỗ còn chứa một chất cao phân tử, không có hình dạng xác định gọi là lignin Lignin đóng vai trò là cầu nối các sợi với nhau

Về cấu tạo hóa học, lignin là một polymer thơm bao gồm các đơn vị phenyl propane liên kết với nhau trong không gian 03 chiều

 Extractive

Ngoài holocellulose và lignin, trong các sợi gỗ còn có chứa một số chất khác như acid béo, nhựa cây, phenol, rượu, protein,…Hầu hết các chất này tan trong nước và được gọi chung là extractive

Sau đây là sơ đồ tóm tắt thành phần hóa học cơ bản của gỗ :

Hình 2.1 : Sơ đồ tóm tắt thành phần hóa học của gỗ

2.1.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT GIẤY VÀ GIẤY

2.1.2.1 Công nghệ sản xuất bột giấy

a Nghiền bột từ sợi tái chế

GỖ

CARBOHYDRATE

Glucose Mannose Galactose Xylose Arabinose Glucose

Trong nhiều năm qua, việc sử dụng sợi tái chế để sản xuất bột giấy và xeo giấy đã trở nên phổ biến Việc sử dụng loại vật liệu này trong thời gian gần đây đã tăng lên đáng kể Các phát triển công nghệ hiện đại tập trung chủ yếu vào việc nâng cấp chất lượng bột giấy từ các vật liệu tái chế và chính do thành công trong lĩnh vực này đã dẫn đến việc sử dụng rất rộng rãi loại bột giấy từ sợi tái chế

Bột giấy để sản xuất các vật liệu làm hộp và giấy gói có thể làm từ bất kì loại sợi thứ cấp nào mà không cần phân loại nhiều Giấy thải được thu gom rời và đôi khi được bó thành kiện để dễ dàng vận chuyển Giấy thải được lưu kho, thành đống Máy nghiền bột cơ học được sử dụng để nghiền giấy, trộn nước và chuyển hóa thành một hỗn hợp đồng nhất, có thể bơm như nước Các chất nhiễm bẩn nặng như cát, sỏi,… được thải bỏ khi chảy lơ lửng trong hệ thống máng Tại đây các chất nặng sẽ lắng xuống và lấy ra khỏi hệ thống theo định kì Sợi được phân loại riêng dưới dạng huyền phù nhẹ, sau đó được chảy qua một loạt các sàng lọc có lớp tấm đục lỗ Ở đây các chất nhiễm bẩn nhẹ hơn, nhưng lớn hơn sợi sẽ bị loại ra Trong một số qui trình công nghệ cần phải có sản phẩm thật sạch, thì phải có một loạt các cyclon làm sạch đặt sau các sàng lọc Ở công đoạn này, người ta phải sử dụng một máy lọc tinh cơ học hoặc khử mảnh vụn nhằm đảm bảo sao cho các sợi tách rời nhau và có thể tạo ra đủ độ bền liên kết giữa các sợi trong giấy Cách sản xuất này rất phù hợp trong việc sản xuất các loại bao gói

b.Nghiền bột cơ học

Trong nghiền bột cơ học, các sợi chủ yếu bị tách rời nhau do lực cơ học trong máy nghiền hoặc trong thiết bị tinh chế Qui trình công nghệ nguyên thủy là gia công gỗ tròn bằng đá – gỗ được ép bằng đá nghiền quay tròn Công nghệ này làm ra loại bột giấy có độ dai tương đối thấp

Ở các máy tinh chế TMP (Thermal Mechanical Pulping) và các máy nghiền áp lực cách xử lý cơ học được tiến hành ở áp lực và nhiệt độ cao, do vậy bột giấy có các thuộc tính độ dai tốt hơn bột giấy cơ học truyền thống Thực hiện qui trình công nghệ này ở các máy tinh chế có độ linh hoạt cao hơn trong việc lựa chọn nguyên liệu, vì sau đó có thể tận dụng vụn gỗ, cũng như các nguyên liệu sợi ngoài gỗ

Trong nghiền bột CTMP (Chemical Thermal Mechanical Pulping) chất làm nguyên liệu sợi được ngâm tẩm với các hóa chất trước khi tinh chế Và do vậy có thể làm tăng độ dai và độ sáng của bột giấy

