Đề tài Nghiên cứu sự biến đổi tính chất vật lý và hóa học của nguyên liệu gỗ keo trong quá trình xử lý kiềm nóng

ó vai trò rất quan trọng có ảnh hưởng đến chất lượng bột cũng như hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ tẩy trắng. + Gỗ keo tai tượng và keo lai nhìn chung có tính chất vật lý và thành phần hoá học khác biệt so với gỗ thông là loại nguyên liệu đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ tẩy trắng. Sự khác biệt này cho phép dự báo rằng quy trình công nghệ xử lý hoá chất trước khi nghiền cũng sẽ rất khác nhau giữa các loại nguyên liệu này. + Từ kết quả nghiên cứu tài liệu, giai đoạn xử lý mảnh một số loại gỗ keo với dung dịch xút (NaOH) cùng với các yếu tố công nghệ như mức dùng hoá chất, nhiệt độ và thời gian xử lý đã được nhóm đề tài lựa chọn nhằm mục đích nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ xử lý thích hợp cho phép sản xuất được các loại bột có chất lượng tốt và chi phí sản xuất thấp. 30 PHẦN II NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu, hoá chất và thiết bị nghiên cứu 2.1.1 Nguyên liệu Nguyên liệu được dùng để nghiên cứu là gỗ keo tai tượng, keo lai (6 tuổi) được lấy từ Lâm trường Tam Thanh – Phú Thọ. Mẫu gỗ được lấy theo phương pháp cây tiêu chuẩn. Mỗi cỡ tuổi ở một địa điểm lấy 3 mẫu cây, mỗi cây lấy 3 mẫu ở 3 vị trí khác nhau: Gốc, giữa và ngọn cây (đầu ngọn lấy đến 5cm), mỗi mẫu dài 1,3m. Mẫu sau khi lấy được vận chuyển tới phòng thí nghiệm, được cưa rồi chẻ thành những mảnh nhỏ có kích thước: 25 x 25 x (2-3) mm. Sau đó, mảnh được phơi khô, loại bỏ cát sạn và mảnh không hợp cách còn sót lại. Mảnh sau đó được cho vào túi nilon bảo quản, giữ đồng ẩm và xác định độ khô trước khi tiến hành thí nghiệm. Thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng, keo lai và bạch đàn được đưa ra trong bảng 2.1. Bảng 2.1 Thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng, keo lai Hàm lượng, (%) TT Các chỉ số Keo tai tượng Keo lai 1 Xenluylô 50,84 49,87 2 Lignin 25,19 24,60 3 Pentozan 23,72 20,75 4 Tro 0,15 0,43 5 Các chất tan trong Nước nóng 4,92 2,43 Nước lạnh 3,55 1,47 Axeton 3,31 2,77 NaOH 1% 13,0 10,1 2.1.2 Hoá chất Hoá chất sử dụng chính trong nghiên cứu là hoá chất công nghiệp: NaOH, Na2CO3, Na2SO3 độ thuần 95-98%. Các hoá chất phân tích khác dạng tinh khiết. 31 2.1.3 Thiết bị - Nồi nấu bột thí nghiệm thể tích 4,5 lít gia nhiệt trực tiếp bằng điện - Máy nghiền bột cơ học do Ấn Độ sản xuất (công suất động cơ 37 kw, vòng quay động cơ 1450 vòng/phút, ∅ đĩa nghiền 350 mm). - Máy nghiền bột kiểu Hà Lan dung tích 4,5 lít (công suất động cơ 5,5 kw, vòng quay động cơ 960 vòng/phút, ∅ lô dao bay 190 mm). - Máy xeo Rapid-Kothen, hãng PTI của Áo sản xuất - Máy đo độ nghiền, hãng PTI của Áo sản xuất - Máy đo độ chịu xé Elmendorf do hãng Frank Prufgerate sản xuất - Máy đo độ chịu bục do hãng Metrotex sản xuất - Máy đo độ bền kéo và độ bền nén vòng Housfield do hãng Siber Hegner sản xuất. - Cân điện tử Metler độ chính xác ±0.0001g của Thụy Sĩ 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Mô tả phương pháp nghiên cứu * Xử lý dăm mảnh với dung dịch Natri hydroxyt: Quá trình xử lý được tiến hành trong nồi nấu thí nghiệm 4,5 lít, gia nhiệt trực tiếp bằng điện, mỗi mẻ nấu sử dụng 600 g dăm mảnh khô tuyệt đối. Kết thúc quá trình xử lý, dịch đen được tách ra để xác định tàn kiềm, dăm mảnh được rửa sơ bộ. Sau đó, một phần dăm mảnh được chẻ nhỏ rửa sạch xút để phân tích thành phần hóa học và phần dăm mảnh còn lại được đem đi nghiền, xeo để xác định tính chất cơ lý của bột giấy. * Nghiền bột