Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của bột xenlulozơ từ rơm rạ cho sản xuất xenlulozơ tan

Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan trình thực Luận văn, thực nghiệm đƣợc tiến hành cách nghiêm túc, tất số liệu thực nghiệm thu đƣợc hoàn toàn trung thực, chép từ tài liệu khoa học Tác giả Nguyễn Đức Hạnh Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Quang Diễn, ngƣời bảo, hƣớng dẫn tận tình tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành tốt Luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn ủng hộ, giúp đỡ mặt Thầy, Cô giáo, cán Viện Kỹ thuật Hoá học, Viện Đào tạo sau đại học, Phòng ban chức Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin cám ơn giúp đỡ Ban Giám hiệu, Khoa công nghệ sản xuất bột giấy giấy, Trƣờng Cao đẳng nghề Công nghệ giấy Cơ điện, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập Xin cảm ơn gia đình bạn bè chia sẻ khó khăn tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành chƣơng trình học tập Hà Nội, tháng năm2015 Nguyễn Đức Hạnh Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát công nghệ tẩy trắng bột xenlulozơ [3] 1.1.1 Các quy luật trình tẩy trắng 1.1.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến trình tẩy trắng chất lƣợng bột 1.1.3 Các giai đoạn trình tẩy trắng 10 1.2 Tẩy trắng dioxit clo 11 1.2 Cơ chế hóa học phƣơng pháp tẩy trắng dioxit clo 12 1.2.2 Các điều kiện thông số kỹ thuật trình tẩy trắng bột dioxit clo 14 1.2.3 Công đoạn kiềm hóa 19 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Vật liệu 24 2.1.1 Bột xenlulozơ 24 2.1.2 Hóa chất 24 2.2 Phƣơng pháp điều chế dioxit clo cho tẩy trắng 24 2.3 Phƣơng pháp tẩy trắng bột xenlulozơ theo sơ đồ Do-EP-D1 25 2.4 Phƣơng làm giàu xenlulozơ cho chế biến hóa học hydroxit natri 25 2.5 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng alpha-xenlulozơ bột chƣa tẩy trắng 26 2.6 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng alpha-xenlulozơ bột tẩy trắng 27 2.7 Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng alpha-xenlulozơ bột tinh chế 27 2.8 Phƣơng pháp xác định độ nhớt bột xenlulozơ 27 2.9 Phƣơng pháp xác định hiệu suất bột 28 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29 3.1 Phân tích tính chất bột xenlulozơ chƣa tẩy trắng từ rơm rạ 29 3.2 Xây dựng phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng xenlulozơ từ rơm rạ 29 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học 3.3 Nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ tẩy trắng xenlulozơ dioxit clo 30 3.3.1 Ảnh hƣởng mức dùng dioxit clo đến tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng30 3.3.2 Ảnh hƣởng thời gian tẩy tới tính chất bột 34 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng 37 3.4 Nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ làm giàu xenlulozơ 40 3.4.1 Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến tính chất bột xenlulozơ 40 3.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính chất bột xenlulozơ 42 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 48 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ECF Elementally chlorine free Công nghệ tẩy trắng bột giấy không sử dụng clo nguyên tố TCF Totally chlorine free Công nghệ tẩy trắng bột giấy không sử dụng clo hợp chất O Oxygen-alkali deligninfication stage Công đoạn tách loại lignin oxi môi trƣờng kiềm (xƣ lý oxikiềm) A Acid stage Công đoạn axit hóa C Chlorination stage Công đoạn tẩy trắng clo nguyên tố (clo hóa) H Hypoclorite stage Công