Xác định sự biến đổi tính chất vật lý của gỗ trong qúa trình xử lý kiềm nóng: tỷ trọng, màu sắc. Xác định sự biến đổi thành phần hóa học của gỗ trong qúa trình xử lý kiềm nóng: xenluylô, lignin, pentozan, các chất tan trong dung môi hữu cơ. Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp.
BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY GIẤY VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLÔ **************&************ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008 NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HĨA HỌC CỦA NGUN LIỆU GỖ KEO TRONG Q TRÌNH XỬ LÝ KIỀM NĨNG Cơ quan chủ quản: Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài: BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLƠ Đỗ Thanh Tú Kỹ sư cơng nghệ giấy 7123 17/02/2009 HÀ NỘI 2/2009 MỤC LỤC TT 1.1.1 Nội dung Mở đầu Tổng quan tính chất vật lý thành phần hóa học gỗ rộng Tính chất vật lý thành phần hóa học số loại nguyên liệu gỗ rộng Tính chất vật lý số loại nguyên liệu gỗ rộng 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.1.3 1.1.2 Cấu trúc hình thái học Tỷ trọng Một số nét đặc trưng gỗ keo Thành phần hóa học số loại nguyên liệu gỗ rộng 10 10 Thành phần hóa học Các chất trích ly Xenluylơ Hêmixenluylơ Lignin Ảnh hưởng q trình xử lý kiềm nóng đến tính chất vật lý thành phần hóa học số loại nguyên liệu gỗ rộng Ảnh hưởng đến tính chất vật lý Ảnh hưởng đến thành phần hóa học 10 11 12 13 15 16 Nhựa (các chất tan dung mơi hữu cơ) Nhựa q trình nấu bột theo phương pháp kraft Nhựa trình sản xuất bột hố nhiệt (CTMP) Xenluylơ, lignin, pentozan Xenluylơ, lignin, pentozan q trình nấu bột theo phương pháp kraft Xenluylơ, lignin, pentozan q trình sản xuất bột hố nhiệt (CTMP), kiềm nóng, kiềm lạnh Kết luận định hướng nghiên cứu Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu Nguyên liệu, hoá chất thiết bị nghiên cứu 17 17 18 19 19 I 1.1 1.1.2.1 1.1.2.2 1.1.2.3 1.1.2.4 1.1.2.5 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.1.1 1.2.2.1.2 1.2.2.2 1.2.2.2.1 1.2.2.2.2 II 2.1 Trang 3 16 17 22 24 26 26 2.2 III 3.1 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2 3.2 Phương pháp nghiên cứu Kết nghiên cứu thảo luận Nghiên cứu thay đổi tính chất vật lý thành phần hóa học gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nồng độ kiềm đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nồng độ kiềm đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo tai tượng q trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nồng độ kiềm đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo lai q trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng thời gian xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng thời gian xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo tai tượng trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng thời gian xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo lai q trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) q trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo tai tượng trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo lai trình xử lý kiềm nóng Xác lập chế độ cơng nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp Kết luận 27 30 30 30 30 34 38 38 42 46 47 51 54 57 Thông tin chung đề tài Tên đề tài Nghiên cứu biến đổi tính chất vật lý hóa học nguyên liệu gỗ keo trình xử lý kiềm nóng Mục tiêu đề tài - Làm rõ thay đổi tính chất vật lý hố học gỗ keo qúa trình xử lý mơi trường kiềm nóng yếu tố ảnh hưởng - Đưa quy trình cơng nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp ngun liệu gỗ keo Nội dung nghiên cứu - Xác định biến đổi tính chất vật lý gỗ qúa trình xử lý kiềm nóng: tỷ trọng, màu sắc - Xác định biến đổi thành phần hóa học gỗ qúa trình xử lý kiềm nóng: xenluylơ, lignin, pentozan, chất tan dung môi hữu - Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp Sản phẩm tạo u cầu khoa