Nghiên cứu sử dụng thân cây Ngô (phế liệu nông nghiệp) làm nguyên liệu sản xuất bột giấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - NGUYỄN THỊ LOAN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THÂN CÂY NGÔ (PHẾ LIỆU NÔNG NGHIỆP) LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BỘT GIẤY LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - NGUYỄN THỊ LOAN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THÂN CÂY NGÔ (PHẾ LIỆU NÔNG NGHIỆP) LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BỘT GIẤY Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị công nghệ gỗ, giấy Mã số: 60.52.24 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT Hà Nội, 2011 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, việc đầu tư phát triển nguyên liệu bột giấy nước chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng Mức tiêu thụ giấy bình quân đầu người Việt Nam năm 2000 kg/người/năm, năm 2004 13 kg/người/năm Theo dự báo, mức tiêu thụ giấy bình quân đầu người/năm Việt Nam năm 2010 2020 ước đạt 22,5 33,5 kg (bản công bố thông tin Công ty Cổ phần Giấy Tân Mai) Hiện Việt Nam phải nhập khoảng 60% bột sản xuất giấy theo phương pháp hoá học.Thực tế nguồn nguyên liệu gỗ cung cấp cho ngành công nghệ sản xuất giấy - bột giấy bị cạn kiệt Do đó, lồi ngun liệu phi gỗ dùng cho sản xuất bột giấy đối tượng nghiên cứu ưu tiên hàng đầu nhằm tạo loại hình cơng nghệ chế biến bột giấy phù hợp, đơn giản có tính khả thi cao thực tế sản xuất công nghiệp.Việc sử dụng nguyên liệu phi gỗ Việt Nam để sản xuất bột giấy cho phép tận dụng mạnh nguyên liệu sẵn có canh tác ngắn ngày Do phá rừng lấy nguyên liệu nên công nghệ sản xuất bột giấy từ nguyên liệu phi gỗ giải pháp tận dụng nguyên liệu, giúp hạn chế gây ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó, việc sử dụng dây chuyền sản xuất bột giấy cao cấp từ nguyên liệu phi gỗ quy mô công suất nhỏ cho phép lắp đặt rải rác theo địa phương, tuỳ theo vùng nguyên liệu Đầu sản phẩm bột giấy chất lượng cao, cung cấp cho thị trường nước Ở số nước giới Trung Quốc sử dụng tới 56% nguồn nguyên liệu phi gỗ để cung cấp cho ngành sản xuất giấy – bột giấy Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu phi gỗ (phế liệu nông nghiệp, cao lương) làm nguyên liệu ngành công nghệ sản xuất giấy - bột giấy nhà khoa học đặc biệt quan tâm, đẩy mạnh nghiên cứu Chính vậy, tơi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sử dụng thân Ngô (phế liệu nông nghiệp) làm nguyên liệu sản xuất bột giấy” Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan ngành công nghiệp giấy 1.1.1 Trên giới Thời cổ xưa chưa có giấy người ghi chép khắc vào vỏ dưa khắc vào tre non ngâm vôi để viết Khi loài người phát triển nhu cầu cần lưu trữ, ghi chép lớn Nên ngành giấy đời xuất Trung Quốc Năm 105 trước công nguyên giấy sản xuất khơng có gia keo, nên phải sử dụng mực đặc biệt để viết, sau người ta bổ sung chất Glufalin thạch cao vào bột giấy Từ kỷ XIV họ bắt đầu gia keo giấy tinh bột gạo Từ nước Ả Rập kiến thức giấy lan truyền rộng rãi, kiến thức đến Địa Trung Hải vào khoảng 1000 năm trước công nguyên Đến kỉ XIV giấy sản xuất Đức, kỉ XVI giấy sản xuất Thụy Điển Máy in chữ đời vào kỉ XV Do yêu cầu giấy tăng lên Dẻ rách dùng làm nguyên liệu thô, nguyên liệu sử dụng với nước tạo thành bột giấy Q trình địi hỏi nhiều thời gian Đến kỉ XVIII Hà Lan người ta bắt đầu dùng dao trình xé tơi Gọi máy máy nghiền Trong lúc có nhiều thiết bị phát minh vào năm 1494 Cuộn giấy nhà máy giấy Thụy Điển sản xuất Klippan Vào năm 1799 máy xeo giấy lắp đặt ông Rober người pháp Năm 1808 máy xeo lưới trịn có trục phát minh Vào năm 1840 người Đức tên Keller tìm thấy thớ sợi để làm giấy, lấy cách mài gỗ viên đá mài, đồng nghiệp ông Ulter phát minh máy mài gỗ để thu xơ sợi dùng để sản xuất mở hướng sử dụng cho loại nguyên liệu Năm 1859 Đức có máy mài gỗ, giấy sản xuất từ gỗ mài có độ bền khơng cao, nhanh ố vàng Do người ta bắt đầu nghiên cứu phương pháp hóa học để nâng cao chất lượng giấy Đến năm 1860 xuất sản xuất bột giấy phương pháp hóa học Ở Thụy Điển sản xuất phương pháp sunphit Khởi