đoạn tẩy trắng natri hypoclorit D Chlorine dioxide stage, Công đoạn tẩy trắng dioxit clo Dh High temperature Chlorine dioxide stage, Công đoạn tẩy trắng dioxit clo nhiệt độ cao DN Chlorine dioxide stage followed by neutralization, Công đoạn tẩy trắng dioxit clo môi trƣờng trung tính E Alkaline extraction stage, Công đoạn trích ly kiềm (EO) Alkaline extraction reinforced with oxygen, Công đoạn trích ly kiềm tăng cƣờng oxi (EOP) Alkaline extraction reinforced with oxygen and hydrogen peroxide, Công đoạn trích ly kiềm tăng cƣờng oxi hydropeoxit (EP) Alkaline extraction reinforced with hydrogen peroxide, Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Công đoạn trích ly kiềm tăng cƣờng hydropeoxit (OP) Pressurised stage using H2O2 with O2 (low peroxide charge), Xử lý oxi-kiềm tăng cƣờng hydropeoxit P Hydrogen peroxide stage, Tẩy trắng H2O2 Q Chelation stage, Xử lý bột giấy chất tạo phức X Xylanase treatment stage, Xử lý bột giấy xylanaza Z Ozone stage, Tẩy trắng ozon (O3) AOX Absorbable organic halides, Hợp chất halogen hữu hấp thụ KTĐ Khô tuyệt đối ISO International Organization for Stadardization Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các ký hiệu quy ƣớc công đoạn tẩy trắng bột giấy Bảng 1.2 Ảnh hƣởng hệ số Kappa (KF) tới số AOX Bảng 1.3 Khối lƣợng clo hoạt tính số chất tẩy Bảng 1.4 Đƣơng lƣợng oxi hóa số chất tẩy Bảng 1.5 Các thông số công nghệ trình tẩy trắng bột giấy dioxit clo 15 Bảng 1.6 Ảnh hƣởng số yếu tố đến độ trắng bột tẩy trắng dioxit clo16 Bảng 3.1.Tính chất bột xenlulozơ sunfat tiền thủy phân chƣa tẩy trắng từ rơm rạ 29 Bảng 3.2 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 31 Bảng 3.3 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 31 Bảng 3.4 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 31 Bảng 3.5 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 32 Bảng 3.6 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 32 Bảng 3.7 Tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng với mức sử dụng dioxit clo 32 Bảng 3.8 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 34 Bảng 3.9 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 35 Bảng 3.10 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 35 Bảng 3.11 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 35 Bảng 3.12 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 10 36 Bảng 3.13 Tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng với thời gian tẩy trắng khác 36 Bảng 3.14 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 11 38 Bảng 3.15 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 12 38 Bảng 3.16 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 13 38 Bảng 3.17 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 14 38 Bảng 3.18 Tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng với nhiệt độ tẩy trắng khác 39 Bảng 3.19 Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến trình tinh chế xenluloza 41 Bảng 3.20 Ảnh hƣởng nhiệt độ tinh chế đến tính chất bột giấy 42 Bảng 3.21 Ảnh hƣởng thời gian tinh chế đến tính chất bột giấy 43 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Độ trắng bột sunfat gỗ cứng sau tẩy theo chu trình D(EO) D(EO)D Hình 1.2 Cơ chế phản ứng ôxi hóa lignin dioxit clo .13 Hình 1.3 Cơ chế phản ứng ôxi hóa cấu trúc không chứa nhóm OH-phenol lignin dƣới tác dụng dioxit clo 14 Hình 1.4 Cơ chế phản ứng tạo thành phân hủy chất chứa clo 14 Hình 1.5 Sơ đồ công đoạn tẩy trắng dioxit clo; 15 Hình 1.6 Sơ đồ tạo thành nhóm “cản” trình tách loại lignin clo 20 Hình 1.7 Các phản ứng kìm hãm hoạt động nhóm “cản” diễn trình kiềm hóa 20 Hình 1.8 Sơ đồ phân hủy hòa tan polisaccarit dƣới tác dụng kiềm 21 Hình 3.1 Ảnh hƣởng mức dùng clo hoạt tính tới độ trắng hiệu suất bột tẩy trắng 33 Hình 3.2 Ảnh hƣởng mức dùng clo hoạt tính tới độ nhớt bột tẩy trắng .34 Hình 3.3 Ảnh hƣởng thời gian xử lý giai đoạn D0 đến độ trắng hiệu suất bột tẩy trắng 37 Hình 3.4 Ảnh hƣởng thời gian tẩy giai đoạn D0 tới độ nhớt bột tẩy trắng 37 Hình 3.