SẢN XUẤT GIẤY TỪ RƠM

A. TÌNH HÌNH CHUNG

Giấy là một mặt hàng thông thường được sử dụng rộng rãi cho mọi đối tượng, mọi lứa

tuổi, cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống. Khi cuộc sống ngày càng hiện đại

người ta sử dụng các tiện ích của giấy càng nhiều hơn: Giấy dùng để in, viết phục vụ cho

ngành Giáo dục; giấy dùng để bao gói, bao bì phục vụ cho Dân sinh, cho các ngành Công,

Thương nghiệp; giấy vệ sinh, khăn ăn phục vụ cho ngành Du lịch, Nhà hàng, Khách sạn;

giấy in tiền phục vụ cho ngành Tài chính, Ngân hàng; giấy tráng nhôm chuyên phục vụ

cho các ngành Công nghệ cao cấp; và còn rất nhiều tiện ích khác của giấy mà con người

phải sử dụng đến giấy …

Tình hình sản xuất công nghiệp ở Việt Nam trong thời điểm hiện nay đang trong thời kỳ

chuyển biến phức tạp; công nghiệp có trình độ kỹ thuật, công nghệ thấp chuyển dần

sang nền công nghiệp tự động hoá có trình độ kỹ thuật, công nghệ cao hơn. Ngành công

nghiệp sản xuất giấy ở Việt Nam cũng vậy, các đơn vị sản xuất đang tự trang bị để thay

đổi dần những thiết bị, máy móc mang tính kỹ thuật, công nghệ mới cho doanh nghiệp

để thích ứng được sự phát triển thật nhanh trong môi trường kinh doanh của nền kinh tế

thị trường. Nhờ sự tiến bộ về trình độ chuyên môn, các công nghệ tiên tiến cùng với sự

hợp tác đầu tư của nước ngoài, nền công nghiệp giấy nước ta đã phát triển cả về qui mô,

số lượng, lẫn chất lượng. Tuy nhiên, công nghiệp giấy nước ta đang còn gặp nhiều khó

khăn thử thách, tại việt nam năng lực sản xuất bột giấy mới chỉ đáp ứng được ½ nhu cầu

sản xuất giấy, do đó ngành công nghiệp giấy luôn phải phụ thuộc vào nguồn bột giấy

nhập khẩu, giá bột giấy nhập khẩu tăng cao 800 – 850USD/tấn, giá giấy vụn khoảng 400

– 450USD/tấn. Hiện nay chỉ có Công ty giấy Bãi Bằng và Công ty cổ phần giấy Tân Mai

chủ động đáp ứng được khoảng 80% tổng số bột cho sản xuất giấy của mình.

Một trong những nguyên nhân dẫn đến ngành giấy nước ta phát triển chậm và chưa cân

bằng được giữa cung và cầu là do thiếu nguyên liệu. Nguyên liệu chính trong công nghiệp

giấy hiện nay ở nước ta là gỗ. Tuy nhiên, khả năng đáp ứng nhu cầu thấp và không đồng

đều, vùng nguyên liệu chủ yếu tập trung ở Miền Bắc và Miền Trung trong khi năng lực

sản xuất lại tập trung chủ yếu ở miền nam, do vậy các nhà máy sản xuất bột giấy từ

nguyên liệu nguyên thủy tại Miền Nam hiện nay đang gặp vấn đề về nguồn nguyên liệu.

Gỗ ngày càng đáp ứng không đủ do qui mô sản xuất giấy ngày càng được mở rộng, hơn

nữa một lượng không nhỏ gỗ đã được cung ứng cho các ngành công nghiệp khác: Xây

dựng, chế biến lâm sản,... Trong khi đó, nước ta chưa có nhiều vùng nguyên liệu chuyên

canh theo kiểu công nghiệp. Hầu hết các nơi đều khai thác rừng mọc tự nhiên, các địa

phương còn chưa tận dụng được hết diện tích đất trống đồi núi trọc, chu kỳ khai thác của

gỗ thì mất nhiều năm. Nguồn nguyên liệu gỗ sẽ ngày càng không đáp ứng đủ cho ngành

giấy. Trước tình hình đó, nhu cầu nghiên cứu tìm ra nguồn nguyên liệu mới thay thế gỗ

có chu kỳ khai thác ngắn, dồi dào là một vấn đề được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nơi.

Do đó Nghiên cứu và thử nghiệm quy trình sản xuất giấy từ rơm rạ nhằm đánh giá việc

sử dụng nguồn nguyên liệu rơm rạ cho công nghiệp giấy- Một nguồn phế phẩm nông

nghiệp có khả năng là nguồn nguyên liệu phi gỗ cho công nghiệp giấy trong tương lai

B. Nguyên liệu ngành giấy

1.Nguyên liệu

Gỗ là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho công nghiệp sản xuất giấy, bao gồm cả gỗ cứng (lá

rộng) và gỗ mềm (lá kim). Trên thế giới, 35% diện tích rừng thuộc loại gỗmềm và 65% là gỗ cứng, trong đó Nga chiếm hơn một nửa lượng rừnggỗ mềm và gấp 2,5 lần lượng rừng Bắc Mỹ. Phần lớn rừng lá rộng tồntại ở vùng nhiệt đới, đặc biệt ở Châu Phi và Mỹ La Tinh.Giấy cũng được sản xuất từ nguyên liệu giấy thu hồi và cây phi gỗ. Giấy thu hồi là giấy