học-kỹ thuật, kinh tế-xã hội - Báo cáo tổng hợp số liệu vấn đề nghiên cứu q trình xử lý gỗ keo mơi trường kiềm nóng - Xác lập quy trình cơng nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp ngun liệu gỗ keo MỞ ĐẦU Cây bạch đàn (Eucalypts), keo (Acacia) du nhập vào Việt Nam từ năm 60 với nhiều dòng khác Theo kết nghiên cứu thực nghiệm nhiều năm Trung tâm nghiên cứu giống rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam lồi thích nghi với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều có mức độ sinh trưởng cao Cây bạch đàn keo loại có chu kỳ khai thác 6-7 năm chất lượng xơ sợi tốt nên nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất bột giấy giấy Thành phần hóa học cấu tạo gỗ khác biệt khơng phụ thuộc vào nhóm cây, lồi mà cịn phụ thuộc nhiều yếu tố như: độ tuổi cây, điều kiện lập địa (mức độ chiếu sáng mặt trời, sức gió, hàm lượng chất dinh dưỡng đất, độ ẩm đất v.v) Trong thành phần hóa học khác phận vỏ, thân, gỗ sớm, gỗ muộn v.v Phương pháp sản xuất bột giấy phổ biến phương pháp hóa học Tuy nhiên, việc sản xuất bột hóa học tẩy trắng địi hỏi lượng dùng nguyên liệu lớn, dây chuyền thiết bị phức tạp, hiệu suất bột thấp Ngồi ra, q trình sản xuất sử dụng số hóa chất có khả gây nhiễm môi trường cao như: Clo, đioxytclo.v.v Ngày nay, sản xuất bột hiệu suất cao với chi phí sản xuất tương đối thấp, dây chuyền sản xuất đơn giản, tiêu hao hóa chất giảm thiểu nhiễm mơi trường lĩnh vực quan tâm Đặc biệt, xu hướng ngày tăng giá nguyên liệu đầu vào quy định hạn chế khai thác rừng nhằm bảo vệ môi trường sinh thái Hiện nay, nước số nhà máy tiến hành đầu tư sản xuất bột APMP (Alkaline Peroxide Mechanical Pulp) hay bột BCTMP (Bleached ChemiThermo Mechanical Pulp) như: Công ty giấy Long An đầu tư dây chuyền APMP 100.000 tấn/năm, Nhà máy bột giấy Quảng Nam đầu tư dây chuyền BCTMP 115.000 tấn/năm Thơng thường q trình sản xuất bột hóa nhiệt tẩy trắng, nguyên liệu xử lý với số hóa chất NaOH, Na2CO3 H2O2 Tuy nhiên, kết nghiên cứu tài liệu cho thấy hiệu xử lý dăm mảnh gỗ với hóa chất giai đoạn đầu trình sản xuất bột hóa nhiệt tẩy trắng thường thay đổi lớn phụ thuộc vào chủng loại nguyên liệu, mức dùng hóa chất, thời gian xử lý nhiệt độ xử lý Trước nhu cầu thực tế sản xuất, việc nghiên cứu thay đổi tính chất vật lý thành phần hóa học sở cho việc xác lập chế độ cơng nghệ thích hợp sản xuất bột hiệu suất cao cần thiết Vì vậy, Viện Công nghiệp Giấy Xenluylô Bộ Công Thương giao nhiệm vụ nghiên cứu khoa học công nghệ năm 2008, thực đề tài: “Nghiên cứu biến đổi tính chất vật lý hóa học nguyên liệu gỗ keo q trình xử lý kiềm nóng” Mục tiêu đề tài: - Làm rõ thay đổi tính chất vật lý hoá học gỗ keo qúa trình xử lý mơi trường kiềm nóng yếu tố ảnh hưởng - Đưa quy trình cơng nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp ngun liệu gỗ keo Nội dung nghiên cứu: - Xác định biến đổi tính chất vật lý gỗ qúa trình xử lý kiềm nóng: tỷ trọng, màu sắc - Xác định biến đổi thành phần hóa học gỗ qúa trình xử lý kiềm nóng: xenluylơ, lignin, pentozan, chất tan dung môi hữu - Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp PHẦN I TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA GỖ LÁ RỘNG Ở Việt Nam nguyên liệu xơ sợi thực vật chủ yếu sử dụng để sản xuất bột giấy gỗ rừng trồng Trong chủ yếu gỗ bạch đàn gỗ keo loại Những loại nguyên liệu truyền thống tre nứa loại, bã mía, rơm rạ, đay sử dụng 1.1 Tính chất vật lý thành phần hóa học số loại nguyên liệu gỗ rộng 1.1.1 Tính chất vật lý số loại nguyên liệu gỗ rộng 1.1.1.1 Cấu trúc hình thái học Mặt cắt ngang thân gồm bốn phần: vỏ, tầng phát sinh, gỗ tủy (hình 1.1, hình 1.2) Vỏ phần thân cây, vỏ gồm hai lớp: lớp bên lớp vỏ chết, có tác dụng che chắn, bên lớp vỏ sống vừa có tác dụng che chắn, vừa nơi dự trữ dẫn truyền chất dinh dưỡng Tầng phát sinh lớp mỏng nằm sát vỏ cây, bao gồm tế bào sống Tầng phát sinh gồm số lớp tế bào, tế bào phát triển theo