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến độ trắng hiệu suất bột tẩy trắng 39 Hình 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới độ nhớt bột tẩy trắng 40 Hình 3.7 Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến tính chất bột xenlulozơ 41 Hình 3.8 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tính chất bột xenlulozơ 43 Hình 3.9 Ảnh hƣởng thời gian tới tính chất bột xenlulozơ 44 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học MỞ ĐẦU Rơm rạ nguồn sinh khối lignoxenlulozơ tiềm nƣớc ta, với diện tích trồng lúa khoảng triệu hecta nƣớc Hàng năm có khoảng 50 triệu rơm rạ nguồn phế thải nông nghiệp, có giá trị nhƣng chƣa đƣợc khai thác, tận dụng hiệu Ở nƣớc ta rơm rạ chủ yếu đƣợc sử dụng làm thức ăn cho gia súc, chất đốt làm phân bón, gây lãng phí ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng Những năm gần đây, với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, rơm rạ ngày thu hút đƣợc nhiều nghiên cứu với mục đích sử dụng làm nguyên liệu cho chế biến sản phầm hữu ích, nhƣ bột giấy, ván nhân tạo, vật liệu cách âm, cách nhiệt, etanol sinh học, …, nhằm khai thác tối đa tiềm năng, tận dụng hiệu nguồn nguyên liệu rơm rạ Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào áp dụng công nghệ đại, chế biến sinh hóa học Một hƣớng có triển vọng nghiên cứu công nghệ thu nhận xenlulozơ tan, chất sở cho sản xuất dạng vật liệu hóa chất khác Nhƣ biết, xenlulozơ từ rơm rạ thu nhận theo phƣơng pháp hóa học phổ biến nhƣ nấu sunfit hay nấu sunfat, nấu sunfat tiền thủy phân kết hợp với tẩy trắng tinh chế (làm giàu) xenlulozơ công nghệ đại sản xuất xenlulozơ tan từ gỗ, đƣợc áp dụng rộng rãi giới Phƣơng pháp nấu sunfat tiền thủy phân đƣợc nghiên cứu áp dụng thành công rơm rạ để thu nhận xenlulozơ [4], nhƣng để sử dụng cho sản xuất xenlulozơ tan, cần phải nghiên cứu nâng cao chất lƣợng xenlulozơ Trƣớc yêu cầu đƣợc hƣớng dẫn TS Lê Quang Diễn tiến hành thực đề tài: “Nghiên cứu cải thiện số tính chất bột xenlulozơ từ rơm rạ cho sản xuất xenlulozơ tan” Mục tiêu đề tài thiết lập đƣợc chế độ công nghệ tẩy trắng làm giàu bột xenlulozơ từ rơm rạ, để sử dụng cho chế tạo xenlulozơ tan Nội dung nghiên cứu bao gồm: Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học - Xác định tính chất bột xenlulozơ chƣa tẩy trắng thu nhận từ rơm rạ theo phƣơng pháp nấu sunfat tiền thủy phân; - Khảo sát ảnh hƣởng yếu tố công nghệ trình tẩy trắng dioxit clo tới tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng; - Nghiên cứu làm giàu xenlulozơ phƣơng pháp xử lý kiềm Kết nghiên cứu đề tài sở cho xây dựng quy trình công nghệ sản xuất xenlulozơ tan từ rơm rạ, tài liệu tham khảo bổ sung cho lĩnh vực hóa học công nghệ sản xuất xenlulozơ từ nguyên liệu phi gỗ Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Bảng 3.9 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ Giai đoạn Hóa chất sử dụng tẩy Mức sử dụng hóa Nhiệt Thời chất (% bột KTĐ) độ gian (oC) (phút) pH D0 ClO2 1,7 70 30 2,5 E NaOH 1,5 70 60 10 P H 2O 1,5 70 60 10 