giấy: Quá trình nghiền bột giấy được chia làm 2 giai đoạn: - Giai đoạn thứ nhất: Mảnh được nghiền sơ bộ trên máy nghiền bột cơ học dạng đĩa do Ấn Độ chế tạo. Mảnh được nạp từ từ vào phễu nạp liệu qua vít tải mảnh tới đĩa nghiền. Dưới tác dụng của áp lực nghiền tăng dần, dăm mảnh đập nát và tách ra thành xơ sợi. Bột sau nghiền được rửa và xả qua lưới mắt ≠40. Phần bột qua lưới (hợp cách) đem đi nghiền tiếp ở máy nghiền Hà Lan 4,5lít đạt độ nghiền yêu cầu, phần không hợp cách đem đi nghiền lại ở máy nghiền bột cơ học Ấn Độ. 32 - Giai đoạn thứ hai: Bột giấy hợp cách sau giai đoạn nghiền thứ nhất được nghiền tiếp bằng máy nghiền Hà Lan 4,5 lít với nồng độ nghiền 2% để đạt đến độ nghiền yêu cầu. * Xeo mẫu giấy thí nghiệm: Bột giấy sau nghiền được xeo thành mẫu giấy thí nghiệm với định lượng 70 g/m2 trên máy xeo Rapid-Kothen để xác định tính chất cơ lý của bột giấy . 2.2.2 Chuẩn bị mẫu phân tích thành phần hóa học Phần dăm mảnh sau xử lý kiềm nóng được rửa sạch, xay thành bột mịn trong máy xay gỗ thí nghiệm dùng để phân tích thành phần hoá học. Mẫu bột gỗ hợp cách là loại được lấy trên sàng với mắt sàng 0,3mm và dưới mắt sàng 0,4mm và được tách loại các tạp chất kim loại bằng nam châm. 2.2.3 Phân tích thành phần hoá học nguyên liệu và bột giấy. a. Tỷ trọng của dăm mảnh được xác định theo tiêu chuẩn Scan-CM 43:95 b. Tỷ trọng của gỗ được xác định theo tiêu chuẩn TAPPI-T258 os-76 c. Độ trắng của dăm mảnh được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2856-2000 d. Thành phần hoá học của nguyên liệu được xác định theo tiêu chuẩn sau: Xenluylô : Kiurscher-Hoffer Lignin : TAPPI-13 Pentozan : TAPPI-19, Bromít-bromát Các chất tan trong + Axeton : TAPPI T-280 + NaOH 1% : TAPPI T-212 + Nước nóng : TAPPI T-207 + Nước lạnh : TAPPI T-207 e. Phân tích tính chất cơ lý của bột giấy được xác định tại phòng thí nghiệm hoá lý của Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô theo các tiêu chuẩn sau: Xác định định lượng : TCVN 1270 : 2000 Xác định độ bền kéo : TCVN 1862 : 2000 Xác định độ bền xé : TCVN 3229 : 2000 Xác định độ chịu bục : TCVN 3228 : 2000 Bột giấy được nghiền đến độ nghiền 30 0SR trên máy nghiền thí nghiệm kiểu Hà Lan. Bột giấy sau khi đạt độ nghiền được xeo thành tờ giấy mẫu với định lượng 70 g/m2 trên máy xeo rappid thí nghiệm. Tờ giấy mẫu xeo thí nghiệm được bảo quản 33 trong điều kiện tiêu chuẩn và sau đó xác định các tính chất cơ lý theo tiêu chuẩn tại phòng thí nghiệm của Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô. 2.2.4 Phương pháp xác định giới hạn bền khi kéo trượt dọc thớ (cường độ trượt dọc thớ). + Nguyên tắc: Xác định bền khi trượt dọc thớ bằng tác dụng một lực ép tăng dần đều lên mẫu thử. + Phương pháp: Chiều dầy của mẫu 2,5 mm, chiều dài của mặt trượt 2cm. Đo chiều dầy của mẫu và chiều dài của mặt trượt dự tính chính xác đến 0,1 mm. Đảm bảo các bề mặt của mẫu tiếp xúc với các mặt thích hợp của dụng cụ. Tốc độ tác dụng lực lên mẫu phải đảm bảo mẫu bị phá hủy trong thời gian 1,5 đến 2 phút tính từ thời điểm tác dụng lực. Số liệu lực phá hủy với độ chính xác đến 1%. Sau khi thí nghiệm kết thúc, tiến hành xác định độ ẩm theo qui định tại ISO 3130. + Tính toán: Giới hạn bền khi trượt dọc thớ theo chiều xuyên tâm hoặc tiếp tuyến (τw)cho từng mẫu thử ở độ ẩm (W) tại thời điểm thí nghiệm được tính bằng MPa theo công thức sau: τw = Pmax/bl Trong đó: Pmax: lực phá hủy, tính bằng N; b: chiều dầy của mẫu, tính bằng mm l: chiều dài của mặt trượt, tính bằng mm 34 PHẦN III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Từ kết quả nghiên