Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu quy trình công nghệ thân thiện với môi trường tạo bột giấy từ thân cây ngô, bao gồm các công đoạn nấu, nghiền và trích ly kiềm. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.
Công nghi p r ng T O B T GI Y HI U SU T CAO T THÂN CÂY NGÔ S D NG XÚC TÁC N U THÂN THI N MÔI TR NG Nguy n Th Minh Nguy t TS Tr ng i h c Lâm nghi p TÓM T T Bài báo trình bày k t qu nghiên c u quy trình cơng ngh thân thi n mơi tr ng t o b t gi y t thân Ngô, bao g m công đo n n u, nghi n trích ly ki m D ch n u ch a hydropeoxit axit axetic b sung TiO2 B t gi y thu đ c sau x lý b ng ki m K t qu xác đ nh đ c u ki n n u thích h p 100oC vịng 120 phút, v i m c tiêu hao hóa ch t 3%H2O2, 3%CH3COOH 1% TiO so v i kh i l ng nguyên li u khô t đ i, trình trích ly ki m đ c ti n hành 100oC th i gian 60 phút Hi u su t b t gi y thu đ c đ t 65-66%, có hàm l ng lignin 12-13% Tính ch t c h c c a b t gi y thu đ c cho th y lo i b t phù h p làm nguyên li u s n xu t gi y carton, bao gói Ph ng pháp t o b t gi y đ c xem ph ng pháp hi u qu v m t kinh t mơi tr ng T khóa: B t gi y, d ch n u, gi y, ki m, lignin I TV N Nghiên c u công ngh ti t ki m n ng l ng, thân thi n môi tr ng t lâu v n đ b c thi t c a công nghi p gi y [1] Bên c nh đó, v n đ s d ng hi u qu ngu n tài nguyên thiên nhiên, nâng cao giá tr s n xu t nông nghi p nh ng v n đ c n đ c tr ng đ i v i n c nông nghi p phát tri n nh Vi t Nam Cùng v i g , lo i nguyên li u phi g , nh ph ph ph m, ph th i nông nghi p c ng đ c s d ng r ng rãi làm nguyên li u s n xu t b t gi y theo nhi u ph ng pháp khác [2,3] Trong s công ngh m i đ c nghiên c u g n đ i v i nguyên li u g , đáng ý v n đ s d ng hydropeoxit làm tác nhân tách lo i lignin [4] Tuy nhiên đ i v i nguyên li u g , thành ph n lignin có c u t o ph c t p, nên hi u qu tách lo i ch a cao [5] n c ta, s n xu t nông nghi p hàng n m t o thành hàng tri u t n ph ph ph m, ph th i sau thu ho ch, riêng thân Ngơ có th đ t vài tri u t n, v n ch a có ph ng th c t n d ng hi u qu , gây lãng phí khơng v n đ 78 v b o v môi tr ng s c kh e c ng đ ng Trong đó, hi n n c ta m i ch đáp ng đ c g n 50% nguyên li u b t gi y cho s n xu t lo i gi y, gi y carton, bao gói lo i s n ph m có nhu c u ngày t ng v i t c đ phát tri n c a công nghi p M c tiêu c a nghiên c u thi t l p đ c quy trình cơng ngh thân thi n môi tr ng, t o b t gi y hi u su t cao t thân ngô có th s d ng làm nguyên li u s n xu t gi y carton, bao gói, phù h p v i u ki n s n xu t Vi t Nam II V T LI U VÀ TH C NGHI M Nguyên li u đ c s d ng cho nghiên c u thân ngơ có thành ph n hóa h c c b n nh sau: hàm l ng xenluloza 40,7%; lignin 21,6%; pentozan 21%; đ tro 5,3%; hàm l ng ch t tan n c nóng 18,2%; hàm l ng ch t tan dung d ch NaOH 1%: 34,6% Quá trình t o b t gi y đ c ti n hành b ng thi t b chuyên d ng t i Phịng thí nghi m B mơn CN Xenluloza & Gi y, vi n K thu t Hóa h c, tr ng i h c Bách khoa Hà N i, theo s đ công ngh sau: T P CHÍ KHOA H C VÀ CƠNG NGH LÂM NGHI P S 2-2015 Công nghi p r ng Làm s ch Thân ngô Nghi n tinh X lý b ng dung d ch ki m R a B t h p cách Chú thích - Thân Ngơ đ c làm s ch đ t cát, b hong ph i khô, t o d m theo tiêu chu n (chi u dài 1,5 – 2cm, chi u dày 2mm) - N u b ng dung d ch hydropeoxit môi tr ng axit (b sung CH3COOH TiO2) nhi t đ 100 oC v i t l d ch: 1:14 th i gian n u 60-120 phút M c s d ng hóa ch t n u đ c u ch nh tùy thu c vào m c tiêu c a t ng th c nghi m - R a b t nghi n thô s d ng thi t b r a nghi n c a phịng thí nghi m - X lý b ng dung d ch NaOH (trích