D1 ClO2 0,8 70 60 pH Bảng 3.10 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ Giai đoạn Hóa chất sử dụng tẩy Mức sử dụng hóa Nhiệt Thời chất (% bột KTĐ) độ gian (oC) (phút) D0 ClO2 1,7 70 40 2,5 E NaOH 1,5 70 60 10 P H 2O 1,5 70 60 10 D1 ClO2 0,8 70 60 pH Bảng 3.11 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ Giai đoạn Hóa chất sử dụng tẩy Mức sử dụng hóa Nhiệt Thời chất (% so với độ gian bột KTĐ) (oC) (phút) D0 ClO2 1,7 70 50 2,5 E NaOH 1,5 70 60 10 P H 2O 1,5 70 60 10 D1 ClO2 0,8 70 60 35 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Bảng 3.12 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 10 Giai đoạn Hóa chất sử dụng tẩy Mức sử dụng hóa Nhiệt Thời chất (% bột KTĐ) độ gian (oC) (phút) pH D0 ClO2 1,7 70 60 2,5 E NaOH 1,5 70 60 10 P H2O2 1,5 70 60 10 D1 ClO2 0,8 70 60 Tƣơng tự, bột xenlulozơ sau tẩy đƣợc xác định hiệu suất phân tích tính chất Kết đƣợc trình bày bảng 3.13 Bảng 3.13 Tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng với thời gian tẩy trắng khác TT Chế độ công Thời gian xử lý giai Hiệu suất Độ Độ nhớt nghệ tẩy đoạn D0 (phút) bột (%) trắng (cm3/g) trắng (% ISO) 25 91.4 77 686 30 90.9 80 682 40 90,7 83 680 50 89,1 83.1 669 10 60 88.7 82.5 667 Biểu thị tƣơng quan mức thời gian xử lý tính chất bột qua biểu đồ (hình 3.3 3.4), thấy tiến hành tẩy trắng bột giấy giai đoạn D0 với mức thời gian xử lý khác tác động tới hiệu suất bột tính chất bột khác Khi thời gian xử lý tăng từ 25 đến 40 phút độ trắng bột đƣợc cải thiện rõ rệt tăng từ 77 % ISO lên 83 % ISO Tuy độ nhớt bột có giảm nhẹ nhƣng đạt đƣợc yêu cầu chất lƣợng bột với độ nhớt 680 cm3/g Từ kết ta thấy với thời gian xử lý giai đoạn D1 40 phút cho ta kết tốt 36 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Hình 3.3 Ảnh hƣởng thời gian xử lý giai đoạn D0 đến độ trắng hiệu suất bột tẩy trắng (1-Hiệu suất; 2-Độ trắng) Hình 3.4 Ảnh hƣởng thời gian tẩy giai đoạn D0 tới độ nhớt bột tẩy trắng 3.3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tới tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng Để khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ tới trình tẩy trắng bột xenlulozơ, tiến hành thực loạt thực nghiệm khống chế thông số mức dùng hóa chất và thời gian xử lý thích hợp đƣợc xác lập, nhiệt độ tẩy đƣợc thay đổi theo mức khác Kết đƣợc trình bày bảng 3.14-3.17 37 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Bảng 3.14 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 11 Giai đoạn Hóa chất sử Mức sử dụng hóa Nhiệt độ Thời gian tẩy dụng chất (% bột KTĐ) (oC) (phút) D0 ClO2 1,7 50 40 2,5 EP NaOH, H2O2 1,5 50 60 10 D1 ClO2 0,8 50 60 pH pH Bảng 3.15 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 12 Giai đoạn Hóa chất sử Mức sử dụng hóa Nhiệt độ Thời gian tẩy dụng chất (% bột KTĐ) (oC) (phút) D0 ClO2 1,7 60 40 2,5 EP NaOH, H2O2 1,5 60 60 10 D1 ClO2 0,8 60 60 Bảng 3.16 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 13 Giai đoạn Hóa chất sử Mức sử dụng hóa Nhiệt độ Thời gian tẩy dụng chất (% bột KTĐ) (oC) (phút) D0 ClO2 1,7 70 40 2,5 EP NaOH, H2O2 1,5 70 60 10 D1 ClO2 0,8 70 60 pH pH Bảng 3.17 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 14 Giai đoạn Hóa chất sử Mức sử dụng hóa Nhiệt độ Thời gian tẩy dụng chất (% bột KTĐ) (oC) (phút) D0 ClO2 1,7 80 40 2,5 EP NaOH, H2O2 1,5 80 60 10 D1 ClO2 0,8 80 60 Kết xác định hiệu suất phân tích tính chất bột tẩy trắng đƣợc trình bày bảng 3.18 38 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Bảng 3.18 Tính chất bột xenlulozơ tẩy trắng với nhiệt độ tẩy trắng khác Chế độ công Nhiệt độ xử lý giai Hiệu suất Độ trắng Độ nhớt nghệ tẩy trắng đoạn D0 (phút) bột (%) (% ISO) (cm3/g) 11 50 91.7 82 692 12 60 91 83.6 689 13 70 90,3 82.5 680 14 80 89,1 81.5 671 TT Biểu thị tƣơng quan nhiệt độ xử lý tính chất bột qua biểu đồ (hình 3.5 3.6), thấy nhiệt độ 60oC thích hợp, cho bột có độ trắng 83.6% ISO, hiệu suất bột 91% độ nhớt bột 689 cm3/g Hiệu suất bột (%)/Độ trắng (%ISO) 100 90 80 70 50 60 70 80 Nhiệt độ tẩy trắng (OC) Hình 3.