điểm phương pháp nấu kiềm mang tính cơng nghiệp xem thời điểm năm 1851, nhà người Mỹ Watt Bardgess nhận quyền cho phương pháp sản xuất Cellulose từ gỗ cách nấu với dung dịch soda Ngay sau việc sử dụng xút (NaOH) để nấu bột từ gỗ loại thân thảo bắt đầu vào năm 1853-1854 Ban đầu người ta thường sử dụng Na2CO3 để bù cho lượng kiềm tiêu hao Năm 1866, phương pháp nấu sunphit đời Sau đó, năm 1874, phương pháp nấu Sunphat phát minh ông Davit Kman (Thụy Điển) Năm 1879 kỹ sư người Đức Dalh đưa sáng kiến sử dụng Na2SO4 chu trình thu hồi kiềm thay cho soda Nhờ đó, dịch nấu thu ngồi NaOH chứa lượng Na2S đáng kể, hợp chất nâng cao hiệu suất chất lượng bột thu Phương pháp có tên nấu sunphat Từ đến nay, nấu kiềm, mà chủ yếu nấu sunphat trở thành công nghệ sản xuất bột Cellulose phổ biến Hiện nay, hàng năm bột sunphat chiếm 60% tổng lượng bột Cellulose sản xuất Phương pháp sunphat phương pháp sản xuất có hiệu kinh tế cao, cho phép sử dụng tất loại nguyên liệu khác nhau, kể loại nguyên liệu có hàm lượng nhựa cao sản xuất bột chất lượng cao Bảng 1.1 Quy mô trung bình doanh nghiệp sản xuất bột giấy giấy [5] NƯỚC, KHU VỰC Quy mô công suất (tấn/nhà máy/năm) Nhà máy bột giấy Nhà máy giấy Indonesia 370.000 136.000 Nhật Bản 353.000 72.000 Bắc Mỹ (Mỹ, Canada) 320.000 188.000 Trung Quốc 4.000 7.400 Thái Lan 159.000 83.000 Malaysia 145.000 65.000 Philippin 78.300 208.000 Việt Nam 4.740 4.880 Sản lượng bột giấy toàn giới năm 1989 [40] 160 triệu tấn, 92% nguyên liệu để sản xuất bột gỗ Phần lại, khoảng 12,8% triệu nguyên liệu phi gỗ, chủ yếu rơm rạ, bã mía, tre nứa loại cỏ lau, 90% lượng bột giấy từ nguyên liệu phi gỗ sản xuất nước phát triển Công nghiệp giấy phần công nghiệp nhẹ Trung Quốc nhu cầu sử dụng giấy năm 1980 10 kg/người/năm, năm 2000 xấp xỉ 30 kg/người/năm Đầu tư công nghiệp giấy Trung Quốc bùng nổ giai đoạn 1997 – 1999 Nhà máy Asia pulp & Paper thuộc Tỉnh Giang Tơ cơng suất 440.000 tấn/năm giấy in, viết, có tráng 360.000 tấn/năm giấy in, viết không tráng từ nguyên liệu phi gỗ April Changshu, tỉnh Giang Tô công suất 330.000 tấn/năm giấy in, viết không tráng từ nguyên liệu phi gỗ, máy xeo lưới rộng 9,4 m Valmet cung cấp, khởi chạy vào đầu năm 1999 Shangdong Chenming Paper Mill công suất 110.000 tấn/năm giấy in, viết có tráng khơng tráng từ ngun liệu phi gỗ, máy xeo khổ lưới rộng 5,1 m Valmet cung cấp, khởi chạy vào năm 1998 Dây chuyền sử dụng phần lớn bột rơm rạ, lúa mỳ Bảng 1.2 Cơ cấu nguyên liệu thô cho sản xuất giấy Trung Quốc, 1998 [40] Nguyên liệu Bột gỗ Bột phi gỗ 1000 Tỷ lệ % Sản xuất nước 2.653 9.7 Nhập 1.542 5.6 Rơm rạ lúa mỳ 8.500 31.5 Lau sậy 1.060 3.9 Bã mía 384 1.4 1.020 3.8 760 2.8 Bông gai lanh Khác 1.1.2 Ở Việt Nam Ở Việt Nam ngành giấy xuất cách 1000 năm Dưới chế độ cũ ngành giấy bị kìm kẹp sản xuất giấy màu để phục vụ ma chay cúng bái Sau cách mạng tháng tám Đảng nhà nước quan tâm phát triển ngành giấy Đã có nhiều nhà máy giấy đời nhà máy Thái Ngun, Hồng Văn Thụ có cơng suất 4000 năm chủ yếu nhà máy sản xuất giấy bao gói Năm 1960 Trung Quốc giúp ta xây dựng nhà máy giấy Việt Trì sử dụng máy nghiền Hà Lan Máy xeo dài có thu hồi kiềm khơng sản xuất có cơng suất 2000 năm, chủ yếu sản xuất giấy viết, giấy đánh máy Nhà máy giấy Vạn Điểm cạnh nhà máy sản xuất Đường dùng nguyên liệu bã mía Được viện trợ Thụy Điển năm 1980 nhà máy giấy Bãi Bằng thành lập, nhà máy sản xuất theo dây chuyền đại Nấu gián tiếp nồi nấu đứng, tháp tẩy liên tục sản xuất 190 bột/ngày có thu hồi kiềm sản xuất Hai máy xeo lưới đơi liên tục có cơng suất 55000 tấn/năm sản xuất giấy in, bìa carton Ở Việt Trì, Thái Bình, Hải Phịng, Thanh Hóa sử dụng ngun liệu địa phương Tre, Nứa, Rơm rạ Ở miền Nam có nhà máy lớn Biên Hịa tỉnh Đồng Nai sản xuất 2000 tấn/năm, nấu nồi nấu hình cầu, máy xeo lưới sản xuất giấy viết học sinh, giấy in báo,… Ngày giấy trở thành nhu cầu thiếu người, cần lĩnh vực hoạt động người Từ chỗ ban đầu mảnh thô làm từ vỏ cây, đến chủng loại giấy lên đến số hàng trăm, từ chỗ phiên quí đời sống, đến mức sử dụng giấy bình quân giới đạt 50kg/đầu người Cùng với việc mở rộng nguồn nguyên liệu làm giấy