ly ki m) 100oC vòng 1-2h v i m c dùng NaOH 1-2% so v i nguyên li u khô t đ i (KT ) - Nghi n tinh r a b t: s d ng thi t b nghi n tinh hi n có c a phịng thí nghi m Các thơng s cơng ngh thích h p nh m c dùng hóa ch t, nhi t đ th i gian x lý đ c xác đ nh đ thi t l p quy trình cơng ngh phù h p III K T QU VÀ TH O LU N Trong trình t o b t gi y, hydropeoxit môi tr ng axit đ c s d ng làm tác nhân phân h y lignin, TiO2 đ c s d ng làm ch t xúc tác trình tách lo i lignin Cơng đo n x lý b t gi y b ng NaOH nh m m c đích trích ly lignin b phân h y kh i b t đ nâng cao ch t l ng b t gi y xác l p đ c ch đ cơng ngh thích h p, tác gi ti n hành nghiên c u xác l p T o d m theo quy cách N u Nghi n thơ R a giá tr thích h p c a thông s công ngh cơng đo n n u trích ly ki m i v i trình n u, k t qu kh o sát nh h ng c a y u t công ngh , bao g m h tác ch t H2O2-CH3COOH-TiO2, nhi t đ th i gian n u, t i hi u su t b t gi y hàm l ng lignin b t cho th y, tr ng h p x lý nguyên li u b ng n c nóng (cho hi u su t b t 77,5% v i hàm l ng lignin t ng ng 22,6%) ch có ch t tan n c b phân h y hòa tan tr ng thái đ c l p, tác ch t n u nêu có nh h ng r t nh t i hi u su t b t hàm l ng lignin b t C th , n u vòng 120 phút v i dung d ch c a t ng tác ch t riêng bi t, sau x lý b t b ng 1% NaOH 60 phút cho hi u su t b t 74,2-75,8% v i hàm l ng lignin b t t ng ng 18,4-20,6% Trong x lý nguyên li u b ng dung d ch c a tác ch t n u k t h p cho hi u qu tách lo i lignin rõ r t V i m c tiêu đ t hi u su t b t kho ng 65%, k t qu kh o sát nh h ng c a l ng hóa ch t n u t i hi u su t tính ch t c a b t (hình 1,2,3) cho th y, v i th i gian n u 120 phút m c dùng c đ nh c a hai thành ph n dung d ch n u, m c dùng c a tác nhân th ba s đ t m t “ng ng” bão hòa, t c t ng m c dùng cao h n giá tr “ng ng”, m c đ tách lo i lignin ho c không thay đ i ho c t ng không đáng k Nh ng giá tr “ng ng” có th xem giá tr thích h p đ i v i q trình t o b t gi y có hi u su t theo m c tiêu ban đ u T P CHÍ KHOA H C VÀ CƠNG NGH LÂM NGHI P S 2-2015 79 Công nghi p r ng % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 L Hi u su t b t Hình 01 nh h 10 ng H2O2 ,%so v i nguyên li u KT Lignin b t ng c a l ng H2O2 t i hi u su t tính ch t c a b t gi y (L ng tác ch t: 3%CH3COOH, 1% TiO2) % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 L 0.5 1.5 ng TiO2,% so v i nguyên li u KT Hi u su t b t Hình 02 nh h Lignin b t ng c a l ng TiO2 t i hi u su t tính ch t c a b t gi y (L ng tác ch t:3%H2O2, 3% CH3COOH) % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 L Hi u su t b t Hình 03 nh h 80 ng CH3COOH,% so v i nguyên li u KT Lignin b t ng c a l ng CH3 COOH t i hi u su t tính ch t c a b t gi y (L ng tác ch t: 3%H2O2, 1% TiO2) T P CHÍ KHOA H C VÀ CƠNG NGH LÂM NGHI P S 2-2015 Công nghi p r ng V ph ng di n hóa h c, môi tr ng axit, hydropeoxit t o thành ion HO+ ph n t oxi hóa m nh, song tính ch n l c th p, t c phân h y lignin, cịn có th gây nh h ng đ n thành ph n khác c a ngun li u, k c xenluloza Q trình oxi hóa phân h y lignin s di n m nh h n nh s thúc đ y c a ch t xúc tác So v i ch t xúc tác khác [6], tr ng h p dioxit titan m t ch t xúc tác t ng đ i hi u qu , k c ph ng di n tách lo i lignin, c v hi u qu kinh t Nh v y, c s phân tích nh h ng c a tác nhân n u t i hi u su t tính ch t c a b t gi y, v i m c tiêu trì m c tiêu hao H2O2≤3% so v i nguyên li u KT (đ đ m b o hi u qu kinh t s n xu t b t gi y ch t l ng th ng), có th xác đ nh đ c m t ch đ công ngh t o b t gi y thích h p nh sau: - N u: l ng tác ch t n u so v i