đã qua sử dụng, các loại giấy đứt, giấy xén loại ra từ các phân xưởng sản xuất giấy và

các xưởng in. Cây phi gỗ là nguồn thực vật cũng có thành phần cellulose nhưng không có

cấu trúc tế bào sợi như gỗ. Một số nguyên liệu phi gỗ được sử dụng cho công nghiệp giấy

là bã mía, tre, sợi đay, rơm rạ, các loại cotton phế phẩm…

2. Thành phần hóa học của nguyên liệu gỗ và phi gỗ

Tìm hiểu thành phần hóa học của nguyên liệu cho ta biết được tính khả thi khi sử dụng

nguyên liệu đó cho sản xuất giấy. Các tế bào sợi là thành phần quan trọng nhất của cây,

xenlulose là thành phần chính yếu của thành tế bào gỗ. Trong nguyên liệu những thành

phần không phải xenlulose bao gồm hemixenlulose, pectins, lignin, protein, các loại muối

khoáng K, Na, Ca, Mg, P, S, Si, Fe…Hàm lượng và thành phần các chất có trong nguyên

liệu khác nhau giữa các loài cây, vị trí trên thân cây. Cây gỗ và phi gỗ khác nhau về hình

thái học của xơ sợi, kiểu tế bào hình thành nên xơ sợi, hàm lượng các chất trong nguyên

liệu… Nhưng nhìn chung, cây phi gỗ và cây gỗ có các thành phần hoá học giống nhau,

mỗi lớp tế bào đều bao gồm: Hydrat cacbon, lignin- là những thành phần cấu tạo nên

thành tế bào nguyên liệu.

a) Hydrat cacbon

Trong hydrat cacbon gồm 2 thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose, chúng khác

nhau về trọng lượng phân tử, cấu trúc, tính chất hoá học.

Cellulose

Là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là D – glucopyrano liên kết với nhau bằng liênkết β -1,4-glucoxit. Các đơn vị mắt xích chứa ba nhóm hydroxyl, một nhóm rượu bậcmột, hai nhóm rượu bậc hai.

Hình2.1: Cấu trúc cellulose theo Haworth

Số monomer có thể đạt từ 2 000 đến 10 000, độ trùng hợp này tương ứng với chiều dài

mạch phân tử từ 5,2- 7,7mm. Sau khi thực hiện quá trình nấu gỗ với tác chất, độ trùng

hợp còn khoảng 600-1500. Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay axit loãng,

nhưng có thể bị phân huỷ và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ >150OC. Ở

nhiệt độ thường nó có thể hoà tan trong một số dung môi như dung dịch phức đồng –

amoniac Cu(NH3)4(OH)4, cuprietylendiamin(CED), cadimietylediamin…Một số axit cũng

có thể hoà tan cellulose như H2SO4 72%, H3PO4 85%...

Hemicellulose

Cũng là những hydrat cacbon nhưng là loại polysaccarit dị thể. Các đơn vị cơ sở là đường

hexose hoặc đường pentose. Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so

với cellulose, vì chúng có độ kết tinh và độ trùng hợp thấp hơn (độ trùng hợp <90). Đặc

trưng của nó là có thể tan trong dung dịch kiềm loãng. So với cellulose nó dễ bị thuỷ

phân hơn trong môi trường kiềm hay axit.

Có 3 loại hêmicellulose:

Đơn giản: Có thể được tách ra dưới tác dụng của các hoá chất dùng trong quá trình nấu

gỗ.

Phức tạp: Loại này liên kết khá chặt chẽ với lignin, và do vậy cần có những phản ứng

hoà tan lignin khá mạnh. Hemicellulose rất ái nước, sự có mặt của nó trong bột do đó làm

cho bột dễ nghiền hơn.

Cellulosesen: Là những hexose và pentose liên kết khá chặt chẽ với cellulose.

b) Lignin

Lignin là nhựa nhiệt dẻo, mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ và bị hòa tan trong một số

tác chất hóa học. Trong gỗ, bản thân lignin có màu trắng. Lignin có cấu trúc rất phức tạp,

là một polyphenol có mạng không gian mở, đơn vị cơ bản là phenyl propan và trong phân

tử luôn chứa nhóm metoxyl (OCH3). Các đơn vị mắt xích này được liên kết với nhau bằng

một số kiểu liên kết như: β-O-4 (chiếm chủ yếu 40 – 60 %), α-O-4 (chiếm 5 – 10 %), C-

O-C, C-C…Lignin có liên kết chặt chẽ với hydrat cacbon đặc biệt là có liên kết hoá học với

hemicellulose. Trong quá trình chế biến bột giấy, người ta dùng tác động cơ học hoặc hoá

học để hoà tan lignin hoặc biến tính lignin để giải phóng các bó sợi cellulose.

c) Thành phần khácNgoài hydrat cacbon và lignin trong gỗ còn chứa chất trích ly, hợp chất vô cơ… Hàmlượng và thành phần chất trích ly phụ thuộc vào loại cây, các bộ phận của cây, điều kiệnsinh trưởng. Chất trích ly thường tập trung ở phần vỏ cây, cũng có thể tìm thấy chất tríchly ở rễ, hoa, lá, quả của một số loại cây, chất trích ly bao gồm các rượu, axit bậc cao, cácaxit nhựa, chất sáp, chất đạm, chất màu, tannit, các glucozit, một số đường.Các chất vô cơ có trong gỗ K, Na, Ca, Mg, P, S, Si, Fe…hàm lượng các chất vô cơ này phụthuộc vào nhiều yếu tố: Điều kiện sinh trưởng của cây như đất đai, khí hậu, thời giantrong năm. Nhìn chung hàm lượng này khá thấp, chúng cần thiết cho sự phát triển củacây nhưng cũng gây bất lợi khi dùng làm nguyên liệu cho công nghiệp giấy.Bảng2.1: Thành phần hóa học và tính chất sợi của một số nguyên liệu