kiểu phân đôi Phần gỗ tầng phát sinh tạo ra, hàng năm phần gỗ tăng thêm vòng nên gọi vòng tăng trưởng hàng năm Ở nhiều loại gỗ, vịng tăng trưởng hàng năm quan sát mắt thường Đó vòng tròn đồng tâm mà tâm phần tủy, từ đếm số vịng tăng trưởng hàng năm để tính tuổi Trong vịng tăng trưởng hàng năm, phần gỗ phía sinh vào đầu mùa sinh trưởng gọi gỗ sớm, phần gỗ phía ngồi sinh vào cuối mùa sinh trưởng gọi gỗ muộn Nhờ điều kiện sinh trưởng thuận lợi, phần gỗ sinh trước chứa tế bào lớn, thành mỏng nên gỗ sớm có màu nhạt hơn, nhẹ hơn, mềm hơn, chịu lực gỗ muộn Cây sống xứ lạnh gỗ sớm gỗ muộn khác rõ rệt Tủy nằm phần tâm mặt cắt ngang thân Tủy tạo giai đoạn sinh trưởng ban đầu Tủy bao gồm tế bào thành mỏng, tủy xốp có nhiệm vụ dự trữ chất dinh dưỡng thời kỳ đầu để nuôi cây, sau tủy ngừng phát triển Tủy thường có đường kính ÷ mm, gỗ có tủy lớn thường dễ bị nứt khơ Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt ngang thân cây, ruột (a), gỗ lõi (b), gỗ giác (c), vỏ (d), vỏ (e), tầng phát sinh (f), lớp gỗ phía ngồi (g), lớp gỗ phía (h) Quan sát gỗ giác gỗ lõi mặt cắt ngang, nhận thấy phần gỗ phía gần tâm màu sẫm phần gỗ xa tâm Phần gỗ phía gọi gỗ lõi, phần gỗ phía ngồi gọi gỗ giác Ở phần lõi tế bào xếp chặt chẽ, nên phần lõi bền học phần gỗ giác, đồng thời có khối lượng riêng biểu kiến lớn Khi cắt dọc thân qua phần tủy quan sát, ta thấy gỗ có tia nằm ngang thân cây, tia vỏ chạy vào tủy gọi tia sơ cấp Tia vỏ chạy vào vòng sinh trưởng hàng năm gọi tia thứ cấp Hình 1.2 Mặt cắt thân cây: mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, mặt cắt dọc qua tâm Gỗ tổ hợp loại tế bào, dựa vào hình dạng tế bào phân thành prosenchym parenchyma Prosenchym mảnh dài, hai đầu thon dần, Parenchym ngắn tiết diện ngang có hình chữ nhật đa giác Dựa vào chức năng, tế bào chia thành nhóm khác nhau: tế bào dẫn, tế bào đỡ (kèm) tế bào dự trữ dinh dưỡng Tế bào dự trữ dinh dưỡng đóng vai trò dự trữ phân phối chất dinh dưỡng cho Đó tế bào parenchyma thành mỏng, chức chúng trì gỗ giác Tế bào dẫn tế bào đỡ tế bào chết, ruột tế bào chứa chất lỏng không khí Trong gỗ rộng tế bào có chức dẫn truyền tế bào ống (mạch), tế bào đỡ (kèm) có dạng sợi Chất lỏng vận chuyển cây, từ tế bào sang tế bào khác nhờ lỗ thông tế bào cạnh Lỗ thông phần thủng lớp thứ cấp, cịn lớp sơ cấp giữ lại để đóng vai trị màng bán thấm Hình 1.3 Sơ đồ (mặt cắt ngang X, mặt cắt dọc tâm R, mặt cắt dọc T) lỗ xốp gỗ cứng, cấu tạo tế bào ống tế bào đỡ E Gỗ rộng chứa số loại tế bào, đảm nhận chức khác Hệ thống đỡ gồm tế bào dạng sợi gọi sợi gỗ sợi libe Hệ thống dẫn gồm tế bào hình ống, có ruột lớn, hệ thống dự trữ dinh dưỡng gồm tế bào tia parenchyma Ngồi ra, gỗ rộng có loại tế bào pha trộn dạng xếp vào tracheit dạng sợi Tế bào dạng libe tracheit dạng sợi chiếm 65 ÷ 70% thể tích thân gỗ Tế bào dạng libe thành dày, ruột nhỏ, thành tế bào có lỗ đơn giản Độ dài tế bào libe 0,7 ÷ 1,8 mm (trung bình 1,1 ÷ 1,2 mm), rng 14 ữ 40 àm, thnh t bo dy ÷ mm Trong số loại gỗ rộng, sợi gỗ chí dài mm Ống dẫn tạo thành từ tế bào sở, ngắn có thành mỏng, dài 0,3 ÷ 0,4 mm, rộng 30 ữ 130 àm Cỏc t bo ny xp ni đuôi nhau, tạo thành ống dài Ở số loại gỗ xốp, hệ thống ống dẫn phân bố đồng vòng sinh trưởng hàng năm Ở số loài khác, ống dẫn phần gỗ sớm nhiều lớn so với gỗ muộn Trên thành tế bào ống dẫn có số loại lỗ khác nhau[2] Tia gỗ rộng chứa tế bào parenchyma, chiều rộng tia thay đổi theo hướng tiếp tuyến Chiều cao tia (quan sát hình chiếu đứng) thay đổi từ trăm đến vài trăm dãy tế bào chồng lên Tia chiếm tới ÷ 30% thể tích gỗ Hình 1.4 Một số loại tế bào gỗ cứng: tế bào ống sở gỗ bulô (A), gỗ dương (C), sồi gỗ sớm (D), sồi gỗ muộn (E), tế bào ống gỗ bulô (B), tế bào parenchyma gỗ sồi (F), tế bào parenchyma gỗ bulô (G), tế bào trachied gỗ sồi (H) gỗ bulô, xơ sợi libriform gỗ bulô (J) Gỗ hình thành từ tế bào Các tế bào tồn rời rạc mà liên kết với nhờ lignin, lignin hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm Phân tử xenluylô tập hợp lại với nhau, nhờ tương tác Vander Waals liên kết hydro mạch phân tử tạo thành vùng định hướng hay gọi vùng tinh thể Khi tương tác phân tử yếu, mạch phân tử không định hướng tạo nên vùng vơ định hình Một mạch đại phân tử tồn vùng tinh thể qua số vùng tinh thể số vùng vô định hình Các tinh thể với vùng vơ định hình kết hợp lại với thành tổ chức lớn gọi bó mạch (Hình 1.5) 10 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 3.5 2.5 1.5 0.5 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Hình 3.18 Ảnh hưởng thời gian xử lý đến cường độ trượt dọc thớ q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai - Thành phần hóa học: Kết ảnh hưởng thời gian xử lý trình xử lý kiềm nóng ảnh hưởng khơng nhiều đến thành phần hóa học ngun liệu Chỉ có chất trích ly tan axeton giảm nhiều tăng thời gian xử lý, với thời gian xử lý 180 phút chất trích ly giảm gần nửa so với thời gian xử lý 15 phút Nên hiệu suất bột giảm không nhiều tăng thời gian xử lý từ 15 lên 180 phút Tuy nhiên nấu bột hóa học với mức dùng kiềm thời gian nấu yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất trị số kappa (cũng thành phần hóa học ngun liệu cịn lại chủ yếu xenluylơ phần lignin) Thành phần hóa học, (%) 60 50 40 Xenluylô Lignin 30 Pentozan 20 Các chất trích ly 10 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Hình 3.19 Ảnh hưởng thời gian xử lý đến thành phần hóa học q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai 49 - Tính chất lý bột giấy: Kết bảng 3.4 phân tích cho thấy tính chất lý bột giấy tăng dần tăng thời gian xử lý Nhưng tính chất lý bột giấy tăng nhanh tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút so với tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút Khi tăng thời gian xử lý tính chất lý bột tăng lại làm giảm độ trắng hiệu suất bột giấy Do vậy, bột học tẩy trắng lựa chọn thời gian xử lý để tính chất lý bột giấy cao phải đảm bảo độ trắng không thấp hiệu suất bột cao 4800 Chiều dài đứt, (m) 4650 4500 4350 4200 4050 3900 3750 3600 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Hình 3.20 Ảnh hưởng thời gian xử lý đến chiều dài đứt q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) q trình xử lý kiềm nóng Nhiệt độ nấu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất, chất lượng bột giấy, nhiệt độ nấu thấp để đạt trị số kappa thời gian bảo ôn kéo dài, nấu nhiệt độ cao thời gian bảo ơn giảm tốc độ phản ứng cắt mạch lignin cao Tùy theo mục đích yêu cầu chất lượng sản phẩm nguyên liệu đầu vào mà nhiệt độ nấu khác Theo nghiên cứu tốc độ phản ứng tách loại lignin cho thấy nhiệt độ nấu cao 150 0C, nhiệt độ tăng thêm 10 0C tốc độ phản ứng tăng lên khoảng lần Theo kết nghiên cứu tài liệu bột hóa nhiệt tẩy trắng bột bán hóa [11, 12] nhiệt độ xử lý từ 90 ÷ 950C Trong phạm vi nghiên cứu đề tài xử lý mơi trường kiềm nóng nên nhóm đề tài lựa chọn khoảng nhiệt độ nghiên cứu: 50 + Nhiệt độ: 65, 80, 95, 110, 125, 140 0C + Nồng độ kiềm: 15 g/l + Thời gian xử lý: 120 phút + Tỷ dịch: 1/4 3.1.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo tai tượng q trình xử lý kiềm nóng Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý, thành phần hoá học từ nguyên liệu gỗ keo tai tượng đưa bảng 3.5 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý thành phần hố học, tính chất lý bột giấy từ nguyên liệu gỗ keo tai tượng Nhiệt độ xử lý, (0C) 65 80 95 110 125 140 Tính chất vật lý 400,47 397,25 391,86 386,31 378,80 371,97 34,69 33,92 32,67 28,73 26,56 21,68 Tỷ trọng mảnh, (kg/m ) Độ trắng, (% ISO) Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 1,77 1,43 1,27 0,93 Thành phần hố học Các chất trích ly tan axeton, 1,08 0,83 0,72 (%) Xenluylô, (%) 50,75 50,19 49,48 0,55 0,52 0,48 49,16 49,08 48,87 Lignin, (%) 23,41 22,97 22,69 22,65 22,36 20,73 Pentozan, (%) 21,19 20,12 19,30 19,13 18,87 17,21 Hiệu suất bột