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến độ trắng hiệu suất bột tẩy trắng (1-Hiệu suất; 2-Độ trắng) 39 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Hình 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ tới độ nhớt bột tẩy trắng Nhƣ vậy, qua khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới trình tẩy trắng theo sơ đồ tẩy D0-EP-D1, kết luận với sơ đồ tẩy trắng chế độ công nghệ thích hợp là: - Nồng độ bột: 10% - Mức dùng clo hoạt tính: 2,5 % so với bột khô tuyệt đối - Mức dùng kiềm: 1,5% so với bột khô tuyệt đối - Mức dùng hydroperoxit: 1,5% so với bột khô tuyệt đối - Thời gian tẩy trắng: + Giai đoạn D0: 40 phút + Giai đoạn E: 60 phút + Giai đoạn P: 60 phút + Giai đoạn D1: 60 phút - Nhiệt độ tẩy trắng: 60 oC 3.4 Nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ làm giàu xenlulozơ 3.4.1 Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến tính chất bột xenlulozơ Đã tiến hành loạt thực nghiệm tinh chế bột xenlulozơ tẩy trắng, theo phƣơng pháp xử lý hydroxit Natri (mục 2.4), nhằm thu đƣợc bột xenlulozơ có hàm lƣợng α-xenlulozơ ≥ 85% Thực với mức dùng kiềm khác sau tiến hành xác định hiệu suất bột sau tinh chế, hàm lƣợng α - xenlulozơ bột thu 40 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học đƣợc tính hiệu suất α - xenlulozơ so với bột tẩy trắng kết đƣợc trình bày bảng 3.19 Bảng 3.19 Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến trình tinh chế xenluloza Mức dùng kiềm (% so với bột tẩy KTĐ) Hiệu suất bột tinh chế (% so với bột tẩy trắng) Hàm lƣợng α xenlulozơ (% so với bột tinh chế) Hiệu suất α xenlulozơ (% so với bột tẩy trắng) 100 76 76 89 82.4 73.5 88 84.1 76 88 86.4 77 87.5 84.7 74 87 83.9 73 Biểu thị tƣơng quan mức dùng kiềm với độ trắng bột, hiệu suất α xenlulozơ hàm lƣợng α - xenlulozơ qua đồ thị hình 3.7 Có thể nhận thấy với mức dùng kiềm 6% bột sau tinh chế thu đƣợc có hàm lƣợng α - xenlulozơ cao nhất, đồng thời hiệu suất bột hiệu suất xenlulozơ mức phù hợp Do Hiệu suất bột/Hiệu suấtα - xenlulozơ (%)/Hàm lƣợng α - xenlulozơ(%) trình tinh chế xenlulozơ, mức dùng kiềm 6% phù hợp 100 90 80 70 Mức dùng kiềm (%) Hình 3.7 Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến tính chất bột xenlulozơ (1- Hiệu suất bột; 2- Hàm lƣợng α -xenlulozơ; 3- Hiệu suất α -xenlulozơ) 41 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học 3.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính chất bột xenlulozơ Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình tinh chế xenlulozơ cách thay đổi điều kiện nhiệt độ tinh chế từ 60oC đến 100oC sau tiến hành xác định tiêu hiệu suất bột, hiệu suất xenlulozơ hàm lƣợng α -xenlulozơ Kết đƣợc trình bày bảng 3.20 Bảng 3.20 Ảnh hƣởng nhiệt độ tinh chế đến tính chất bột giấy Nhiệt độ (oC) Hiệu suất bột tinh Hàm lƣợng α - Hiệu suất α - chế (% so với bột xenlulozơ (% so xenlulozơ (% so tẩy trắng) với bột tinh chế) với bột tẩy trắng) 60 89.3 87.3 80 70 89.1 87.8 82.1 80 88.9 88.7 78.8 90 88.5 88.3 78.1 100 87.6 87.9 77 Biểu thị