2. Rơm rạ, nguyên liệu của ngành công nghiệp giấy2.1. Giới thiệu chung về nguyên liệu từ rơm rạLúa là cây trồng thân thiết, lâu đời nhất của nhân dân ta và nhiều dân tộc khác trên thếgiới. Cây lúa trồng bắt nguồn từ cây hoang dại, tổ tiên xa là một cây lúa dại là loài làoryza sativa trồng ở châu Á và loài oryza glaberrima ở châu phi. Cây lúa việt nam có thểchia làm hai nhóm chính: Những giống lúa cạn không cần mực nước thường xuyên ở gốcvà những giống lúa nước cần sinh sống ở ruộng có nước.Các giống lúa việt nam có những đặc điểm như chiều cao, thời gian sinh trưởng dài hay

ngắn, chịu thâm canh, chịu chua mặn, chịu sâu bệnh khác nhau…song cây lúa việt namđều có những đặc tính chung về hình thái, giải phẫu, đều có chung các bộ phận rễ, thân,lá, bông và hạt.2.2. Ứng dụng của rơm rạ cho công nghiệp giấy

Rơm rạ có rất nhiều ứng dụng cho cuộc sống. Sau vụ thu hoạch lúa, tính bình quân thuđược khoảng 6 tấn rơm rạ/ha, do vậy việc ứng dụng ngày càng nhiều hơn nữa rơm rạ làmột vấn đề quan trọng nhằm hạn chế việc đốt rơm rạ gây lãng phí và ô nhiễm môitrường. Người ta đã dùng rơm rạ cho viêc sản xuất nấm rơm và các loại nấm khác, dùnglàm phân bón cho cây trồng, nguyên vật liệu cho ngành xây dựng: Làm ván dăm, làmphụ gia cho vôi vữa, xây nhà. Đặc biệt hơn rơm rạ là một nguồn nguyên liệu tiềm năngcho công nghiệp sản xuất giấy. Ngay từ thế kỷ thứ 2 người Trung Quốc đã làm ra khăntay giấy, Trong thế kỷ thứ 6 họ đã sản xuất giấy vệ sinh từ giấy rơm rạ rẻ tiền nhất.

Xưởng trong cung đã sản xuất cho triều đình 720.000 tấm giấy vệ sinh và thêm vào đó là15.000 tấm giấy vệ sinh tẩm hương thơm, mềm và có màu vàng nhạt cho hoàng gia.Rơm rạ được xem là nguồn nguyên liệu triển vọng cho công nghiệp giấy, việc làm giấybằng tay từ rơm rạ xuất hiện khá sớm ở Châu Á, điển hình là ở Miến Điện và phía bắcThái Lan. Khi mà nhu cầu tiêu dùng về giấy ngày càng tăng trong các lĩnh vưc ghi chép,bao gói, vệ sinh… điều này đã thúc đẩy cho việc sản xuất giấy bằng tay sớm phát triển,họ đã ứng dụng rơm rạ để làm giấy và kỹ thuật làm giấy bằng ta được học hỏi từ tỉnhVân Nam, Trung Quốc. Gia đình Daw thaung kywe đã mô tả kỹ thuật làm giấy bằng taytừ rơm rạ như sau: Trước tiên rơm rạ được mua ở vùng phía bắc Thái Lan, sau đó đượcmang về ngâm trong bồn xi măng, lượng nguyên liệu này đủ sản xuất cho 5 ngày. Tiếpđó rơm rạ được nấu trong vòng 36 giờ, vật liệu sau khi nấu được rửa sạch bằng nướclạnh tại dòng suối gần đó, sau khi nấu và rửa, rơm rạ tiếp tục được đập dập trong khoảng12 giờ và được đánh tơi kỹ lưỡng, lúc này bột đã sẵn sàng cho quá trình làm giấy, bộtđược trải lên một khung lưới rộng ngâm trong nước và được san đều ra bằng tay, sau khibột được trải đều dùng một thanh mỏng cán ngang bề mặt lưới để loại bỏ các bọt khí,quá trình này diễn ra trong khoảng từ một đến hai phút, sau đó khung lưới được nhấc rakhỏi nước để khô và cắt nhỏ khung giấy theo kích thước mong muốn.

Hình 2.4: Giấy làm từ rơm rạ chưa qua sử lý

Ưu, nhược điểm khi sử dụng rơm rạ cho công nghiệp giấy

Ưu điểm:

Hàm lượng lignin thấp hơn cây gỗ do đó tiêu tốn ít năng lượng hơn

Tiêu tốn ít hóa chất và năng lượng trong quá trình nấu

Xơ sợi rơm rạ dai đem lại độ bền cơ lý cho bột

Thu mua rơm rạ dễ dàng, nguồn nguyên liệu dồi dào

Nhược điểm:

Hàm lượng silic cao gây khó khăn cho việc thu hồi hóa chất, làm mòn thiết bịRơm rạ xốp gây khó khăn cho việc vận chuyển do vậy chi phí vận chuyển đắtHiệu suất bột giấy làm từ rơm rạ không caoSơ sợi rơm rạ giữ được nước cao cũng là vấn đề trong viêc tách nước ra khỏi xơ sợi trongquá trình tạo giấy