giấy, (%) 92,86 91,24 90,04 89,65 88,76 86,23 4,2 3,7 3,0 2,4 1,6 1,0 4712 4853 5010 Tàn kiềm, (g/l) 3,20 2,63 Tính chất lý bột giấy 3720 4180 4580 Chiều dài đứt, (m) C.số độ chịu bục, (kPa.m /g) C.số độ bền xé, (mN/.m /g) 1,67 1,98 2,15 2,67 3,02 3,45 3,30 4,85 5,22 5,34 5,56 5,78 Phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu xeo máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2 51 - Tính chất vật lý: Từ bảng kết 3.5 phân tích số liệu cho thấy với nồng độ kiềm, thời gian xử lý nhiệt độ xử lý yếu tố ảnh hưởng tương đối lớn đến tỷ trọng, độ trắng, cường độ trượt dọc thớ Khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C tỷ trọng giảm 2,15% Tỷ trọng giảm nhanh tăng nhiệt độ xử lý từ 95 0C đến 140 0C (tỷ trọng giảm 5,08%) so với tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C (tỷ trọng giảm 2,15%) Khi tỷ trọng giảm dăm mảnh nguyên liệu xốp tạo điều kiện thuận lợi cho trình nghiền 405 Tỷ trọng, (kg/m3) 400 395 390 385 380 375 370 365 360 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.21 Ảnh hưởng nhiệt độ đến tỷ trọng q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng Kết bảng cho thấy độ trắng chịu ảnh hưởng lớn nhiệt độ xử lý, nhiệt độ xử lý cao độ trắng giảm nhanh, tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C lên 95 0C độ trắng giảm 5,82%, tăng nhiệt độ xử lý từ 95 0C lên 140 0C độ trắng giảm 33,64 % Khi nhiệt độ lớn 140 0C phản ứng lignin bắt đầu xảy ra, q trình phản ứng với xút ngồi việc hịa tan lignin vào dịch đen xảy phản ứng biến đổi nhóm mang màu lignin nên bột giấy có màu nâu sẫm Do vậy, nhiệt độ yếu tố nhạy cảm với độ trắng q trình xử lý kiềm nóng 52 36 Độ trắng, (% ISO) 34 32 30 28 26 24 22 20 18 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) Hình 3.22 Ảnh hưởng nhiệt độ đến độ trắng q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng Cường độ trượt dọc thớ giảm (giảm 70,94%) tăng nhiệt độ từ 65 0C đến 140 0C Với nhiệt độ xử lý 140 0C cường độ trượt dọc thớ 0,93 N/mm2 giảm gần 3,44 lần so với nhiệt độ xử lý 65 0C Quy luật giảm cường độ trượt dọc thớ phản ánh chất sản xuất bột học tác nhân chủ yếu dùng lượng nghiền để tách xơ sợi nên cường độ trượt dọc thớ cao Cịn sản xuất bột hóa học tác nhân chủ yếu dùng hóa chất để tách xơ sợi nên cường độ trượt dọc thớ giảm 3.5 2.5 1.5 0.5 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.23 Ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ trượt dọc thớ q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng - Thành phần hóa học: Trong trình xử lý kiềm nóng tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C thành phần hóa học giảm khơng đáng kể chủ yếu chất trích ly giảm Nhưng tăng nhiệt độ gần 140 0C thành phần hóa học giảm nhanh, lignin pentozan, khoảng lớn nhiệt độ phản ứng lignin, pentozan bắt đầu 53 Thành phần hóa học, (%) xảy với tốc độ chậm Nên tăng nhiệt độ xử lý từ 125 0C lên 140 0C lignin giảm 7,29%, pentozan giảm 8,80% hiệu suất bột giấy giảm nhanh (giảm 2,85%) 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.24 Ảnh hưởng nhiệt độ đến thành phần hóa học q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng Chiều dài đứt, (m) - Tính chất lý bột giấy: Qua kết bảng 3.5 cho thấy tính chất lý bột giấy thu nhận chịu ảnh hưởng rõ rệt vào nhiệt độ, tăng nhiệt độ từ 65 0C lên 140 0C, chiều dài đứt tăng 34,68%, số độ chịu bục tăng 1,78 đơn vị, số độ bền xé tăng 2,48% Như phân tích cường độ trượt dọc thớ, tỷ trọng thành phần hóa học giảm tăng nhiệt độ xử lý quy luật phản ánh quy luật tăng tính chất lý bột giấy 5200 5050 4900 4750 4600 4450 4300 4150 4000 3850 3700 3550 3400 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.25 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến chiều dài đứt trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng 54 3.1.