tƣơng quan nhiệt độ tinh chế với độ trắng bột, hiệu suất xenlulozơ hàm lƣợng α - xenlulozơ qua đồ thị hình 3.8 Có thể nhận thấy tăng nhiệt độ xử lý từ 60oC lên 70oC hàm lƣợng α - xenlulozơ tăng lên rõ rệt, hiệu suất thu hoạch bột hiệu suất xenlulozơ giảm không đáng kể Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ xử lý lên 80oC, 100oC hàm lƣợng α - xenlulozơ giảm rõ rệt đồng thời hiệu suất thu hoạch bột hiệu xuất xenlulozơ giảm Do nhiệt độ tinh chế 70oC phù hợp 42 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Hiệu suất bột (%)/Hiệu suất α xenlulozơ(%)/Hàm lƣợng α xenlulozơ(%) 100 90 80 70 60 70 80 90 100 Nhiệt độ (oC) Hình 3.8 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tính chất bột xenlulozơ (1- Hiệu suất bột; 2- Hàm lƣợng α -xenlulozơ; 3- Hiệu suất α -xenlulozơ) 3.4.3 Ảnh hưởng thời gian xử lý đến tính chất xenlulozơ Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng thời gian tinh chế xenlulozơ cách thực nghiệm tinh chế xenlulozơ với mức thời gian khác không thay đổi thông số công nghệ lại Kết thu đƣợc trình bày cụ thể bảng 3.21 Bảng 3.21 Ảnh hƣởng thời gian tinh chế đến tính chất bột giấy Thời gian (phút) Hiệu suất bột tinh Hàm lƣợng α Hiệu suất α chế (% so với bột xenlulozơ (% so xenlulozơ (% so tẩy trắng) với bột tinh chế) với bột tẩy trắng) 60 89 87.9 78 70 88.5 88.3 78 80 88.5 87.5 77.5 90 88 86.9 76.5 120 87 85.7 74.5 Biểu thị tƣơng quan thời gian tinh chế với độ trắng bột, hiệu suất xenlulozơ hàm lƣợng α - xenlulozơ qua đồ thị hình 3.9 Có thể nhận thấy thời gian xử lý 70 phút ta thu đƣợc bột xenlulozơ có hàm lƣợng α - xenlulozơ cao đồng thời đảm bảo hiệu suất thu hoạch bột hiệu xuất xenlulozơ Do thời 43 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Hiệu suất bột (%)/Hiệu suất xenlulozơ(%)/Hàm lƣợng α - xenlulozơ(%) gian tinh chế xenlulozơ phù hợp 70 phút 100 90 80 70 60 60 70 80 90 100 110 Hình 3.9 Ảnh hƣởng thời gian tới tính chất bột xenlulozơ Thời gian (Phút) (1- Độ trắng; 2- Hiệu suất bột; 3- Hàm lƣợng α -xenlulozơ) Nhƣ từ kết khảo sát ảnh hƣởng mức dùng kiềm, thời gian tinh chế nhiệt độ tinh chế ta xây dựng đƣợc chế độ công nghệ tinh chế bột xenlulozơ sản xuất từ nguyên liệu rơm rạ theo phƣơng pháp sunfat nhƣ sau: Nồng độ (%) 10 Mức dùng hóa chất (%) 44 Nhiệt độ tinh chế Thời gian tinh chế (oC) (Phút) 70 70 120 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học KẾT LUẬN Trên sở kết nghiên cứu, đƣa kết luận sau: Đã xác lậ đƣợc sơ đồ công nghệ nâng cao chất lƣợng xenlulozơ từ rơm rạ sử dụng cho sản xuất xenlulozơ tan gồm hai giai đoạn sau: - Công đọan 1: Tẩy trắng theo sơ đồ D0 - (EP) - D1, với thông số công nghệ sau: + Nồng độ bột: 10% + Mức dùng clo hoạt tính: 2,5 % so với bột khô tuyệt đối +Mức dùng kiềm: 1,5% so với bột khô tuyệt đối + Mức dùng hydroperoxit: 1,5% so với bột khô tuyệt đối + Thời gian tẩy trắng: + Giai đoạn D0: 40 phút + Giai đoạn E: 60 phút + Giai đoạn P: 60 phút + Giai đoạn D1: 60 phút + Nhiệt độ tẩy trắng: 60 oC; - Công đọan 2: tinh chế (làm giàu) xenlulozơ, với thông số công nghệ sau: - Nồng độ bột: 10% - Mức dùng NaOH: 6% - Thời gian xử lý: 70 phút - Nhiệt độ xử lý: 70oC Theo sơ đồ công nghệ trên, bột xenlulozơ thu đƣợc có hiệu suất khoảng 26,7% % so với rơm rạ, có độ trắng khoảng 83%ISO, hàm lƣợng α - xenlulozơ 88,3% 45 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Sĩ Tráng (2004), Cơ sở hóa học gỗ xenluloza Tập 1&2, NXB KH&KT, Hà Nội Nguyễn Thị Minh Phƣơng, Lê Quang Diễn, Doãn Thái Hòa, Nguyễn Tử Kim, Nguyễn Thị Trịnh (2013), Thành