2.2. Sản xuất bột giấy bằng các phương pháp hóa học Quá trình sản xuất bột giấy làquá trình dùng tác động cơ học (bột cơ) hoặc tác động hoá học (bột hoá) vào nguyên liệuđể tách hoặc loại lignin ra khỏi xơ sợi nhằm giải phóng bó xơ sợi, tạo huyền phù bột trongnước để phục vụ cho quá trình sản xuất giấy. Các phương pháp sản xuất bột cơ bao gồm:Bột gỗ mài áp lực cao, bột nhiệt cơ, bột hoá cơ, bột hoá nhiệt cơ…Trong sản xuất bột hoáhọc có các phương pháp như: Bột sulfite, bột soda, bột sulfat…Đó là quá trình tách ligninra khỏi nguyên liệu bằng tác nhân hóa học với sự hỗ trợ của nhiệt độ, áp suất. Tác nhânhóa học sẽ phản ứng với lignin tạo ra lignin kiềm hòa tan trong dung dịch kiềm. Nhiệt độcàng cao phản ứng càng tăng, tuy nhiên hydratcacbon cũng bị cắt mạch. Ngoài ra trongquá trình nấu còn hòa tan acid béo, nhựa, hemicellulose…Quá trình nấu bột giấy diễn ratheo 3 giai đoạn:

OA : Giai đoạn tăng ôn, là giai đoạn tăng nhiệt độ, tăng áp suất cho kiềm thấm sâu vào

nguyên liệu.AB: Giai đoạn bảo ôn còn gọi là giai đoạn nấu. Nhiệm vụ chính của giai đoạn

này là khử lignin, giải phóng các bó xơ sợi thành bột, giai đoạn bảo ôn dài hay ngắn tùy

thuộc vào chủng loại nguyên liệu, yêu cầu sản xuất. BC: Giai đoạn hạ áp phóng bột ra

ngoài. Dưới áp lực, bột sẽ tách thành từng thớ sợi khi ra ngoài.

1.Nấu bột bằng phương pháp soda

Phương pháp nấu bột giấy soda là phương pháp nấu bột bằng dung dịch NaOH; trong đó

tác nhân tấn công là HO-.

Quá trình nấu tiến hành trong điều kiện sau: Dung dịch NaOH có pH= 13-14, nhiệt độ:

155 – 175 C, thời gian nấu 2 – 5 giờ.

Các phản ứng xảy ra trong quá trình nấu :

Trong quá trình nấu, dưới tác dụng của môi trường kiềm, nhiệt độ, áp suất, các mảnh gỗ

nguyên liệu thấm dần hóa chất, một loạt các quá trình hoá lý và hoá học xảy ra.

a) Phản ứng của lignin

Phân huỷ liên kết ete, este, glycozit…giữa lignin và hemicellulose, đồng thời phá

huỷ liên kết hydro giữa lignin và polysaccarit.

Phân huỷ các liên kết hoá học giữa các đơn vị mắt xích của lignin như liên kết ete,

một phần nhỏ liên kết C- C…Quan trọng nhất là liên kết ete - aryl

(liên kết chủ yếu trong phân tử lignin).

Những phản ứng này có tác dụng chia lignin thành những cấu tử nhỏ hơn, tăng tính áinước của lignin (các nhóm phenol được tạo thành) để lignin dễ hoà tan vào dịchnấu.Ngược với các phản ứng phân huỷ để phân chia lignin thành những cấu tử nhỏ hoàtan vào dịch nấu, khi nấu trong môi trường kiềm còn xảy ra phản ứng ngưng tụ lignin,phản ứng cản trở quá trình hòa tan lignin, phản ứng này xảy ra mạnh ở cuối giai đoạnnấu

b) Phản ứng của hydrat cacbon

Phản ứng oxi hóa

Nhóm OH ở cacbon C2, C3 hoặc C6 của vòng glucose bị oxi hóa thành nhóm cacbonyl,tạo nên cấu trúc cacbonyl-β- glucoxy nhạy với môi trường kiềm.

Phản ứng thủy phân : Các cấu trúc cellulose bị oxi hóa tại C2, C3 khá nhạy với

dung dịch kiềm. Sự phân hủy đại phân tử cellulose được tiến hành trước tiên qua

sự hình thành một ion, kế đó là sự dịch chuyển điện tử và gây ra phản ứng cắt

mạch.

Phản ứng “peeling”

Sự phân hủy cellulose trong môi trường kiềm xảy ra theo cơ chế của phản ứng peeling.

Phản ứng này làm giảm hiệu suất quá trình nấu bột và giảm trọng lượng phân tử của

mạch cellulose. Đây là phản ứng xảy ra ngay trong giai đoạn gia nhiệt của quá trình nấu

(>800C). Phản ứng đặc trưng bằng sự tách dần nhóm khử ở cuối mạch cellulose. Những

phần hydratcacbon bị tách ra chuyển thành axit hữu cơ và làm giảm nồng độ HO-.

Các thông số ảnh hưởng lên quá trình nấu Các thông số ảnh hưởng lên tốc độ hòa tan

lignin và chất lượng bột:

Hàm lượng kiềm

Nhiệt độ nấu

Tỉ lệ L/W

Thời gian nấu

Một số biện pháp cải thiện quá trình nấu

Dưới sự hỗ trợ của áp suất và nhiệt độ, tác nhân HO- tham gia hòa tan lignin nhưng đồng

thời cũng phá hủy xơ sợi.