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo lai trình xử lý kiềm nóng Kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý, thành phần hoá học từ nguyên liệu gỗ keo lai đưa bảng 3.6 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý thành phần hố học, tính chất lý bột giấy từ nguyên liệu gỗ keo lai Nhiệt độ xử lý, (0C) 65 80 95 110 125 140 Tính chất vật lý 398,15 394,95 389,59 384,07 377,91 369,84 39,42 38,57 36,08 31,73 29,34 23,95 Tỷ trọng mảnh, (kg/m ) Độ trắng, (% ISO) Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 1,76 1,40 1,25 0,92 Thành phần hố học Các chất trích ly tan axeton, 0,90 0,69 0,60 (%) Xenluylô, (%) 49,87 49,23 48,54 0,46 0,44 0,40 48,22 48,14 47,94 Lignin, (%) 22,86 22,43 22,16 22,12 21,84 20,22 Pentozan, (%) 18,54 17,60 16,88 16,73 16,51 14,95 Hiệu suất bột giấy, (%) 92,55 90,94 89,74 89,35 88,46 85,94 4,0 3,6 3,2 2,4 1,7 1,0 4708 4850 5014 Tàn kiềm, (g/l) 3,18 2,60 Tính chất lý bột giấy 3717 4182 4576 Chiều dài đứt, (m) C.số độ chịu bục, (kPa.m /g) C.số độ bền xé, (mN/.m /g) 1,65 1,96 2,13 2,64 3,00 3,41 3,32 4,88 5,25 5,37 5,59 5,81 Phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu xeo máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2 - Tính chất vật lý: Từ kết bảng 3.6 cho thấy tương tự ảnh hưởng nhiệt độ xử lý gỗ keo tai tượng, tăng nhiệt độ xử lý tỷ trọng giảm Tỷ trọng giảm 7,11% tăng nhiệt độ từ 65 0C đến 95 0C, tăng nhiệt độ xử lý thành phần hóa học giảm nhiều chất trích ly, pentozan, … nên tỷ trọng giảm 55 Tỷ trọng, (kg/m3) 405 400 395 390 385 380 375 370 365 360 355 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.26 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến tỷ trọng q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai Qua phân tích kết nghiên cứu, yếu tố ảnh hưởng đến độ trắng trình xử lý kiềm nóng, ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến độ trắng rõ rệt Khi nhiệt độ xử lý cao độ trắng giảm nhanh, tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C độ trắng giảm 8,47% so với tăng nhiệt độ xử lý từ 95 0C đến 140 0C, độ trắng giảm 33,62% Độ trắng, (% ISO) 41 38 35 32 29 26 23 20 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.27 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến độ trắng q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai Như phân tích tăng nhiệt độ xử lý tỷ trọng, độ trắng giảm nên dăm mảnh xốp mềm hơn, phản ứng lignin xảy với tốc độ cao Do vậy, lực liên kết xơ sợi lỏng lẻo cường độ trượt dọc thớ giảm Khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 140 0C cường độ trượt dọc thớ giảm 3,46 lần 56 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 3.5 2.5 1.5 0.5 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.28 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến cường độ trượt dọc thớ q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai Thành phần hóa học, (%) - Thành phần hóa học: Kết phân tích cho thấy nhiệt độ xử lý thấp thành phần hóa học khơng thay đổi trừ chất trích ly, nhiệt độ cao thành phần hóa học giảm nhanh Tuy nhiên, nhiệt độ xử lý 140 0C thành phần hóa học có giảm không nhiều, nhiệt độ phản ứng hóa học xút với thành phần hóa học xảy chưa mãnh liệt nên hiệu suất bột cao 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Xenluylơ Lignin Pentozan Các chất trích ly 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.29 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thành phần hóa học q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai - Tính chất lý bột giấy: Phân tích bảng kết cho thấy tính chất lý bột giấy thay đổi rõ rệt tăng nhiệt độ xử lý Như tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 140 0C chiều dài đứt tăng 34,89% Tuy nhiên, tăng nhiệt độ xử lý tính chất lý bột giấy tăng nhanh độ trắng lại giảm nhanh 57 Chiều dài đứt, (m) 5150 5000 4850 4700 4550 4400 4250 4100 3950 3800 3650 3500 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Hình 3.30 