phát triển không ngừng kỹ nghệ, công nghệ, trang thiết bị sản xuất Cuối kỷ 20 giới có khoảng 5900 nhà máy bột giấy với tổng công suất gần 220 triệu tấn/năm, 8830 nhà máy sản xuất giấy carton loại, tổng công suất 350 triệu tấn/năm Các vùng trọng điểm công nghiệp giấy bột giấy giới: vùng Bắc Mỹ, Bắc Âu, Tây Âu, Trung Quốc, Nhật Bản Sự phát triển công nghiệp giấy bột giấy giới ảnh hưởng trực tiếp đến công nghiệp Việt Nam Mấy thập kỷ qua xem thời kỳ đổi (1986-2006) đất nước mà ngành giấy khơng phải ngoại trừ Đó thời kỳ phát triển rực rỡ ngành giấy Sự đời nhà máy giấy Bãi Bằng (1982) có qui mơ lớn nước, với cơng suất ban đầu 55000 giấy in viết/năm, nhà máy phát triển lên thành 100.000 giấy/năm, 60.000 bột giấy/năm, tương lai tiếp tục phát triển lên 250 bột/năm Nhà máy giấy Tân Mai với dây truyền sản xuất bột công suất 40000 bột/năm, để sản xuất loại giấy in báo Tại Việt Nam lần có nhà máy sản xuất giấy bao gói có tráng phủ cơng suất 35000 giấy/năm cơng ty giấy Việt Trì Ngồi cịn nhiều doanh nghiệp sản xuất giấy bột giấy nằm rải rác khắp nước Theo số liệu tổng công ty giấy Việt Nam, tốc độ tăng trưởng sản xuất giấy hàng năm nước ta khoảng 15-16%, từ 80000 lên 824000 tấn/năm (trong 20 năm gần đây) Hiện ngành giấy thoả mãn nhu cầu tiêu dùng loại giấy chủ yếu, đáp ứng 98% nhu cầu giấy in giấy viết, 73% nhu cầu giấy in báo, gần 97% nhu cầu giấy vệ sinh, khăn giấy gần 60% nhu cầu giấy làm bao bì Tuy nhiên, ngành giấy đáp ứng 5,7% giấy tráng phấn, 76,3% nhu cầu giấy làm lớp mặt Các doanh nghiệp giấy bột giấy Việt Nam có phát triển hài hoà cân đối Trong doanh nghiệp nhà nước tập trung đầu tư sản xuất mặt hàng đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu tư lớn, bột tẩy trắng, loại giấy chất lượng cao; doanh nghiệp tư nhân tập trung đầu tư vào mặt hàng dễ sản xuất, vốn đầu tư thấp, thiết bị đơn giản (giấy viết giấy vệ sinh, khăn giấy cấp thấp) Nhược điểm ngành giấy Việt Nam phát triển chưa bền vững, chưa hấp dẫn nhà đầu tư nước ngoài, bị lệ thuộc vào nguồn bột giấy nước cơng nghiệp bột giấy cịn chưa trọng phát triển Sức cạnh tranh ngành yếu so với nước khu vực Trình độ cơng nghệ ngành mức trung bình so với giới Phần lớn nhân lực ngành chưa đào tạo chuyên nghiệp Sự kết hợp lực ngành yếu Năm 2009, tồn ngành giấy gặp nhiều khó khăn khủng hoảng kinh tế, khó khăn lớn nhu cầu giấy tiêu dùng không cao thiếu vốn sản xuất Ngồi ra, ngành giấy cịn gặp phải cạnh tranh gay gắt với giấy nhập có khả cạnh tranh cao hơn, giá Nhập giấy in báo tăng 22,15%, sản xuất nước giảm 66%; nhập giấy in viết tăng 59% sản xuất nước giảm Năm 2009, sản lượng giấy đạt 1.138.000 tấn, tăng 2% nhập giấy tăng 13,39% tiêu dùng giấy tăng 10,54% so với năm 2008 Mặc dù, suy giảm kinh tế ảnh hưởng lớn tới ngành giấy Việt Nam từ quý IV/2008 năm 2009, hầu hết dự án tiếp tục thực hiện, có co giãn tiến độ song nhiều dự án thực năm 2009 Chỉ tính dự án đưa vào sản xuất ngành tăng thêm 445.000 tấn, tăng 17,4% so với năm 2008, có hai dự án lớn với thiết bị giới: Kraft Vina (220.000 tấn/năm giấy testliner giấy lớp tơng sóng) giấy pulppy Corelex (30.000 tấn/năm giấy tissue) Đáng ý dự án doanh nhân nước, công suất máy xeo thấp 20.000 tấn/năm Nhiều máy xeo có quy mơ 30.000÷ 60.000 tấn/năm Năm 2010, doanh nghiệp sản xuất giấy tiếp tục gặp nhiều khó khăn giá số loại vật tư, nhiên liệu đầu vào có xu hướng tăng cao, ảnh hưởng đến giá thành sản xuất, làm cho giá giấy không ổn định Đặc biệt, xuất nhiều vụ làm giả sản phẩm giấy có thương hiệu, chất lượng cao, ảnh hưởng đến uy tín số doanh nghiệp sản xuất giấy lớn Trong năm, số nhà máy sản xuất giấy vào hoạt động, góp phần tăng sản lượng giấy sản xuất nước, ước sản lượng giấy sản xuất năm đạt 1,85 triệu tấn, tăng 9,7% so với năm 2009, chủ yếu giấy in, giấy viết giấy làm bao bì Năm 2010, nhập giấy Việt Nam giảm dần tất loại giấy kể giấy tráng phấn, khả sản xuất công ty giấy Việt Nam tăng lên, chất lượng giấy ngày cải thiện Những mặt hàng lâu Việt Nam phải nhập (giấy làm bao bì cơng nghiệp, giấy tissue) dần thay sản phẩm nội địa Bảng 1.3 Dự báo lượng bột giấy tiêu dùng Việt Nam [5] Loại bột