Tốc độ khử lignin:

~ k1x [HO-]

Tốc độ hoà tan polysaccarit :

~ k2x [HO-]

Quá trình hoà tan polysaccarit bắt đầu ở nhiệt độ trên 100oC, quá trình hoà tan lignin

diễn ra mạnh mẽ ở nhiệt độ trên 130oC. Tốc độ hoà tan lignin và phá hủy xơ sợi đều tỉ lệ

thuận với [HO-]. Để cải thiện hiệu quả quá trình nấu, những biện pháp sau được áp dụng

:

Áp dụng phương pháp nấu kéo dài, hóa chất không nạp vào thiết bị nấu một lần

ngay từ đầu mà được bổ sung liên tục trong quá trình nấu, giảm nồng độ HO-

trong giai đoạn gia nhiệt.

Chọn hàm lượng kiềm thích hợp, dừng quá trình nấu ở thời điểm thích hợp.

Bổ sung một số chất hỗ trợ quá trình nấu như: AQ, ethylenediamine (EDA),

hexamethylen tetramine (HMTA), anthrone…

2. Phương pháp sulfatPhương pháp nấu bột giấy sulfat – là phương pháp nấu bột bằng dung dịch NaOH +Na2S; trong đó tác nhân tấn công là HO- và HS-, ion SH- tăng tính chọn lọc cho quá trìnhnấu (tấn công lignin mà không gây hại đến xơ sợi).Quá trình nấu tiến hành trong điều kiện: Dung dịch NaOH + Na2S với tỉ lệ tác chấtthường dùng có độ sulfua từ 20 – 35%, pH= 13 – 14, nhiệt độ: 155 –175 oC, thời giannấu 1 – 3 giờ.

Tác nhân tấn công trong quá trình nấu là HO- và HS- nên những phản ứng của lignin vàcellulose dưới sự tấn công của HO- tương tự như phương pháp soda tác nhân HS- tăngtính chọn lọc cho quá trình.

Vai trò của Na2S trong quá trình nấu:a) Hạn chế phản ứng ngưng tụ ligninTrong quá trình nấu dưới tác dụng của ion HO- , phản ứng ngưng tụ lignin chủ yếu xảy ratại vị trí Cα của cấu trúc metylen quinon. Khi có mặt ion HS- , nó sẽ phản ứng nhanh vớimetylen quinon tại vị trí Cα, ngăn ngừa quá trình ngưng tụ.b) Phân huỷ mạnh liên kết β-arylTrong quá trình nấu bột theo phương pháp soda, phản ứng tách loại metylen ở vị trí γtrong cấu trúc metylen quinon của ete β- aryl glyxerol tạo ra formaldehyt và cấu trúcstyrylaryl. Cấu trúc styrylaryl tương đối ổn định về mặt hoá học đối với phản ứng thuỷphân, formaldehyt tham gia vào quá trình ngưng tụ lignin. Khi có mặt ion HS-, nó sẽ tácdụng nhanh với dạng metylen quinon, chuyển hướng phản ứng, giảm khả năng tạoformaldehyt và cấu trúc styrylaryl do đó xúc tiến quá trình thuỷ phân và hoà tan lignin

Hình2.7: Vai trò Na2S trong phương pháp nấu bột Sulfat 3. Phương pháp sulfite Quá

trình nấu bột giấy bằng phương pháp sulfite là quá trình sử dụng tác chất có chứa S

(Na2SO3, SO2, NaHSO3…). Ở đây quá trình diễn ra trong một khoảng pH rộng (1-13), do

đó hiệu suất bột cũng thay đổi trong một khoảng rộng. Các phương pháp sulfite nấu bột

giấy:

Tác nhân là Na2SO3: Phương pháp sulfite trung tính.

Tác nhân là NaHSO3: Phương pháp sulfite acid.

Tác nhân là Na2SO3 + NaOH (Na2CO3): Phương pháp sulfite kiềm.

Trong phương pháp sulfite kiềm, với tỉ lệ hóa chất: 80 – 85 % Na2SO3 và 15 – 20%

Na2CO3 (hoặc NaOH), (tính theo Na2O) sẽ cho hiệu quả quá trình nấu là cực đại.

Ưu điểm của quá trình nấu sulfite là hiệu suất và độ nhớt bột cao, bột dễ tẩy trắng.

Các phản ứng xảy ra trong quá trình nấu bột Sulfite

a) Phản ứng của lignin: Trong quá trình nấu bột sulfite có nhiều phản ứng với cơ chế phức

tạp xảy ra nhưng phản ứng sulfonat hoá cấu trúc của lignin là quan

trọng nhất. Nó thực hiện hai nhiệm vụ

Làm mềm đi cấu trúc của lignin

Làm cho lignin ái nước hơn.

Hình2.8: Phản ứng của lignin trong phương pháp sulfite b) Phản ứng của hydratcacbonCác phản ứng của hydratcacbon trong dung dịch nấu phụ thuộc nhiều vào pH Trongphương pháp sulfite axit hydratcacbon sẽ bị thuỷ phân liên kết glucozit.Trong phương pháp sulfite trung tính quá trình thuỷ phân là cực tiểu. trong phương phápsulfite kiềm các phản ứng có thể xảy ra là phản ứng oxi hóa, thủyphân, “peeling” như trong phương pháp soda.