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến chiều dài đứt q trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai 3.2 Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp Khác với q trình sản xuất bột hóa học, bột hố nhiệt chủ yếu tạo phương pháp nghiền học Tuy nhiên, để sản xuất loại bột có chất lượng cao mức tiêu thụ lượng thấp vai trị giai đoạn xử lý hố chất trước nghiền với yếu tố công nghệ nhiệt độ xử lý, mức dùng hóa chất thẩm thấu thời gian xử lý đóng vai trị quan trọng Kết nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố công nghệ (nồng độ kiềm, thời gian xử lý, nhiệt độ xử lý) đến tính chất vật lý thành phần hóa học gỗ số loại keo (keo tai tượng, keo lai) trình xử lý kiềm nóng cho thấy: + Đối với thời gian xử lý: Khi tăng thời gian xử lý từ 15 đến 180 phút tỷ trọng dăm mảnh giảm khơng nhiều (2,9%), thành phần hóa học thay đổi ngoại trừ chất trích ly (các chất trích ly tan axeton giảm 43,7%), độ trắng giảm mạnh (21,4%) tính chất lý bột giấy tăng khơng đáng kể Mặt khác, việc tăng thời gian xử lý làm tăng thể tích thiết bị, giảm cơng suất sản xuất dẫn tới làm tăng chi phí đầu tư ban đầu chi phí vận hành Như vậy, bột hóa nhiệt thời gian xử lý hố chất trước nghiền thích hợp khoảng từ 20 đến 30 phút + Đối với nhiệt độ xử lý: Nhiệt độ yếu tố công nghệ có ảnh hưởng quan trọng q trình xử lý mảnh số gỗ keo dung dịch kiềm Khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C lên 140 0C tỷ trọng dăm mảnh giảm 7,1%, cường độ trượt dọc thớ giảm mạnh (71%), tính chất lý bột giấy tăng (như chiều dài đứt tăng 58 34,7%) Tuy nhiên, tăng nhiệt độ xử lý tới mức cao 110 0C độ trắng mảnh giảm tới 33,8% ISO so với mảnh gỗ ban đầu, độ trắng mảnh sau giai đoạn xử lý hố chất q trình sản xuất bột hóa nhiệt tẩy trắng số quan trọng có ảnh hưởng đến độ trắng bột thành phẩm Vì vậy, bột hóa nhiệt tẩy trắng nên giới hạn nhiệt độ xử lý mức nhỏ 110 0C Đối với bột hiệu suất cao không tẩy trắng dùng cho sản xuất giấy bao bì cơng nghiệp có yêu cầu cao độ bền lý cần phải áp dụng chế độ cơng nghệ xử lý với nhiệt độ 140 0C + Đối với nồng độ kiềm: Ở nhiệt độ xử lý nhỏ 110oC, tăng nồng độ kiềm tới mức lớn 15 g/l (6,75% NaOH so với nguyên liệu khô tuyệt đối) tính chất lý bột giấy tăng, độ trắng giảm nhiều lượng kiềm dư (kiềm chưa phản ứng) cao Như vậy, bột hóa nhiệt tẩy trắng mức dùng kiềm nhỏ 15 g/l phù hợp Đối với bột hiệu suất cao có yêu cầu cao độ bền lý khơng đặt u cầu độ trắng song song với việc áp dụng chế độ công nghệ xử lý nhiệt độ cao nâng mức dùng kiềm tới 25 g/l (khoảng 11% so với nguyên liệu khô tuyệt đối) Quy trình xử lý kiềm nóng thích hợp nguyên liệu gỗ keo: * Đối với bột hóa nhiệt tẩy trắng: + Nồng độ kiềm: ÷ 15 g/l (2,25 ÷ 6,75 % so với nguyên liệu KTĐ) + Thời gian xử lý: 20 ÷ 30 phút + Tỷ lệ dịch: 1/4 + Nhiệt độ xử lý: 85 ÷ 110 0C * Đối với bột hiệu suất cao không tẩy dùng cho sản xuất giấy bao bì cơng nghiệp: + Nồng độ kiềm: 15 ÷ 25 g/l (6,75 ÷ 11,25 % so với nguyên liệu KTĐ) + Thời gian xử lý: 20 ÷ 90 phút + Tỷ lệ dịch: 1/4 + Nhiệt độ xử lý: 140 ÷ 210 0C 59 Sơ đồ khối quy trình xử lý kiềm nóng thích hợp ngun liệu gỗ keo: Gỗ + Nồng độ kiềm: 15 ÷ 25 g/l + Thời gian xử lý: 20 ÷ 90 phút + Nhiệt độ xử lý: 140 ÷ 210 0C + Tỷ dịch: 1/4 Chặt mảnh + Nồng độ kiềm: ÷ 15 g/l + Thời gian xử lý: 20 ÷ 30 phút + Nhiệt độ xử lý: 85 ÷ 110 0C + Tỷ dịch: 1/4 Xử lý hóa chất Bột hiệu suất cao khơng tẩy trắng Bột hóa nhiệt tẩy trắng Nghiền sơ cấp Nghiền sơ cấp Nghiền thứ cấp Tẩy trắng Xeo giấy Nghiền thứ cấp Xeo giấy 60 KẾT LUẬN Trong giai đoạn xử lý dăm mảnh số loại keo (keo tai tượng, keo lai) với dung dịch xút (NaOH) với yếu tố công nghệ mức dùng hóa chất, nhiệt độ thời gian xử lý cường độ trượt dọc thớ, tỷ trọng dăm mảnh, độ trắng thay đổi rõ rệt Mặt khác, tăng nhiệt độ xử lý tới mức cao 110 0C, nồng độ kiềm lớn 15 g/l nhiệt độ xử lý nhỏ 110 0C độ trắng mảnh giảm mạnh, độ trắng mảnh sau giai đoạn xử lý hoá chất q