Năm 2008 2009 2010 Sản xuất 335.000 300.000 385.000 Bột Kraft gỗ cứng tẩy trắng 100.000 100.000 120.000 Bột Kraft gỗ cứng không tẩy 110.000 130.000 140.000 Bột hóa nhiệt 40.000 35.000 40.000 Bột bán hóa 85.000 85.000 85.000 Nhập 197.000 110.000 110.000 24.079 1.000 1.000 587 800 1.000 Bột Kraft gỗ cứng tẩy trắng 85.915 80.000 106.175 Bột Kraft gỗ cứng không tẩy 6.195 8.000 5.000 20.000 10.000 20.000 Bột Kraft gỗ mềm tẩy trắng Bột Kraft gỗ mềm khơng tẩy Bột hóa nhiệt Dự báo năm 2011, nhập giấy vào Việt Nam tiếp tục giảm nhẹ Các dự án đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bột giấy chậm vào hoạt động (Nhà máy bột giấy An Hoà, Nhà máy bột giấy Phương Nam ) làm cho tình hình cân đối sản xuất bột giấy chưa cải thiện năm 2010 Hiện nay, nhiều dự án đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất giấy bột giấy triển khai xây dựng Như dự án nhà máy bột giấy Tân Mai - Kon Tum, dự án nhà máy bột giấy Tân Mai - Quảng Ngãi, nhà máy bột giấy Tân Mai - Lâm Đồng, góp phần làm tăng sản lượng giấy giai đoạn tới Công tác trồng rừng nguyên liệu giấy tiếp tục gặp nhiều khó khăn hạn hán, gió bão, sâu bệnh gây thiệt hại cho cơng ty lâm nghiệp Bên cạnh đó, ngành cịn gặp khó khăn việc vay vốn, việc cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất cho số công ty lâm nghiệp, việc tranh chấp, lấn chiếm đất đai canh tác, gây nhiều trở ngại cho việc phát triển vùng nguyên liệu Ngày 30-1-2007 Bộ Công nghiệp phê duyệt Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp giấy Việt Nam đến năm 2010 tầm nhìn 2020 nhằm xây dựng ngành công nghiệp giấy Việt Nam với cơng nghệ đại Hình thành khu vực sản xuất giấy, bột giấy tập trung với công suất đủ lớn, đáp ứng nhu cầu nước xuất Đến năm 2020, đáp ứng 70% nhu cầu tiêu dùng nước, đẩy mạnh xuất mặt hàng giấy, tạo cạnh tranh với thị trường khu vực quốc tế; xây dựng vùng nguyên liệu giấy tập trung nhằm đáp ứng đủ nhu cầu nguyên liệu để cung cấp cho sản xuất 600.000 bột giấy vào năm 2010 1.800.000 vào năm 2020, tạo điều kiện để xây dựng nhà máy chế biến bột giấy tập trung, quy mô lớn Để đáp ứng nhu cầu này, cần phải đổi công nghệ, áp dụng công nghệ phù hợp doanh nghiệp vừa nhỏ kết hợp cải tạo nâng cấp, đầu tư theo chiều sâu, ứng dụng công nghệ tiên tiến hơn, phù hợp với điều kiện dây chuyền Đối với dự án đầu tư mới, phải đầu tư dự án nhà máy sản xuất bột giấy có cơng suất lớn với công nghệ tiên tiến, thiết bị đại, quy trình cơng nghệ khép kín, đáp ứng điều kiện tiêu kinh tế bảo vệ 68 Mặt khác, chất trình nấu bột loại bỏ lignin tránh đến mức thấp phân giải hemicellulose cellulose Khi nhiệt độ thời gian nấu tăng khả phân hủy lignin mạnh, đồng thời phá hủy polysacarit tăng Khi hàm lượng lignin bột cịn khoảng 10% trở nên bền vững khó bị phân hủy chủ yếu phản ứng phân hủy polysacarit Đồng thời có tượng lignin ngưng kết lên xơ sợi, bám lên sợi Cellulose Chính vậy, hiệu suất bột tăng lên nhiệt độ, thời gian mức dùng kiềm tăng 4.4.2 Phương pháp nấu sunphat Căn vào hiệu suất, tỷ lệ dăm sống màu sắc bột thu từ phương pháp nấu xút Tôi thực nấu khảo sát nguyên liệu thân ngô phương pháp sunphat với chế độ sau: Nhiệt độ bảo ôn 1600C, thời gian tăng ôn 90 phút, thời gian bảo ôn 90 phút, mức dùng kiềm 16%, độ sunphua 25, tỷ dịch 1/10 Kết hiệu suất bột thu ghi bảng 4.8 Bảng 4.8: So sánh hiệu suất bột phương pháp sunphat phương pháp xút Phương pháp nấu Nhiệt độ (0C) Thời gian (phút) Mức dùng kiềm (%) Sunphat 160 90 16 Xút 160 90 16 Độ sunphua Hiệu suất bột tinh Tỷ lệ dăm sống (%) 25 43,18 40,15 Từ bảng 4.8: Ta thấy hiệu suất bột phương pháp sunphat 43,18%; hiệu suất phương pháp nấu xút 40,15 % Như vậy, với thông số chế độ nấu phương pháp nấu sunphat cho hiệu suất cao Điều giải thích sau: Do dịch nấu phương pháp nấu sunphat có thêm ionsulfate (S2-) ion Hydro sulfua (HS-) so với nấu xút Sự có mặt (S2-) (HS-) dịch nấu hạn chế nhiều khả ngưng tụ lignin, tăng cường khả hòa tan 69 lignin vào dịch nấu có tác dụng tăng cường phản ứng làm ổn định mạch phân tử polysacarit trình nấu kiềm 4.4.3 Phương pháp nấu xút có bổ sung xúc tác 4.4.3.1 Khảo sát chế độ nấu Trước