4. Ảnh hưởng của công đoạn nghiền đến tính chất cơ lý của giấy

Nghiền bột là một trong những công đoạn đặc biệt quan trọng trong công nghệ sản xuất

giấy. Đó là quá trình xử lý bột bằng lực cơ học nhằm phát triển bột đến mức tốt nhất tính

chất tạo thành tờ giấy của xơ sợi. Rất nhiều các tính chất cơ học, tính chất vật lý và tính

thẩm mỹ của tờ giấy phụ thuộc vào giai đoạn này. Nó làm thay đổi đáng kể tính chất của

xơ sợi, tạo cho xơ sợi có độ đồng nhất, độ mềm mại và có khả năng liên kết với nhau rất

tốt trong cấu trúc của tờ giấy. Điều chỉnh quá trình nghiền bột có thể tạo ra được các loại

sản phẩm khác nhau từ một loại nguyên liệu ban đầu, từ đó các nhà sản xuất có thể tạo

ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và nhu cầu của thị trường.

Bột trong quá trình làm giấy tùy thuộc loại giấy cần sản xuất, đặc điểm bột trước khi

nghiền, mà bột thường được nghiền theo hai xu hướng: Đối với bột có nhiều xơ sợi dài,

dễ bị kết bông khi tạo giấy, khi đó bột cần được nghiền theo hướng cắt ngắn xơ sợi, bột

được nghiền như vây gọi là “bột nghiền rời”. Đối với bột có xơ sợi ngắn hoặc các loại giấy

cần độ bền cơ lý cao, đòi hỏi xơ sợi dài thì bột cần được nghiền theo hướng chổi hóa xơ

sợi, quá trình cắt ngắn ít xảy ra, bột được nghiền như vậy gọi là “bột nghiền nhuyễn”.

Trong quá trình nghiền các xơ sợi chịu tác dụng bởi các loại lực cơ học như: Lực cắt, lực

xé, lực va đập của các lưỡi dao nghiền lên thớ sợi, lực ma sát giữa các xơ sợi với nhau,

giữa các xơ sợi với thành máy nghiền và tác động của thủy lực như lực nén, ép thủy động

tạo nên lực xé gián tiếp đối với xơ sợi. Các tác dụng chính của quá trình nghiền lên xơ sợi

gồm:

Cắt và làm ngắn xơ sợi

Bột trở nên mịn hơn, hoàn thành việc bóc tách thành tế bào xơ sợi tạo ra các

mảnh vụn xơ sợi đồng thời bóc tách thành tế bào xơ sợi thành từng lớp riêng rẽ

Thay đổi cấu trúc bên trong của thành tế bào, phân tách thành từng lớp riêng

biệt, tiếp tục chổi hóa bên trong và làm trương nở xơ sợi

Tạo ra những chỗ xoắn, mấu, đốt, sự nén ép trong thành tế bào xơ sợi

Làm phân rã hoặc loại bỏ các chất trích ly còn lại trong bột sau nấu

Phân bố lại hemicelluloses từ bên trong xơ sợi ra bên ngoài xơ sợi làm quá trình

trương nở xơ sợi xảy ra dễ dàng hơn.

Sự bong xơ bề mặt tại cấp độ phân tử tạo ra một bề mặt dễ kết dính hơn tăng

khả năng liên kết xơ sợi.

Một thông số quan trọng trong quá trình nghiền là độ nghiền. Độ nghiền nói về tính chất

của bột thu được trong và sau quá trình nghiền, nó được đánh giá bằng nhiều cách. Phổ

biến nhất là đo độ tự do Freeness (oCSF) và đo độ nghiền chopper riegler (oSR) bằng

cách đo khả năng thoát nước của bột trên các máy đo độ SR hay độ CSF.

Quá trình nghiền giúp cải thiện tính chất của sợi làm liên kết giữa các xơ sợi chặt chẽ hơn

đồng thời làm tăng liên kết giữa các xơ sợi nhằm tạo ra tờ giấy có cấu trúc chặt chẽ hơn.

Quá trình nghiền cải thiện tính năng cơ lý của giấy nhưng nếu tăng độ nghiền quá mức sẽ

làm giảm hầu hết các tính chất cơ lý của giấy.

C. Nội dung thí nghiệm

Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu

Tiến hành nấu bột giấy và chọn ra được điều kiện nấu phù hợp cho nguyên liệu,

khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng NaOH và nhiệt độ nấu lên hiệu quả của quá

trình nấu bột.

Khảo sát ảnh hưởng của độ nghiền lên các tính chất của tờ giấy làm từ rơm rạ.

So sánh các tính chất của giấy từ rơm rạ với giấy in báo và giấy viết, cho biết khả

năng sản xuất các loại giấy này từ rơm rạ.

QUY TRÌNH LÀM THÍ NGHIỆMQui trình làm thí nghiệm được mô tả ở Hình 3.1 như sau:

THUYẾT MINH QUY TRÌNH

1. Nguyên liệu

Rơm rạ được lấy ở huyện Mỹ Hạnh Bắc, tỉnh Long An. Sau khi thu hoạch lúa, rơm rạ được

phơi khô và chất đống dự trữ. Rơm rạ thu mua về đem loại bỏ bông bẹ, tạp chất, lá mục

nát và cắt khúc có chiều dài từ 4-6 cm. Tiếp theo xác định độ ẩm của rơm rạ bằng

phương pháp phân tích khối lượng.

2. Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu

Xác định hàm lương lignin (Phương pháp Lignin Klason)

Xác định độ tro (Scan C6.62)

Xác định hàm lượng xenllulose (Phương pháp Kiursher-Hofft)

Xác định hàm lượng oxit silic trong tro

Xác định hàm lượng các chất tan trong nước nóng

Xác định hàm lượng các chất tan trong nước lạnh

Xác định hàm lượng chất trích ly

3. Ngâm nguyên liệuNguyên liệu trước khi cho vào nồi nấu được ngâm 30 phút với dịch nấu NaOH, trong quátrình ngâm phải khuấy trộn liên tục để hóa chất thấm đều sâu vào dăm mảnh thúc đẩycác phản ứng diễn ra nhanh chóng và dễ dàng hơn trong quá trình nấu4.Nấu bột giấy

Thông số công nghệ của quá trình nấu bột giấy từ rơm bao gồm các yếu tố áp suất, nhiệt độ,thời gian nấu, tỉ lệ L/W, hàm lượng NaOH.Thời gian nấu trong các thí nghiệm là 60 phút baogồm 30 phút gia nhiệt và 30 phút bảo ôn, mỗi loại nguyên liệu có một khoảng thời gian nấuthích hợp với rơm rạ thời gian thích hợp là 60 phútSự thẩm thấu đều hóa chất vào nguyênliệu và nồng độ hóa chất, tác động mạnh đến quá trình hoà tan lignin. Khi nguyên liệu thấmđều hóa chất, nồng độ hóa chất thích hợp, nguyên liệu chín đều, ít sống lõi, quá trình nấu đạthiệu quả cao, đối với phương pháp soda ứng với thời gian nấu là 60 phút thì tỉ lệ L/W phù hợplà 5/1.Áp suất và nhiệt độ có quan hệ tuyến tính với nhau. Nhiệt độ tăng dần từ 110oC-150oCtương ứng áp suất tăng dần từ 1-4 bar. Trong quá trình nấu khảo sát ảnh hưởng của cácthông số: Hàm lượng hóa chất nấu và nhiệt độ nấu lên chất lượng bột, thí nghiệm được bố trínhư bảng sau:

5. Rửa bộtBột sau nấu được cho vào xô dung tích là 10 lít, ta cho nước vào xô và tiến hành rửa bột.Dùng rây dạng lưới để lọc rửa bột trong xô, tiến hành rửa bột 5 lần. Lượng nước thải tách rasau mỗi lần lọc bằng rây được lọc lại bằng một tấm vải để thu hồi các hạt mịn tránh thất thoát

bột bột, phần nước thải sau khi lọc hạt mịn này sẽ thải bỏ, Bột sau khi rửa đã sạch loại bỏ hầuhết kiềm, lignin và các hợp chất hữu cơ khác.6. Xác định hiệu suất, chỉ số Kappa, độ tro củabột sau nấuBột sau khi đã được rửa sạch bằng nước lạnh, cân khối lượng và xác định độ ẩmbằng phương pháp phân tích khối lượng. Hiệu quả quá trình nấu được xác định thông qua haithông số hiệu suất và chỉ số kappa. Tiếp tục tiến hành xác định độ tro nhằm tính trọng lượngvật liệu còn lại sau khi nung trong điều kiện tiêu chuẩn của phương pháp thử.Hiệu suất bộtsau nấu được xác định thông qua xác định độ khô của bột theo tiêu chuẩn SCAN – C 3:61.Xácđịnh chỉ số Kappa của bột theo tiêu chuẩn SCAN – C 1:77Xác định độ tro của bột theo tiêuchuẩn SCAN –C6:627. Nghiền bộtKết thúc quá trình nấu bột ta chọn ra được mẻ nấu có hiệuquả cao, tiến hành nghiền bột giấy ở 5 chế độ nghiền như ở Bảng 3.2. Bột được nghiền trongmáy nghiền PFI theo tiêu chuẩn SCAN C24:6. Độ nghiền của bột được xác định ở máy đo độnghiền Schopper-Riegler theo tiêu chuẩn SCAN-C19:6. Với mỗi chế độ nghiền đo độ nghiềnvà làm giấy handsheet với định lượng mỗi tờ để đo độ trắng là 80g/m2, để đo các chỉ tiêucòn lại là 60g/m2. Khảo sát độ nghiền ảnh hưởng đến các tính chất của giấy, chọn rađược chế độ nghiền phù hợp để ứng dụng rơm rạ cho sản xuất giấy in báo và giấy viết.

8. Làm giấy handsheet.

Dung dịch bột chuẩn bị cho xeo tờ giấy mẫu có nồng độ là 0,2% (sau khi đo độ nghiền). Ta

khuấy đều dung dịch bột trong vòng 5 phút bằng máy khuấy, sau đó ta tính toán lấy

lượng huyền phù bột giấy sao cho xeo được tờ mẫu có định lượng như mong muốn (định

lượng được xác định ở điều kiện điều hòa mẫu). Lưu ý, trong hầu hết các trường hợp thì

xơ sợi sẽ bị thất thoát qua lưới xeo nên khi lấy bột giấy cũng phải tính toán lượng bù đắp

để đạt được định lượng mong muốn.Xeo giấy: Cho huyền phù bột giấy vào máy xeo, bổ

sung nước có nhiệt độ 27C ± 1C tới vạch, khuấy trộn bột bằng một trong hai cách sau:

Dùng dụng cụ khuấy để khuấy trộn bằng cách cho chuyển động lên và xuống 6

lần, sau đó nhẹ nhàng nhấc dụng cụ ra

Mở nút sục khí của máy xeo

Trong cả hai cách, 10 giây sau khi khuấy trộn, ấn và giữ công tắc thoát nước cho đến khi

nước rút hết để lại tờ giấy ướt trên lưới. Đặt 2 tờ giấy thấm lên mẫu giấy, di chuyển con

lăn 13 kg phía trên 2 tờ giấy thấm 5 lần trong khoảng 20 giây, sau đó nhấc con lăn ra.