trình sản xuất bột hóa nhiệt tẩy trắng số quan trọng có ảnh hưởng đến độ trắng bột thành phẩm Trong trình xử lý kiềm nóng thay đổi yếu tố nồng độ kiềm, thời gian xử lý, nhiệt độ xử lý hàm lượng xenluylơ giảm khơng đáng kể, hàm lượng lignin pentozan giảm ít, ngoại trừ chất trích ly giảm nhiều, tính chất lý bột giấy thay đổi nhiều Sự thay đổi tính chất vật lý thành phần hóa học q trình xử lý kiềm nóng hai loại nguyên liệu gỗ keo lai keo tai tượng khơng có khác nhiều Từ kết nghiên cứu làm rõ tìm quy luật thay đổi tính chất vật lý thành phần hóa học q trình xử lý kiềm nóng từ loại gỗ keo (keo tai tượng, keo lai), nhóm đề tài lựa chọn quy trình sản xuất bột hóa nhiệt bột hiệu suất cao không tẩy trắng phù hợp: * Đối với bột hóa nhiệt tẩy trắng: + Nồng độ kiềm: ÷ 15 g/l (2,25 ÷ 6,75 % so với nguyên liệu KTĐ) + Thời gian xử lý: 20 ÷ 30 phút + Tỷ lệ dịch: 1/4 + Nhiệt độ xử lý: 85 ÷ 110 0C * Đối với bột hiệu suất cao không tẩy dùng cho sản xuất giấy bao bì cơng nghiệp: + Nồng độ kiềm: 15 ÷ 25 g/l (6,75 ÷ 11,25 % so với nguyên liệu KTĐ) + Thời gian xử lý: 20 ÷ 90 phút + Tỷ lệ dịch: 1/4 + Nhiệt độ xử lý: 140 ÷ 210 0C 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Đào Sỹ Sành cộng Báo cáo đề tài cấp năm 2006, “Nghiên cứu sử dụng hợp lý hiệu nguồn nguyên liệu xơ sợi thực vật Việt Nam dùng cho sản xuất bột giấy”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylơ Hồ Sĩ Tráng Cơ sở hố học gỗ xenluloza, nhà xuất khoa học kỹ thuật, xuất ngày 17/10/2003 T1-T2 TS Hoàng Quốc Lâm cộng Báo cáo kết thực đề mục năm 2004: “Nghiên cứu xác định tiềm công nghệ chế biến bột giấy chất lượng cao lồi cây: thơng caribe, bạch đàn uro, keo tai tượng, keo tràm, keo lai”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylô Lê Châu Thanh, Phạm Thanh Thoại, Dỗn Thái Hịa, “Những thí nghiệm hố học gỗ xenlulô”, Trường Đại Học Bách Khoa hà Nội, xuất năm 1990 Đào Sỹ Sành cộng sự, “Các tượng vật lý hoá học xảy trình kiềm lạnh gỗ bồ đề”, Kỹ thuật giấy-xenluylô, Viện công nghiệp Giấy & Xenluylô, 2-1980 Ths Cao Văn Sơn cộng Báo cáo đề tài cấp năm 2004, “Nghiên cứu cơng nghệ sản xuất bột hóa nhiệt tẩy trắng từ gỗ cứng (keo lai)”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylô Đỗ Thanh Tú cộng Báo cáo đề tài cấp năm 2007, “Nghiên cứu chế độ cơng nghệ sản xuất bột bán hóa từ gỗ bạch đàn keo (keo tai tượng, keo lai) cho sản xuất lớp sóng cáctơng sóng”, Viện Cơng nghiệp Giấy & Xenluylô 62 Johan Gullichen, Hannu Pauladuro, “Book Forest Resources and Sustainable Mangement, Papermaking Science and technology”, Paper Engineer’s Association and Tappi, 1998 Ernst Black and Rainer Ekman Pitch control, wood resin and dersination, TAPPI Press, 2000 10 Andrian F.A Wallis and Ross H Wearne “Wood resin in Acacia mangium and Acacia crassicaroa wood and knots”, APPITA Journal, 57(4), 2004 11 Suivi Pietarinen, Stefan Willffour and Bjarne Holmbom “Wood resin in Acacia mangium and Acacia crassicaroa wood and knots”, APPITA Journal, 57(2), 2004 12 Book 6A chemical pulping: ”Semichemical and chemimechanical pulping methods”, Papermaking Science and Technology 13 Johan Gullichen, Hannu Pauladuro, “Book Forest Products Chemistry, Papermaking Science and technology”, Paper Engineer’s Association and Tappi, 1998 63 ... khoa học công nghệ năm 2008, thực đề tài: ? ?Nghiên cứu biến đổi tính chất vật lý hóa học nguyên liệu gỗ keo trình xử lý kiềm nóng? ?? Mục tiêu đề tài: - Làm rõ thay đổi tính chất vật lý hố học gỗ keo. .. độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo tai tượng q trình xử lý kiềm nóng Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hoá học gỗ keo lai q trình xử. .. Nghiên cứu thay đổi tính chất vật lý thành phần hóa học gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trình xử lý kiềm nóng 3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ kiềm đến thay đổi tính chất vật lý thành phần hố học gỗ keo (keo