nguyên li u khô t đ i: 3% H2O2, 3% CH3COOH, 1% TiO2 Nhi t đ x lý: 100oC, th i gian n u: 120 phút - Nghi n thơ: t i đ nghi n 20-25oSR; - Trích ly ki m sau n u: 1%NaOH, 100 oC, th i gian x lý: 60 phút - Nghi n tinh: t i đ nghi n ~40oSR; - R a b t, v t n c s y khô V i m t quy trình x lý nguyên li u k t h p nghi n trích ly ki m b t sau n u, có th thu đ c b t gi y hi u su t kho ng 64-65%, hàm l ng lignin b t 12-13% ý quy trình cơng ngh cho phép tách lo i t i 60% l ng lignin có nguyên li u ban đ u ki m tra tính hi u qu c a q trình s n xu t b t gi y, nghiên c u ti n hành kh o sát nh h ng c a th i gian n u, l ng ki m s d ng cho cơng đo n trích ly ki m th i gian x lý K t qu nghiên c u cho th y, có th t ng l ng ki m công đo n trích ly ki m đ thu b t có hàm l ng lignin th p h n, song l ng ki m v t 1,25% m c đ tách lo i lignin t ng không đáng k (ch đ t 11%), hi u su t b t gi m đáng k (ch ~61%) Nh v y v i quy trình n u l ng dùng 1% NaOH thích h p Thay đ i th i gian trích ly ki m c ng cho k t qu t ng đ ng T ng t , n u nhi t đ th p h n (70oC) v i th i gian n u kéo dài (180 phút) trích ly ki m v i m t l ng ki m song kéo dài th i gian (120 phút) c ng cho hi u su t b t tính ch t b t t ng đ ng Nh v y, có th nói đ thu đ c m t s n ph m m c tiêu, quy trình cơng ngh nêu cho phép áp d ng nh ng u ki n th c ti n có th u ch nh Phân tích so sánh tính ch t c lý h c c a b t gi y hi u su t cao t thân ngô v i m t s lo i b t gi y khác (b ng 1) cho th y b t hi u su t cao t thân Ngơ có ch s đ b n c h c t ng đ ng b t gi y ph li u hòm h p carton c (OCC) b t gi y c ng t nguyên li u thân Ngô s n xu t b ng ph ng pháp ki m l nh truy n th ng ph bi n v i l ng dùng NaOH 10% so v i nguyên li u KT V i tính ch t nh v y, lo i b t gi y hoàn toàn phù h p làm nguyên li u s n xu t gi y carton, bao gói cơng nghi p B ng 01 Tính ch t c a m t s lo i b t gi y nghi n, SR Lo i b t TT nh l ng, (g/m2) Ch s đ b n c h c Chi u dài đ t, m Ch s xé, mN.m2 /g Ch s b c, kPa.m2/g B t hi u su t cao t thân ngô Ki m l nh thân ngô B t OCC 40 87 3670 4,38 1,57 B t gi y t t p chí c 60 70 3330 7,40 1,86 B t bán hóa g d 36 70 5000 6,50 2,70 ng 40 77 3980 3,99 1,62 40 80 4670 3,38 1,91 Trích ngu n t ng h p k t qu nghiên c u c a Vi n công nghi p gi y xenluylo T P CHÍ KHOA H C VÀ CƠNG NGH LÂM NGHI P S 2-2015 81 Cơng nghi p r ng IV K T LU N Bài báo xác đ nh đ c quy trình cơng ngh m i s n xu t b t gi y hi u su t cao t thân Ngô, s d ng tác nhân thân thi n môi tr ng, ti t ki m n ng l ng, ch s TS, COD, BOD c a n c th i th p h n so v i ph ng pháp ki m l nh truy n th ng B t gi y có ch t l ng t ng đ ng b t gi y ph li u OCC, có th dùng làm nguyên li u s n xu t gi y carton, bao gói TÀI LI U THAM KH O 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 Ng i ph n bi n Ngày nh n Ngày ph n bi n Ngày quy t đ nh đ ng : : : : PGS.TS Cao Qu c An 29/3/2015 04/5/2015 09/6/2015 , 82 T P CHÍ KHOA H C VÀ CÔNG NGH LÂM NGHI P S 2-2015 ... ch t xúc tác So v i ch t xúc tác khác [6], tr ng h p dioxit titan m t ch t xúc tác t ng đ i hi u qu , k c ph ng di n tách lo i lignin, c v hi u qu kinh t Nh v y, c s phân tích nh h ng c a tác. .. t cao t thân ngô v i m t s lo i b t gi y khác (b ng 1) cho th y b t hi u su t cao t thân Ngơ có ch s đ b n c h c t ng đ ng b t gi y ph li u hòm h p carton c (OCC) b t gi y c ng t nguyên li u thân. .. N Bài báo xác đ nh đ c quy trình cơng ngh m i s n xu t b t gi y hi u su t cao t thân Ngô, s d ng tác nhân thân thi n môi tr ng, ti t ki m n ng l ng, ch s TS, COD, BOD c a n c th i th p h n so