Có thể tẩy các loại bột giấy cơ học bằng máy tinh chế hoặc bằng hệ thống tẩy riêng, hydrogen dioxide là hóa chất được sử dụng phổ biến nhất Trước công đoạn tẩy, bột giấy được xử lý để loại bỏ các kim loại nặng, chúng là xúc tác cho các phản ứng phân hủy tác nhân tẩy

c Nghiền bột hóa học và bán hóa học

Trong nghiền bột hóa học và bán hóa học, nguyên liệu sợi được xử lý với hóa chất ở

thành phần chính của chất lignin liên kết các sợi trong nguyên liệu với nhau, đồng thời lại gây ra sự phá hủy càng ít càng tốt đối với thành phần cellulose (tăng độ dai của sợi) Cách xử lý này được tiến hành trong nồi áp suất (nồi nấu), có thể vận hành theo chế độ liên tục hoặc theo từng mẻ

Có hai loại công nghệ nghiền bột hóa học chính : các quy trình kiềm hóa (quy trình sulphate, quy trình xút) và quy trình sulphite

 Trong quy trình sulphate, dịch nấu có độ kiềm cao và các thành phần hoạt tính là các ion hydroxyl, sulphite và hydrogen sulphite Các thành phần hoạt tính quá trình nghiền bột giấy bằng xút là hydroxyl và carbonate Nghiền bột giấy sulphate tạo ra loại bột giấy dai nhất trong khi nghiền bột giấy xút thích hợp hơn với các nguyên liệu chứa lignin thấp như các loại cây một năm, tre nứa,…

 Các chất hoạt tính trong quy trình sulphite là sulphur dioxide tự do, sulphite hoặc ion hydrogen sulphite Bột giấy sulphite có độ sáng không tẩy cao nhất nên thường chỉ cần ít hóa chất để tẩy hơn so với bột giấy sulphate và bột giấy xút

2.1.2.2 Tẩy bột

Mục đích của tẩy bột giấy hóa học là làm sáng màu lignin tồn dư trong bột giấy sau khi nấu Để khử được lignin người ta dùng chlorine, hypochlorite, chlorine dioxide, oxygen hoặc ozone và đặc biệt là peroxide Một cách truyền thống, có thể nói rằng quy trình tẩy trắng bao gồm 03 giai đoạn chính :

 Giai đoạn clo hóa, oxy hóa trong môi trường axit để phân hủy phần lớn lignin còn sót lại trong bột

 Giai đoạn thủy phân kiềm sản phẩm lignin hòa tan trong kiềm nóng được tách ra khỏi bột

 Giai đoạn tẩy oxy hóa để thay đổi cấu trúc các nhóm mang màu còn sót lại

2.1.2.3 Nghiền bột, phối chế và xeo giấy

Bột giấy được nghiền để có độ thủy hóa và chuỗi hóa đạt yêu cầu, được cho thêm chất độn và phụ gia (chất phủ trám,…) rồi đưa lên máy xeo để định hình tờ giấy Cuối cùng là ép vắt nước, sấy khô và cắt cuộn

Nước thải ra dưới dàn lưới xeo gọi là nước trắng, chứa nhiều hạt mịn Nước thải công đoạn này đôi khi có thể chiếm tới 90% lưu lượng tổng cộng của nhà máy nhưng tương đối sạch nồng độ chất nhiễm bẩn không cao, BOD trung bình, độ màu thấp, pH gần trung tính, không chứa lignin, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao, chủ yếu là do bột giấy và chất độn thất thoát Lượng chất rắn này có thể dễ dàng thu hồi bằng các phương pháp lắng