tiến hành nấu phương pháp xút có bổ sung xúc tác Tôi tiến hành nấu khảo sát số chế độ nấu phương pháp xút với biến đổi nhiệt độ bảo ôn Từ kết bột thu làm sở để tìm chế độ nấu xúc tác hợp lý Kết nghiên cứu ghi bảng 4.9 Bảng 4.9: Hiệu suất bột thu sau nấu khảo nghiệm TT Nhiệt độ (0C) Thời gian (phút) Mức dùng kiềm (%) Hiệu suất bột thô (%) Hiệu suất bột tinh (%) Tỷ lệ dăm sống (%) 60 60 20 33,05 24,58 8,47 80 60 20 37,97 33,83 4,14 90 60 20 36,34 35,13 1,21 100 60 20 43,88 44,16 0,28 Từ kết bảng 4.9 ta thấy với thời gian bảo ôn 60 phút, nhiệt độ nấu 800C, tỷ dịch 1/10, mức dùng kiềm 20% chế độ nấu thích hợp để ta khảo sát mức dùng chất xúc tác chế độ tỷ lệ dăm sống phù hợp 4.4.3.2 Ảnh hưởng mức dùng xúc tác đến hiệu suất bột Sau lựa chọn chế độ nấu phần trên, đề tài tiến hành khảo sát ảnh hưởng mức dùng chất xúc tác Anthraquinone với mức dùng sau: 0,2%; 0,4%; 0,6% so với nguyên liệu khô tuyệt đối Kết nghiên cứu ghi bảng 4.10 70 Bảng 4.10: Ảnh hưởng mức dùng chất xúc tác đến hiệu suất bột TT Nhiệt độ (0C) Thời gian (phút) Mức dùng kiềm (%) Mức dùng xúc tác Hiệu suất bột tinh (%) Tỷ lệ dăm sống (%) (%) 80 60 20 33,83 4,14 80 60 20 0,2 42,36 80 60 20 0,4 51,32 80 60 20 0,6 54,84 Biểu đồ 4.4: Ảnh hưởng mức dùng xúc tác đến hiệu suất bột Qua kết cho thấy: Hiệu suất bột đạt giá trị lớn (54,84%) mức dùng chất xúc tác 0,6% Với mức dùng chất xúc tác nhỏ 0,6% hiệu suất bột có xu hướng giảm xuống Đặc biệt ta dễ nhận thấy rằng: ta không dùng chất xúc tác bột thu lượng dăm sống lớn (tỷ lệ dăm sống 4,14%) ta dùng lượng nhỏ anthraquinone bột thu chín đều, khơng cịn dăm sống đồng thời hiệu suất bột cao Điều giải thích sau: Q trình nấu bột chủ yếu trình loại bỏ lignin, bên cạnh kèm theo phần phân giải cellulose hemicellulose Trong trình nấu thêm chất xúc tác, chất xúc tác thúc đẩy phản ứng lignin với dịch nấu nhanh làm cho bột chín đồng thời phần làm giảm bớt phân 71 hủy cellulose hemicellulose anthraquinone có tính hồn ngun có tác dụng bảo vệ cellulose Athraquinone (AQ) tiến hành ơxy hố gốc carbohydrate có tính hồn ngun thành gốc acid đường, để ức chế phản ứng bóc tách, AQ thân AQ hoàn nguyên thành AHQ (Hydro Athraquinone), sau phản ứng với lignin, làm cho liên kết β-eter dạng phenol bị cắt đứt, tạo thành miếng lignin vụn hoà tan dịch nấu; sau phản ứng AHQ lại biến thành AQ, tiếp tục tác dụng ơxy hố carbohydrate Cứ hình thành vịng tuần hồn ơxy hố – hồn ngun Do AQ có khả xúc tiến q trình tách lignin lớp màng vách tế bào, từ rút ngắn thời gian nấu bột) Căn vào kết nấu bột giấy thu như: Hiệu suất, tỷ lệ dăm sống, màu sắc bột Tôi mạnh dạn lựa chọn số chế độ nấu để tiến hành xác định tính chất lý hàm lượng lignin lại bột Bảng 4.11: Lựa chọn chế độ nấu bột giấy từ thân ngô Phương pháp nấu Các thông số Xút Sunphat Nhiệt độ bảo ôn (0C) 160 160 160 80 160 Thời gian bảo ôn (phút) 60 60 90 60 90 Thời gian tăng ôn (phút) 90 90 90 Tỷ lệ dịch 1/10 1/10 1/10 1/10 1/10 Mức dùng kiềm (%) 16 18 16 20 16 90 Độ sunphua 25 Mức dùng xúc tác (%) Kí hiệu mẫu bột 0,4 72 4.5 Tính chất lý bột giấy từ thân ngô Bột giấy sau nấu theo chế độ bảng 4.11 Bột giấy kiểm tra số tính chất lý độ bền kéo, độ bền xé, độ bền bục tại, phịng thí nghiệm thuộc Nhà máy Giấy Bãi Bằng Thí nghiệm hàm lượng lignin lại bột thực Trường Đại học Lâm Nghiệp Kết ghi bảng 4.12 Bảng 4.12: Tính chất lý bột Ngô T T Chế độ nấu Nhiệt độ (0C) Thời gian (phút) Mức dùng kiềm (%) Phương pháp nấu Hàm lượng lignin (%) Hiệu suất bột (%) Độ bền kéo Độ bền Xé Độ bền bục (m) (mN m2/g) (Kpa m2/g) 160 60 16 Xút 6,39 39,37 7690 5,8 5,0 160 60 18 Xút 5,12 40,59 7190 5,9 5,2 160 160 90 Xút Sunphat 4,02 3,95 40,15 43,18 6280 6280 5,5 6,5 4,3 4,7 80 80 Xút xúc tác 7,24 51,32 7080 6,5 4,5 16 90 16 20 Bảng 4.13: Các tiêu cho bột giấy sử dụng sản xuất carton Chỉ tiêu TT Bột giấy cho sản xuất carton Kappa bột chưa tẩy ≤ 35 Độ trắng bột chưa tẩy (ISO) ≥ 13 Độ nhớt (ml.g-1) Mật độ (g/cm2) ≥ 0,3 Cường độ chịu bục (Kpa.m2.g-1) ≥ 2,0 Cường độ chịu xé m.N.m2.g-1) Độ bền chịu kéo (N.m.g-1) ≥ 1000 ≥ 14,0 ≥ 40 73 So sánh kết bảng 4.12 với bảng 4.13 4.14 ta khẳng định nguyên liệu thân