2. Công nghệ sản xuất bột giấy
2.3. Bột sunphát (bột KRAFT)
Là loại bột được sản xuất bằng cách nấu gỗ (hay nguyên liệu phi gỗ) với dung dịch kiềm gồm NaOH và Na2S ở nhiệt độ cao. Mục đích chính của quá trình nấu là lấy đi một lượng đủ
lớn lignin để tách sợi. Sau khi nấu sẽ thu được dung dịch có mầu rất sẫm gọi là dịch đen. Việc đốt dịch đen sẽ cung cấp một nhiệt lượng rất lớn và thu hồi lượng kiềm để tái sử dụng trong nấu bột.
Sơđồ khái quát qui trình sản xuất bột sunphat
Dăm gỗ và hóa chất được gia nhiệt trong thiết bị nấu cao áp. Thời gian gia nhiệt đến nhiệt độ cao nhất (165 – 1700C) thưòng dài hơn thời gian ổn nhiệt (giữ tại nhiệt độ cao nhất) để nhiệt phân bổ đều và hoá chất thẩm thấu vào dăm gỗ. Thời gian tổng cộng cho một chu trình nấu khoảng từ 2,5 đến 4 giờ (công nghệ Bắc Mỹ) hoặc từ 4-6 giờ (công nghệ Bắc Âu). Thời gian nấu bột để làm bao bì, các tông chỉ khoảng 2 giờ. Hoá chất nấu thường là NaOH với Na2S với tỉ lệ 2/4. Quá trình nấu có thể gián đoạn hay liên tục. Sau khi nấu dăm gỗ đã trở thành bột giấy. Bột được đẩy ra ngoài nhờ chênh lệch áp suất của nồi nấu và khí quyển (phóng bột). Dưới tác dụng của áp lực này các bó sợi được đánh vỡ và sợi được tách ra. Quá trình tách sợi còn được hỗ trợ nhờ tác động nghiền bằng thiết bị nghiền thuỷ lực tiếp sau đó. Kế đó bột qua giai đoàn sàng thô để loại phần “bột sống”, thường là các mắt gỗ có kích thước lớn. Tiếp theo bột được rửa, sàng, tinh chế, làm đặc... tuỳ theo từng yêu cầu cụ thể.
Quá trình nấu được theo dõi qua kiểm tra hàm lượng lignin của bột giấy và độ trùng hợp của mạch phân tử xenlulô. Lượng lignin còn lại trong bột giấy được đánh giá qua chỉ số kappa (Test TAPPI T236) hay bằng hàm lượng lignin Klason (Test TAPPI T222). Độ trùng hợp của xenlulô được kiểm soát qua độ nhớt dung dịch xenlulô trong cuprietylendiamin (Test TAPPI T238).
Dịch nấu trong phương pháp sunphat:
Dịch trắng là dung dịch ban đầu được nạp vào nồi nấu. Thành phần chính của dịch trắng là nước, NaOH và Na2S. Thiết bị nấu Dăm gỗ Dịch trắng (Na2S + NaOH) Sàng thô Rửa Dịch đen Cô đặc Lò đốt thu hồi hoá chất Sàng tinh Làm đặc BỘT SUNPHAT Dịch nóng chẩy Bể hoà tan (Na2S + Na2CO3) Kiềm hoá Na2SO4 Bột gỗ “sống”
Dịch đen là dịch thoát ra từ tháp phản ứng cùng với dăm gỗ mềm ở cuối quá trình nấu, nó có màu rất sẫm. Thành phần chính của dịch đen bao gồm chủ yếu là nước, các chất phân rã của lignin, các chất hoà tan từ dăm gỗ, NaOH, Na2S còn lại (còn gọi là tàn kiềm) sau quá trình nấu.
Dịch xanh: Khi đốt dịch đen trong lò thu hồi kiềm thì các chất hữu cơ (chất hoà tan từ
dăm gỗ) sẽ cháy hết, NaOH sẽ biến đổi thành Na2CO3 và Na2S thì còn lại. Như vậy chất nóng chảy thu được ở cuối quá trình đốt dịch đen bao gồm chủ yếu là Na2CO3 và Na2S. Khi hoà tan chất nóng chảy này trong nước thì thu được dịch có màu xanh nên gọi là dịch xanh. Khi cho vôi tôi – Ca(OH)2 vào dịch xanh thì Na2CO3 sẽ thành NaOH và dịch xanh biến đổi thành dịch trắng cùng cặn là CaCO3. Sau khi láng lọc hỗn hợp này ta thu được dịch trắng dùng cho quá trình nấu sunphat và cặn đá CaCO3. Nung cặn đá vôi này trong lò ta thu được vôi sống CaO dùng trong quá trình sản xuất dịch trắng tiếp theo. Chính vòng tuần hoàn gần như khép kín của quá trình sử dụng dịch nấu và thu hồi kiềm làm cho lượng kiềm được thu hồi gần như triệt để, chỉ cần bổ sung thêm một lượng Na2SO4 vào lò đốt dịch đen là có thể bù lại được lượng Na2S đã bị tiêu hao theo bột sau quá trình nấu mà không thu hồi được. Đây là ưu điểm rất quan trọng cả về mặt kinh tế và môi trường của phương pháp nầu sunphat.
Mục tiêu của quá trình nấu bột sunphat là tách các sợi xenlulô từ gỗ nhờ phản ứng hoà tan lignin mà không làm cắt mạch hydrat cacbon (xenlulô, hêmixenlulô). Tiếc là dung dịch nấu với độ kiềm cao không cho những phản ứng chọn lọc giữa lignin và hydrat cacbon. Trong quá trình nấu độ trùng hợp của hydrat cacbon bị giảm (phản ứng thuỷ phân), một lượng đáng kể của hênixemlulô và một phần xenlulô bị hoà tan và phân rã trong dịch nấu (phản ứng “peeling”). Trong nấu sunphat có hơn 20% lượng gỗ ban đầu bị mất mát do sự mất mát của hêmixenlulô và xenlulô, trong đó phần xenlulô chiếm khoảng 5%. Lignin trong gỗ có thể được tách ra bằng dung dịch xút, nhưng thực tế cho thấy Na2S rất ưu việt, đặc biệt để nấu các loại gỗ mềm. Lignin trong điều kiện này sẽ phản ứng nhanh hơn.
Quá trình nấu sunphat biến tính: Để làm tăng hơn nữa tính năng kỹ thuật bột giấy và
quá trình hoà tan lignin ta có thể áp dụng 3 phương pháp biến tính trong quá trình nấu sunphat sau:
- Phương pháp nấu bằng polysunphua có thể tăng hiệu suất thêm 1,2 đến 4% (sử dụng 0,8-1% polysunphua). ở 100-1200C polysunphua phản ứng với nhóm khử đầu mạch hydrat cacbon và chuyển thành nhóm axit aldonic bền với kiềm, làm giảm phản ứng “peeling”.
- Sử dụng antraquinon (AQ) trong dịch nấu vừa tăng hiệu suất vùa tăng tốc độ hoà tan lignin.
- Áp dụng phương pháp nấu kéo dài chủ yếu để thúc đẩy sâu hơn quá trình hoà tan lignin tạo ra bột có chỉ số kappa thấp. Trong thực tế bột sunphat thường dùng để sản xuất các loại giấy cao cấp với độ trắng cao, do vậy để giảm tiêu hao hoá chất khi tẩy trắng (tăng tính kinh tế, giảm sự ô nhiễm môi trường) người ta cố gắng thúc đẩy quá trình hoà tan lignin trong khi nấu bột nhưng không làm giảm tính năng của hydrat cacbon.