Nhờ vào trọng lượng của con lăn và diện tích bề mặt riêng của giấy thấm lớn hơn bề mặt

lưới xeo nên mẫu giấy thí nghiệm sẽ chuyển từ lưới xeo và dính vào tờ giấy thấm tiếp xúc

với mẫu giấy.

Ép giấy: Sau khi lấy mẫu giấy ra khỏi lưới xeo, giấy sẽ được ép trong máy ép để nâng độ

khô của giấy lên. Tiến hành ép hai giai đoạn, giai đoạn thứ nhất áp lực ép cao hơn giai

đoạn 2 và thời gian ép lâu hơn giai đoạn 2. Thứ tự đặt mẫu giấy trong máy ép trong giai

đoạn 1 được đặt như sau:

Nắp máy ép

Giấy thấm khô (chức năng là thấm nước)

Mẫu giấy

Giấy thấm ướt (dính với mẫu giấy ở bộ phận xeo)

Giấy thấm khô (chức năng là thấm nước)

Đáy máy ép

Chồng giấy mang ép bao gồm giấy thấm khô, giấy thấm ướt dính với tờ mẫu xeo,

giấy thấm khô và cứ lặp lại như vậy.. Ở giai đoạn ép 2, tại lần ép này sự xắp xếp tờ

giấy xeo ngược lại và các tờ giấy thấm được thay thế, chồng giấy ép bao gồm giấy

thấm khô, tấm sấy với tờ mẫu xeo, giấy thấm khô và cứ lặp lại như vậy.

Sấy khô giấy bằng máy sấy giấy: Tách tấm sấy cùng với tờ mẫu xeo ra khỏi giấy

thấm đặt chúng ở môi trường phòng thí nghiện, sau 5 phút chuyển vào máy sấy thời

gian sấy là 20 phút, nhiệt độ sấy tăng dần từ 50 đến 900C trong khoảng 10 -12 phút

và ở nhiệt độ 92 – 960C trong khoảng 8 – 10 phút. Sau khi tờ giấy mẫu được sấy khô

thì tách tờ giấy ra khỏi tấm sấy và đem đi điều hòa mẫu.

Xác định một số tính chất của giấy

Điều hòa mẫu trước khi xác định tính chất của giấy theo TCVN 6725:2000. Mẫu giấy được

điều hòa bằng cách đặt mẫu trong môi trường có độ ẩm tương đối là 25 – 30% và nhiệt

độ là 20 - 250C (môi trường trong bình hút ẩm) với thời gian là 24 giờ, sau khi điều hòa

mẫu trong môi trường bình hút ẩm ta lấy mẫu ra khỏi bình hút ẩm và đặt mẫu trong môi

trường nhiệt độ phòng 27 ± 10C và độ ẩm tương đối là 50% (môi trường của phòng đo

tính chất giấy) tối thiểu 5-8h giờ để mẫu ổn định độ ẩm rồi tiến hành đo tính chất giấy.

Mẫu sau khi đã được ổn định, ta chọn những mẫu giấy tốt nhất có độ đồng đều và không

bị các khuyết tật để xác định chiều dài đứt, chỉ số xé, độ Cobb, độ nhám, độ trắng và độ

đục. Sau khi đã xác định được các tính chất của giấy, ta so sánh các tính chất của giấy

rơm rạ với tiêu chuẩn của giấy in báo, giấy viết.

Đề tài nghiên cứu quá trình sản xuất giấy từ rơm rạ bao gồm các công đoạn sau: Xác

định thành phần hóa học của nguyên liệu, khảo sát quá trình nấu bột giấy, nghiền bột

giấy và xác định một số tính chất của giấy thành phẩm.

Kết quả về thành phần hóa học của nguyên liệu như sau: Xenlulose chiếm 41,65%, lignin

chiếm 15,9%, tro chiếm 14,52%, silic trong tro chiếm 45,66%, chất trích ly chiếm 8,8%.

Hàm lượng tro và silic trong tro của rơm rạ cao dễ gây hao mòn thiết bị sản xuất, cản trở

quá trình sử lý dịch đen. Hàm lượng lignin thấp tiêu tốn ít hóa chất, năng lượng nấu,

giảm lượng dịch đen thải ra môi trường.

Nấu bột giấy bằng phương pháp soda với điều kiện nấu tối ưu như sau:

Tỉ lệ L/W : 5/1

Thời gian nấu 60 phút : 30 phút gia nhiệt và 30 phút bảo ôn

Hàm lượng NaOH : 10%

Nhiệt độ : 130C

Kết quả đạt được sau khi nấu là: Hiệu suất đạt 50,4%, chỉ số kappa 20,37, độ tro

của bột là 8,73%. Phương pháp nấu này thích hợp để thực hiện trong điều kiện của

phòng thí nghiệm nhưng vẫn cho kết quả tốt. Đồng thời ta có thể ứng dụng phương pháp

này trong việc sản xuất với qui mô lớn, đặc biệt nấu bột giấy bằng phương pháp soda khí

thải sinh ra nhẹ mùi hạn chế ô nhiễm không khí.Các kết quả đo đạc, kiểm tra về các tính

chất của giấy làm từ rơm rạ cho thấy giấy làm từ rơm rạ cho độ bền cơ lý cao, thích hợp

để sản xuất các loại giấy yêu cầu về độ bền cơ lý cao như giấy in, giấy in báo, giấy viết.