ngô sau thu hoạch bắp phù hợp cho công nghệ sản xuất giấy carton, giấy tẩy trắng 4.6 Đánh giá sơ chất lượng bột giấy Bột giấy nấu phương pháp xút khoảng nhiệt độ từ 150 ÷ 1700C, khoảng thời gian 60 ÷120, lượng hóa chất sử dụng từ 16 ÷ 20% ngun liệu phân ly hồn tồn thành bột, khơng có dăm sống, màu sắc bột sáng nhiệt độ nấu lượng hóa chất sử dụng tăng lên Bột giấy nấu phương pháp sunphat sáng màu so với phương pháp xút với nhiệt độ thời gian nấu Bột giấy nấu phương pháp xút có bổ sung xúc tác, với mức sử dụng xúc tác khoảng 0,2 ÷ 0,6% so với nguyên liệu khô tuyệt đối; nguyên liệu phân ly hồn tồn thành bột, khơng có dăm sống, bột có màu vàng nhạt Mẫu Mẫu2 Mẫu Mẫu Hình 4.6 Sản phẩm bột giấy từ thân ngô nấu theo chế độ lựa chọn 74 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Từ kết nghiên cứu, rút số kết luận sau: Cấu tạo thô đại hiển vi thân ngơ có đặc điểm chung với nguyên liệu thực vật thân thảo, thuộc lớp mầm ngành thực vật hạt kín, Độ thon sợi phần gốc 125 phần 62,5; có lợi cho q trình sử dụng đặc biệt công nghệ sản xuất giấy – bột giấy, Hàm lượng cellulose thân ngô 39,66% tương đương với số loại nguyên liệu phi gỗ, tiêu quan trọng làm sở để lựa chọn nguyên liệu lĩnh vực chế biến lâm sản, đặc biệt công nghệ sản xuất bột giấy, Hàm lượng lignin thân ngơ 17,63% khơng lớn, gây trở ngại cho q trình gia cơng chế biến, đặc biệt sản xuất giấy bột giấy, Hàm lượng chất chiết suất thân ngơ tương đối cao Vì vậy, loại nguyên liệu dễ bị phá hoại nấm mốc trùng, để sử dụng hiệu loại nguyên liệu cần xây dựng phương án bảo quản nguyên liệu hợp lý, Từ kết nghiên cứu thăm dị, lựa chọn số chế độ nấu phù hợp cho nguyên liệu thân ngô sau: Phương pháp nấu Các thông số Xút Sunphat Nhiệt độ bảo ôn (0C) 160 160 160 80 160 Thời gian bảo ôn (phút) 60 60 90 60 90 Thời gian tăng ôn (phút) 90 90 90 Tỷ lệ dịch 1/10 1/10 1/10 1/10 1/10 Mức dùng kiềm (%) 16 18 16 20 16 90 Độ sunphua Mức dùng xúc tác (%) 25 0,4 75 5.2 Tồn Với số liệu có, đề tài chưa thể kết luận xác ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian mức dùng kiềm đến hiệu suất bột giấy từ thân ngô nấu phương pháp xút Đề tài chưa xác định tính chất bột giấy sau nấu như: số Kappa, độ trắng bột, hàm lượng tro, hàm lượng α – Cellulose 5.3 Kiến nghị Xác định số Kappa, độ trắng, hàm lượng tro, bột sau nấu Nghiên cứu tẩy trắng bột giấy từ thân ngơ để sản xuất giấy có chất lượng cao như: giấy in, giấy viết Nghiên cứu ảnh hưởng mức dùng chất xúc tác cấp nhiệt độ thời gian khác Nghiên cứu quy trình bảo quản thân ngơ cho ngun liệu sản xuất bột giấy Nghiên cứu xử lý dịch đen sau nấu bột giấy 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Cao Quốc An, Nguyễn Thị Minh Nguyệt (2005), Nguyên lý kỹ thuật sản xuất bột giấy, Tài liệu dịch, Nxb Công nghiệp nhẹ Trung Quốc Đỗ Quang Bình (2003), Nghiên cứu ảnh hưởng mức dùng hóa chất đến hiệu suất bột, trị số kappa, tàn kiềm, độ bền lý bột thu sau nấu điềm trúc theo phương pháp sunfat Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội Nguyễn Thị Châu (2008), Nghiên cứu cấu tạo thành phần hóa học cỏ voi lai, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội Nguyễn Huệ Chi (2000), “Nấu hỗn hợp Amoniac – sunfit – rượu: Cơ sở công nghệ đầy triển vọng chế biến nguyên liệu phi gỗ”, Tạp chí công nghiệp giấy (2), tr 23 - 24 Lê Quang Diễn (2007), Công nghệ sản xuất bột giấy, Tài liệu giảng dạy dành cho lớp chun mơn hóa, Trường Đại học lâm Nghiệp Dương Thị Kim Dung (2011), Nghiên cứu nấu bột giấy từ nguyên liệu rơm rạ phương pháp sunfit trung tính có bổ sung xúc tác, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội Nguyễn Việt Dũng (2010), Nghiên cứu thử nghiệm tạo bột giấy từ phế thải nông nghiệp - thân ngơ phương pháp nấu xút, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại Học Lâm Nghiệp Lê Huy Dzư (1999), “Sử dụng dung môi hữu công nghệ nấu bột giấy từ nguyên liệu phi gỗ ngắn ngày ”, Tạp chí cơng nghiệp giấy (3), tr 17 - 18 Hồng Thúc Đệ (2002), Cấu tạo, tính chất lợi dụng tre, Tài liệu dịch 10 Nguyễn Đình Hưng (1990), Nghiên cứu cấu tạo giải phẫu số loài gỗ Việt Nam để định