Hình 2.2 : Các dòng nước thải chính của nhà máy sản xuất bột giấy và giấy

Cây

Bóc vỏ ướt

Gỗ

Tạo bột bằng phương pháp cơ học

Tạo bột bằng phương pháp cơ học

Hoặc

Tạo bột bằng phương pháp hóa học

Tạo bột bằng phương pháp hóa học Bột giấy

Tẩy trắng

Bột đã được tẩy trắng

Tạo hình giấy

Giấy thành phẩm

Nước thải bóc

Nước thải bột giấy cơ học

Dịch đen

Nước thải rửa bột ,xeo

2.2 HIỆN TRẠNG NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT BỘT GIẤY

Ở Việt Nam công nghiệp giấy còn rất nhỏ bé Năng lực sản xuất bột giấy đạt khoảng

150 – 170 ngàn tấn/năm, năng suất thiết kế của các cơ sơ sản xuất giấy vào khoảng 250 ngàn tấn/năm Gần đây sản lượng giấy trong nước đạt khoảng 200 – 250 ngàn tấn/năm, trong đó bột giấy khoảng 120 – 150 ngàn tấn Lượng bột giấy thiếu hụt được bù đắp bằng việc xử lý giấy cũ và bột nhập khẩu

Về sản phẩm, ngành đã sản xuất được các loại giấy chủ yếu là : giấy in báo, giấy in, giấy viết, giấy vệ sinh – sinh hoạt, giấy bao bì, giấy vàng mã nội địa và xuất khẩu Chất lượng giấy nói chung chỉ đạt mức trung bình hoặc dưới trung bình so với khu vực và trên thế giới Những loại giấy khác (giấy bao bì chất lượng cao, giấy kỹ thuật như : các loại giấy lọc, giấy cách điện, …) được nhập khẩu Trung bình những năm qua, nước ta nhập khoảng trên dưới 100 ngàn tấn giấy các loại mỗi năm Tính về số giấy sản xuất trong nước thì Việt Nam mỗi năm tiêu thụ gần 300 ngàn, tính theo đầu người đạt xấp xỉ 4 kg/năm Đây là chỉ số rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ phát triển văn hóa Theo chỉ số này Việt Nam đứng cuối cùng trong khu vực và thuộc loại thấp nhất thế giới Các nước phát triển có mức sử dụng giấy tính theo đầu người là 200 – 300 kg /năm, các nước Đông Nam Á cũng đạt 30 – 100 kg/năm

Đặc điểm nổi bật của ngành giấy Việt Nam là rất phân tán Với tổng sản lượng (trên 200 ngàn tấn/năm) tương đương một xí nghiệp trung bình ở các nước phát triển, ngành giấy Việt Nam có tới hơn 100 cơ sở sản xuất Qui mô vô cùng đa dạng và phân bố khắp ba miền Bắc, Trung, Nam Ngoài ba cơ sở Bãi Bằng, Tân Mai, Đồng Nai có qui mô sản xuất trên 10 ngàn tấn / năm đến 50 ngàn tấn / năm, các cơ sở còn lại có qui mô rất nhỏ, từ vài trăm tấn đến 5000 – 7000 tấn/năm

Về nguyên liệu, ngành sản xuất giấy Việt Nam sử dụng hai loại nguyên liệu chủ yếu là tre nứa và gỗ lá rộng mọc nhanh (bồ đề, mỡ, keo, bạch đàn, khuynh diệp,…) Một vài cơ sở sử dụng bả mía nhưng không đáng kể Để sản xuất khoảng 130 – 150 ngàn tấn bột giấy một năm như hiện nay, ngành giấy sử dụng khoảng 700 ngàn tấn nguyên liệu qui chuẩn (độ ẩm 50%) Nếu tính sinh khối rừng nguyên liệu tăng trưởng mỗi năm khoảng 12 – 15 tấn và sản lượng rừng nguyên liệu giấy đến kỳ khai thác của Việt Nam dưới 100 tấn/ha, thì diện tích rừng bị khai thác cho ngành giấy không phải nhỏ Lượng giấy cũ sử dụng để tái sinh trong sản xuất ở nước ta còn thấp, tuy chưa có thống kê chính xác nhưng được đánh giá khoảng 10 – 15% so với tổng lượng bột giấy sử dụng Đó là con số quá khiêm tốn vì ở nhiều nước trên thế giới chỉ số này đạt trên dưới 50% Nhiều vùng trong khu vực (Hàn Quốc, Đài Loan) nhập khẩu rất nhiều giấy cũ để chế biến và tái sử dụng rất có hiệu quả vì vừa không phải khai thác rừng tự nhiên, lại vừa không phải tổ chức sản xuất bột giấy vừa tốn kém, vừa ô nhiễm môi trường