phần hóa học tính chất lý học rơm rạ số giống lúa sử dụng cho sản xuất etanol sinh học, Tạp chí Hóa học, T51, số (ABC) Lê Quang Diễn (2015), Công nghệ sản xuất bột giấy Tập 1&2 NXB Bách Khoa Hà Nội Lƣu Trung Thành (2015), Nghiên cứu thu nhận xenluloza từ rơm rạ theo phương pháp nấu sunfat tiền thủy phân Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Hurter, R W (2006) Nonwood plant fibre characteristics 6.Thomas A Rymsza, Agricultral Residues in Pulp and paper, Vision Paper, www.visionpaper.com Belayachi, L.; and Delmas, M 1997 Sweet sorghum bagasse: A raw material for the production of chemical paper pulp.: Effec of depithing Industrial Crops and Products 6(3-4): 229-32, August Britt, K.W 1970 Handbook of pulp and paper technology, 2nd ed., Van Nostrand Reinhold, New York, NY, USA Casey, J.P (ed.) 1983 Pulp and paper, Chemistry and chemical technology 3rd ed., vol IV, John Wiley & Sons, New York, NY, USA 10 Doric, C 1950 The methods of cellulose chemistry 2nd ed., Chapman and Hall Ltd., London, UK 11.Roberts, J.C 1991 Paper chemistry Blackie Academic and Professional, Glasgow, UK WRF 1997 Compost Information Sheet Warmer Bulletin: Journal of the World Resource Foundation (WRF), 52, Kent, UK 12 Monica Ek, Goran Gellerstedt, Gunnar Henriksson, Pulp and Paper Chemistry and Technology Vol.1-2, Walter de Gruyter GmbH&Co, Berlin, 2009 13 Pulp and paper manufacture, Vol.1-6, 3-st Edition Publ by The joint textbook 46 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học committee of the paper industry TAPPI, 1998 14 Johan Gullichsen, Hannu Paulapuro, Papermaking Science and Technology, Book 1-6, Fapet Oy, Finland, 2000 15 Herbert Sixta, Handbook of Pulp, Vol.1-2, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2006 16 Nobert M Bikales Cellulose and Cellulose derivatives Tom I-II A Devision of Jonh Wiley &Sons Inc, New York (Lodon, Sydney, Toronto), 1971 17 Theo van de Ven, Louis Godbout, Cellulose -Fundamental Aspects, Intech Publisher, 2013, 376 ps 18 Э А Роговин Химия целлюлозы Москва, Издательство «Химия», 1972, 520с 19 Wikhan Anpanurak and Sawitree Pisuthpichet (2006) Chemical pulp production from rice straw by alkaline and cooking with aaded alkaline oxygen Final Report of the research project for higher utization of forestry and agricultural plant materials in Thailand 47 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học PHỤ LỤC Hình ảnh thực nghiệm, sản phẩm Bột xenlulozơ chƣa tẩy trắng Điều chế dioxit clo PTN Tẩy trắng tinh chế xenlulozơ Bột xenlulozơ tẩy trắng 48 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học Xác định hàm lƣợng α-xenlulozơ bột chƣa tẩy trắng Bột xenlulozơ tinh chế Xác định hàm lƣợng α-xenlulozơ bột tinh chế 49 [...]... chung của các chất tẩy trên một đơn vị khối lƣợng bột, trên mỗi đơn vị Kappa, cần sử dụng một đơn vị chung của chất tẩy Khi tẩy trắng chỉ sử dụng chất tẩy là clo và các hợp chất của clo, đơn vị chung là đơn vị clo hoạt tính Hệ số chuyển đổi từ các chất tẩy trong trƣờng hợp này đƣợc xác định theo đƣơng lƣợng oxi hóa của chúng (Bảng 1.3) Bảng 1.3 Khối lƣợng clo hoạt tính của một số chất tẩy STT Hóa chất. .. (tới 1 kg/tấn bột) và khả năng phản ứng của xenlulozơ bi giảm Từ các kết quả nghiên cứu đã đƣợc trình bày tóm tắt ở trên ta có thể nhận thấy, 22 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học rơm rạ là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất bột giấy và giấy Các nghiên cứu sản xuất bột giấy từ rơm rạ đã đƣợc các nhóm