loại theo đặc điểm cấu tạo thô đại hiển vi, Luận án PTS Khoa học Nông nghiệp, Hà Nội 11 Hoàng Quốc Lâm, “Nấu rơm rạ phương pháp xút – Anthraquinone”, Tạp chí cơng nghiệp giấy (9), tr 14 - 20 12 Nguyễn Quí Nam, Phương pháp làm tiêu hiển vi, Tài liệu dịch 77 13 Trần Thị Ngân (2003), Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất bột, trị số kappa, tàn kiềm, độ bền lý bột thu sau nấu điềm trúc theo phương pháp sunfat Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội 14 Nguyễn Thị Minh Nguyệt, Giáo trình Hóa học gỗ, Tài liệu dịch 15 Nguyễn Thị Minh Nguyệt (2009), Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất bột giấy từ phế thải nông nghiệp (thân cỏ voi Panicum sasmentosum) 16 Trịnh Văn Tấn (2008), Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nấu đến hiệu suất bột giấy chế biến từ thân Cơ Voi lai phương pháp xút, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại Học Lâm Nghiệp 17 Lê Xn Tình (1998), Khoa học gỗ, Nxb Nơng nghiệp, Hà Nội 18 Nguyễn Duy Tùng (2010), Nghiên cứu công nghệ sản xuất bột sunfate từ Luồng, Luận văn Thạc sỹ, Đại học Lâm Nghiệp 19 Hồ Sĩ Tráng (2003), Cơ sở hóa học gỗ xenluloza, Tập I, Nxb Khoa học kĩ thuật, Hà Nội 20 Đoàn Ứng Hồng Sơn (1994), “Bột giấy từ rơm rạ ngâm NaOH nấu oxy”, Tạp chí cơng nghiệp giấy (2), tr - 21 Trần Thị Viên (2011), Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến hiệu suất bột giấy sản xuất từ phế liệu nơng nghiệp (rơm rạ) phương pháp sunfit trung tính gây nhiễm mơi trường, Khóa luận tốt Nghiệp, Đại học Lâm Nghiệp 22 Tề Quốc Tân (1998), Sợi nguyên liệu sợi bột, Tài liệu dịch, Nxb Đại học Lâm Nghiệp Nam Kinh – Trung Quốc 23 Trần Gia Tường (chủ biên), Nguyên lý công nghệ sản xuất giấy, Nxb công nghiệp nhẹ Trung Quốc, Bắc kinh tháng 3/2000 24 Dự thảo chiến lược phát triển ngành giấy Việt Nam từ 2001 – 2010 (2001) Tổng công ty giấy Việt Nam, Hà Nội 25 Viện công nghiệp giấy cellulose (1997), Nghiên cứu sản xuất cellulose công nghệ nguyên liệu ngắn ngày, Đề tài nghiên cứu cấp 78 26 Hỏi đáp kỹ thuật trồng, chăm sóc, khai thác chế biến tre (2006) Mạng lưới lâm sản gỗ Việt Nam – Dự án hỗ trợ chuyên ngành Lâm sản ngồi gỗ Việt Nam, Nxb Nơng nghiệp 27 http://wwwhoinondan.org.vn 28 http://wwwkhoahoctre.com.vn 29 Đồn ứng (1999), “Cơng nghệ không ô nhiễm nguyên liệu phi gỗ”, Tạp chí cơng nghiệp giấy (2), tr 28 – 29 TIẾNG ANH 30 Al-Ashmany (1997), Pulp and paper International 31 Aziz Ahmed, Middleton, WI (US), Jong – Myoung Won, Chuncheon (KR), Haiil Ryu, Daejeon – Si (KR) (2004); Method For Producing Corn Stalk Pulp And Paper Products From Corn Stalk Pulp, US Patent 2004/0256065 A1 32 A.R Galimova, Kinetics of oxidative – organo solvent delignification non- wood plant rawmeterrial 33 Chen Hong Lei (2008), Application of waste cornstalks meterials in pulp and paper marking fields, Shandon Institute of light Industry, China 34 Agricultura residues in pulp and paper 35 M Sarwar JAHAN, Z.Z LEE, Yongcan JIN (2006) Organic acid pulping of rice straw I : cooking Turk J Agric For 30, 231- 239 36 Ruy Hail (2009), Method for producing cornstalk pulp and paper products from cornstalk pulp 37 Robert W Hurt, Orleans ( CA); Medwick V Byrd, Jr., Raleigh, NC (US), Process for producing a pulp suitable for papermaking from non wood fibrous materials, US Patent 6,302,997 B1 38 V Kachitvichyanukul, U Purintrapiban, P Utayopas, eds (2005) Ifluence of rice straw cooking conditions on pulp properties in the soda aqueous etanol pulping Proceedings of the 2005 International Conference on Simulation and Modeling 79 39 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 utilization of forestry and agricultural plant materials in Thailand 40 Workshop on Sustainable Industrial development HN,VN, Fune 10 -11,1999, China pulp &paper Industry, Case Stydy current issues and options for restructuring the Industry 80 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu Danh mục bảng Danh mục hình Danh mục biểu đồ ĐẶT VẤN ĐỀ .1 Chương TỔNG QUAN .2 1.1.Tổng quan ngành công nghiệp giấy 1.1.1.Trên giới 1.1.2.Ở Việt Nam 1.2.Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.2.1 Lịch sử phát triển Ngô [33] 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nguyên liệu phi gỗ công nghiệp sản xuất bột giấy 12 1.2.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 12 1.2.2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 17 1.3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi, nội dung phương pháp nghiên cứu 21 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 21 1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 21 1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 21 1.3.4 Nội dung nghiên cứu 22 1.3.5 Phương pháp nghiên cứu 22 1.3.5.1 Phương pháp kế thừa 22 1.3.5.2 Phương pháp tiêu chuẩn 23 1.3.5.3 Phương pháp thực nghiệm: 23 Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 24 2.1 Lý thuyết nấu kiềm 24 2.1.1 Khái niệm thuật ngữ trình nấu bột 24 2.1.2 Phương pháp nấu kiềm 25 2.2 Cơ chế vật lý nấu 27 2.2.1.Quá trình thẩm thấu dịch nấu 27 2.2.1.1.Tác dụng mao quản 27 81 2.2.1.2.Tác dụng khuyếch tán 28 2.2.2.Quan hệ thẩm thấu phản ứng hoá học 29 2.3.Q trình phản ứng hố học nấu kiềm 29 2.3.1.Phản ứng lignin trình nấu 29 2.3.2 Phản ứng Cellulose 31 2.3.3.Phản ứng Hemicellulose 33 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng 33 2.4.1 Ảnh hưởng suất hao nồng độ kiềm 33 2.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian nấu 34 2.4.4 Ảnh hưởng trình tẩm mảnh 36 2.4.5 Ảnh hưởng nguyên liệu 36 Chương 3.THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 3.1 Tạo mẫu nghiên cứu 38 3.1.1 Tạo mẫu nấu bột 38 3.1.2 Tạo mẫu xác định thành phần hóa học 39 3.2 Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo thân ngô 39 3.2.1 Đặc điểm cấu tạo thô đại 39 3.2.2 Đặc điểm cấu tạo hiển vi 39 3.2.3 Hình thái sợi thực vật thân ngơ 40 3.3 Xác định thành phần hóa học thân ngơ 41 3.3.1 Xác định hàm lượng ẩm phương pháp cân sấy 41 3.3.2 Xác định hàm lượng chất chiết suất tan trong1% NaOH 42 3.3.3 Xác định hàm lượng tro phương pháp đốt 43 3.3.4 Xác định hàm lượng lignin 44 3.3.5 Xác định hàm lượng cellulose 45 3.3.6 Xác định hàm lượng pentozan 46 3.3.7 Xác định hàm lượng chất tan ete 47 3.3.8 Xác định hàm lượng chất tan nước nóng 48 3.3.9 Xác định hàm lượng chất tan nước lạnh 49 3.4 Khảo sát trình nấu bột giấy 50 3.4.1 Chuẩn bị dịch nấu 50 3.4.2 Sơ đồ thực nghiệm 50 3.4.3 Tính tốn cho nồi nấu 50 3.4.3.1 Tính tốn cho nồi nấu xút 50 3.4.3.2 Tính toán cho nồi nấu sunphat 51 3.4.3 Khúc tuyến nấu 51 82 3.5 Thiết bị nấu bột giấy thí nghiệm 52 3.6.Tiến hành nấu bột 53 3.7 Làm bột giấy (rửa bột) 53 3.8 Xác định hiệu suất bột 54 Chương 4.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55 4.1 Đăc điểm cấu tạo thân ngô 55 4.1.1 Đặc điểm cấu tạo thô đại 55 4.1.2 Đặc điểm cấu tạo hiển vi thân ngô 56 4.2 Hình thái sợi thực vật thân ngô 58 4.3 Thành phần hóa học thân Ngơ 60 4.3.1 Hàm lượng ẩm 60 4.3.2 Thành phần hóa học thân ngô 60 4.4 Kết nấu bột giấy 64 4.4.1 Phương pháp nấu xút 64 4.4.1.1 Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian bảo ôn đến hiệu suất bột 64 4.4.2 Phương pháp nấu sunphat 68 4.4.3 Phương pháp nấu xút có bổ sung xúc tác 69 4.4.3.1 Khảo sát chế độ nấu 69 4.4.3.2 Ảnh hưởng mức dùng xúc tác đến hiệu suất bột 69 4.5 Tính chất lý bột giấy từ thân ngô 72 4.6 Đánh giá sơ chất lượng bột giấy 73 KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 74 5.1 Kết luận 74 5.2 Tồn .76 5.2 Kiến nghị…………………………………………………………………………… Error! Bookmark not defined.6 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ... tiến hành nghiên cứu sử dụng thân ngô (phế liệu nông nghiệp) làm nguyên liệu sản xuất bột giấy, để có sở khoa học cho việc định hướng sử dụng nguồn nguyên liệu công nghệ sản xuất bột giấy 1.3... pháp nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu sử dụng thân ngô (phế thải nông nghiệp) làm nguyên liệu sản xuất bột giấy nhằm góp phần giải vấn đề khan nguyên liệu cho... nguyên liệu tiềm cho sản xuất bột giấy Hiên nay, nghiên cứu sử dụng nguyên liệu phi gỗ làm nguyên liệu ngành công nghệ sản xuất giấy - bột giấy nhà khoa học đặc biệt quan tâm, đẩy mạnh nghiên cứu