Về công nghệ, ngành giấy Việt Nam còn lạc hậu và ở trình độ rất thấp Sản xuất bột giấy là khâu có ảnh hưởng mạnh nhất tới môi trường Bột giấy ở nước ta được sản xuất chủ yếu ở Bãi

Bằng bằng phương pháp nấu kiềm Công ty giấy Bãi Bằng có sản lượng bột giấy chiếm 20 – 30% sản lượng bột giấy toàn ngành Bột giấy ở đây được nấu từ gỗ bồ đề, mỡ, bạch đàn, keo, … (khoảng 50%) và tre nứa (khoảng 50%), theo phương pháp sulphate (dịch nấu là hỗn hợp các dung dịch NaOH và Na2S) Dịch đen sau nấu được thu hồi, cô đặc và đốt Khoảng 55% sinh khối nguyên liệu hòa tan vào dịch đen biến thành CO2 khi đốt Hóa chất nấu được bổ sung ở dạng sulphate natri (nên gọi là phương pháp sulphate) và được thu hồi để dùng lại Bởi vậy, ô nhiễm sinh ra ở khu này chủ yếu là khí có mùi, chất hữu cơ, hóa chất kiềm tính rò rỉ và khói lò đốt thu hồi

Tổng lượng Clo dùng cho tẩy trắng khoảng 100 kg (Cl2 hoạt tính) cho một tấn bột Lượng xút là khoảng 30 kg/tấn bột Nếu tính mỗi ngày ở đây người ta sản xuất khoảng 150 tấn bột giấy tẩy trắng thì riêng ở khâu tẩy người ta đã sử dụng và thải ra khoảng 15 tấn Clo và các hợp chất của nó, 40 – 50 tấn xút Thêm vào đó là khoảng 15 tấn hợp chất hữu cơ bị hòa tan trong quá trình tẩy trắng và đi ra theo nước thải Như vậy, có thể thấy được mức độ tác động tới môi trường ở công đoạn này là rất đáng kể

Công đoạn sản xuất giấy bao gồm nghiền bột, pha chế với các chất phụ gia, xeo giấy và hoàn thiện sản phẩm Tải trọng môi trường ở giai đoạn này không lớn vì nước sản xuất được quay vòng sử dụng theo chu trình khép kín, nước thải chỉ đem theo một lượng nhỏ hóa chất không độc hại, có pH thường là 5,5 – 6,0 và một tỷ lệ rất nhỏ sơ sợi vụn, ngắn thoát qua lưới xeo Việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong sử dụng quay vòng nước trắng (nước trong chu trình) như sử dụng chất tuyển nổi thu hồi xơ sợi và chất phụ gia, tận thu xơ sợi trên tuyến nước thải như ở công ty giấy Bãi Bằng đã làm giảm đáng kể tình trạng ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên, điều đáng nói là ngoài công ty giấy Bãi Bằng có thiết kế công nghệ và trang thiết bị khá hoàn chỉnh, nhiều xí nghiệp giấy khác sản xuất theo phương pháp công nghệ rất

“không môi trường” Đó là công nghệ nấu bột giấy từ những loại nguyên liệu khác nhau bằng dung dịch xút (NaOH) ở nhiệt độ cao (130 – 1700C), không có thu hồi hóa chất Toàn bộ dịch đen sau nấu (hỗn hợp của các hóa chất và các thành phần nguyên liệu đã hòa tan) được thải ra môi trường Các xí nghiệp sản xuất giấy theo công nghệ như vậy có nước thải với hàm lượng BOD và COD rất cao, vượt xa tiêu chuẩn cho phép Có thể nêu ở đây các cơ sở sản xuất có qui mô không nhỏ lắm như Công ty giấy Đồng Nai, nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ (Thái Nguyên), nhà máy giấy Việt Trì, nhà máy giấy Lửa Việt (Phú Thọ), nhà máy giấy Lam Sơn, Mục Sơn (Thanh Hóa)