tác giả thực hiện chủ yếu tập trung vào sử dụng các tác nhân thân thiện môi trƣờng... xuất bột giấy từ nguyên liệu rơm rạ chủ yếu để tạo ra nguồn bột cho quá trình sản xuất các sản phẩm có chất lƣợng thấp và trung bình, điều đó cũng đồng nghĩa với việc chúng ta chƣa tận dụng hết lợi thế của nguồn nguyên liệu rơm rạ trong công nghệ sản xuất bột giấy và giấy Chính vì vậy việc thực hiện các nghiên cứu nhằm tinh chế đồng thời nâng cao chất lƣợng xenlulozơ từ rơm rạ là việc làm có ý nghĩa thực... hiệu quả tẩy trắng Việc áp dụng một sơ đồ công nghệ tẩy trắng, hoặc sử dụng các chất tẩy nào đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: dạng bột (bột sunfat, bột xút hay bột sunfit, chúng đƣợc sản xuất từ nguyên liệu nào), chất lƣợng ban đầu của bột, độ trắng cần thiết phải đạt, trang thiết bị sẳn có và giá cả của các hóa chất Độ trắng cuối cùng của bột tẩy trắng đƣợc tăng dần theo từng công đoạn thẩy trắng, có... bột và cải thiện một phần chất lƣợng bột Ngày nay với tốc độ phát triển nhƣ vũ bão của khoa học kỹ thuật đòi hỏi con ngƣời phải không ngừng tìm tòi sáng tạo đặc biệt đối với các hoạt động sản xuất thì việc đầu tƣ đổi mới khoa học, công nghệ với mục tiêu nâng cao năng suất, chất lƣợng, nâng cao giá trị cho sản phẩm là việc làm rất cần thiết Chúng ta có thể nhận thầy hiện tại việc sản xuất bột giấy từ. .. quyết tâm của các nhà khoa học 23 Nguyễn Đức Hạnh Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Hóa học CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 2.1.1 Bột xenlulozơ Bột xenlulozơ sử dụng cho nghiên cứu là bột thu đƣợc từ rơm rạ lúa Q5 vụ hè thu 2013, thu gom tại xã Dân Lực, huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa, theo phƣơng pháp nấu sunfat tiền thủy phân, với Quy trình công nghệ thích hợp đã đƣợc nghiên cứu xác... các chất hoạt tính bề mặt Để sản xuất các loại bột xenlulozơ có hàm lƣợng α -xenlulozơ cao (bột viscozơ, bột xenlulozơ axetat, …) ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp tinh chế Tinh chế nóng là phƣơng pháp xử lý bột bằng dung dịch kiềm ở nhiệt độ 95130oC, mức dùng kiềm 90-100 kg/tấn, nồng độ bột 8-12%, thời gian xử lý 2-2,5 giờ Trong quá trình tinh chế các hemixenlulozơ bị hòa tan mạnh, thành phần phân tử của. .. kiềm của các polisaccarit, kết quả là trong công đoạn kiềm hóa độ nhớt của bột có thể giảm Vì vậy, tách loại các nhóm CO trong công đoạn kiềm hóa sẽ làm giảm khả năng hồi mầu của bột 1.2.3.2 Các phương pháp kiềm hóa Xử lý nhẹ hay còn gọi là trung hòa, là phƣơng pháp đƣợc sử dụng khi cần tiến hành quá trình sao cho lƣợng hemixenlulozơ bị hòa tan là tối thiểu, chẳng hạn khi sản xuất bột dùng cho sản xuất. .. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát về công nghệ tẩy trắng bột xenlulozơ [3] 1.1.1 Các quy luật cơ bản của quá trình tẩy trắng Quá trình tẩy trắng bột xenlulozơ nói chung là một quá trình phức tạp nhiều công đoạn, sử dụng một số lƣợng lớn hóa chất, nƣớc và hơi nƣớc, đồng thời cũng thải ra một lƣợng nƣớc thải khá lớn, thông thƣờng có độc tố cao và xử lý phức tạp Một công đoạn của quá trình tẩy... trắng, cho độ trắng của bột cao hơn với cùng một mức tiêu hao hóa chất Hình 1.1 minh họa sự thay đổi độ trắng của bột sunfat gỗ cứng có trị số Kappa ban đầu là 12 đv, theo sơ đồ tẩy trắng một công đoạn kết hợp kiềm hóa và hai công đoạn kết hợp kiềm hóa Hình 1.1 Độ trắng của bột sunfat gỗ cứng sau tẩy theo chu trình D(EO) và D(EO)D 1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tẩy trắng và chất lượng của bột