Một số nhà máy giấy gần đây tổ chức sản xuất giấy vàng mã xuất khẩu, trong đó đáng kể là công ty giấy Hải Phòng và công ty giấy Vĩnh Huê (thành phố Hồ Chí Minh) Các cơ sở này sử dụng tre nứa ngâm với dung dịch xút và dịch ngâm được thải ra môi trường có độ ô nhiễm rất cao vì chứa nhiều xút cũng như các chất hữu cơ hòa tan Nước thải có nồng độ BOD, COD và màu rất cao, đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần

Ở hầu hết các địa phương có các cơ sở sản xuất giấy thì đó chính là các điểm nóng về ô

Thọ, công ty giấy Đồng Nai, công ty giấy Tân Mai (Đồng Nai), công ty giấy Vĩnh Huê, công ty giấy Linh Xuân ở Thủ Đức (thành phố Hồ Chí Minh), các công ty giấy Hải Phòng, Thanh Hóa

Ngoài nguyên nhân công nghệ sản xuất có độ ô nhiễm cao, một nguyên nhân quan trọng là khâu xử lý chất thải còn rất hạn chế Ngoài công ty giấy Bãi Bằng có một vài biện pháp xử lý

sơ bộ, hầu hết các cơ sở không có hệ thống trang thiết bị xử lý chất thải Các chất thải tạo thành trong sản xuất hoàn toàn tự do đi ra môi trường nước và không khí Về phương diện này, lịch sử 35 năm phát triển của ngành giấy Việt Nam đã để lại gánh nặng đáng kể Trong bối cảnh sản xuất kinh doanh khó khăn hiện nay các doanh nghiệp hầu như không có khả năng đầu tư trang thiết bị xử lý chất thải cũng như đổi mới công nghệ để giảm thiểu ô nhiễm Thậm chí có cơ sở sản xuất đã được tài trợ quốc tế xây dựng hệ thống xử lý nước thải (tuy còn xa mới đạt sự hoàn chỉnh) nhưng cũng không đủ khả năng về mặt kinh tế để vận hành hệ thống đó

Cũng may mắn là qui mô sản xuất giấy của nước ta còn nhỏ bé nên vấn đề ô nhiễm môi trường do nó gây ra chưa đến mức nguy hiểm Tuy nhiên, như thế không có nghĩa là các xí nghiệp sản xuất giấy vô can Điều quan trọng là cần có sự đánh giá chính xác và khách quan ảnh hưởng của sản xuất giấy tới môi trường và ngành giấy cũng như các ngành các cấp có liên quan cần tìm ra những giải pháp, bước đi thích hợp, tránh được những hậu quả cũng như sự bùng nổ nào đó về ô nhiễm môi trường khi ngành giấy phát triển

2.3 CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG

Ngành sản xuất bột giấy và giấy được liệt vào ngành sản xuất gây ô nhiễm môi trường đáng kể cả trực tiếp cũng như gián tiếp

 Trực tiếp

- Nước thải có lưu lượng, tải lượng cũng như độc tính của các chất ô nhiễm cao, các chất ô nhiễm hữu cơ (dịch chiết từ thân cây, các axit béo, một số sản phẩm phân hủy của lignin, và các dẫn xuất của ligin đã bị Clo hóa) phát sinh từ ngành giấy là nguồn tiềm tàng gây ô nhiễm môi trường nước mặt, đất và nước ngầm nếu được thải thẳng ra ngoài không qua xử lý Đặc biệt là dịch đen thải ra từ quá trình nghiền bột bằng phương pháp hóa học

- Khí thải từ quá trình đốt nhiên liệu sản xuất hơi nước bão hòa Ngoài ra, trong quá trình nghiền bột giấy hóa học các khí nặng mùi như hydro sulphite, mercaptan, …

- Dioxin xuất phát từ quá trình tẩy trắng bột giấy bằng chlorine

 Gián tiếp

- Góp phần làm cạn kiết nguồn tài nguyên nước

- Góp phần làm cạn kiệt nguồn tài nguyên rừng

- Gây hiệu ứng nhà kính thông qua việc sử dụng năng lượng điện và mất thảm thực vật