cứu tài liệu, giai đoạn xử lý mảnh một số loại gỗ keo với dung dịch xút (NaOH) cùng với các yếu tố công nghệ như mức dùng hoá chất, nhiệt độ và thời gian xử lý đã được nhóm đề tài lựa chọn nhằm mục đích nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ xử lý thích hợp cho phép sản xuất được các loại bột có chất lượng tốt và chi phí sản xuất thấp. 3.1 Nghiên cứu sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng. 3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng. Theo các kết quả đã nghiên cứu tài liệu[11,12] từ nguyên liệu gỗ cứng đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng, bột bán hóa, bột hoá học tẩy trắng thông thường tỷ dịch 1/4. Nồng độ kiềm giai đoạn thẩm thấu bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng BCTMP là 12,5 g/l, nồng độ kiềm bột bán hóa là 15 g/l[11,12], nên nhóm đề tài lựa chọn khoảng nồng độ kiềm nghiên cứu từ 5÷30 g/l. Điều kiện công nghệ áp dụng nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng, keo lai được lựa chọn như sau: + Thời gian xử lý : 90 phút + Tỷ lệ dịch : 1/4 + Nhiệt độ : 95 0C + Nồng độ kiềm : 5, 10, 15, 20, 25, 30 g/l 3.1.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng trong quá trình xử lý kiềm nóng. Mảnh tiêu chuẩn từ gỗ keo tai tượng được xử lý kiềm nóng với nồng độ kiềm thay đổi từ 5 đến 30 g/l. Kết qủa trong quá trình xử lý kiềm nóng được đưa ra trong bảng 3.1 35 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ gỗ keo tai tượng. Nồng độ kiềm, (g/l) KTT 5 10 15 20 25 30 Mức dùng kiềm, (%) 2,25 4,50 6,75 9,00 11,25 13,50 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 440,86 437,73 421,68 393,17 390,57 386,45 385,05 Độ trắng, (% ISO) 40,12 37,91 35,52 33,45 30,81 29,23 27,57 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 4,53 3,30 2,53 2,20 1,67 1,40 1,27 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 3,31 1,68 1,02 0,74 0,58 0,51 0,37 Xenluylô, (%) 50,84 50,17 49,85 49,56 49,31 49,23 49,15 Lignin, (%) 25,19 23,36 22,87 22,77 22,65 22,60 22,45 Pentozan, (%) 23,72 21,89 20,29 19,45 18,88 18,69 18,46 Hiệu suất bột giấy, (%) - 92,31 90,48 90,21 89,92 89,64 89,08 Tàn kiềm, (g/l) - 0,7 1,0 3,8 7,0 12,5 17,0 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) - 3870 4210 4496 4580 4620 4640 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) - 1,76 1,94 2,06 2,09 2,16 2,23 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) - 3,79 4,87 5,10 5,16 5,24 5,29 KTT: Nguyên liệu gỗ keo tai tượng ban đầu, phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. - Tính chất vật lý: Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ kiềm có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất vật lý trong quá trình xử lý kiềm nóng. Xu hướng biến đổi chung của kết quả xử lý kiềm nóng là tỷ trọng giảm khi tăng nồng độ kiềm từ 5 đến 30 g/l. Khi nồng độ kiềm cao thì các chất hữu cơ bị hòa tan nhiều hơn như các chất trích ly, dăm mảnh trương nở nhiều hơn theo chiều dọc và chiều ngang nên tỷ trọng của dăm mảnh giảm. Nâng nồng độ kiềm lên 30 g/l tỷ trọng giảm 12,66% so với nồng nguyên liệu ban 36 đầu, giảm 12,03% so với nồng độ kiềm 5 g/l. Tỷ trọng giảm rất nhanh khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 15 g/l và tỷ trọng giảm dần khi tăng nồng độ kiềm từ 15 lên 30 g/l. 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng Kết quả bảng 3.1 cho thấy độ trắng giảm khá rõ rệt khi tăng nồng độ kiềm trong quá trình xử lý kiềm nóng. Đối với bột cơ học tẩy trắng, độ trắng ban đầu của nguyên liệu cũng như độ trắng của dăm mảnh sau thẩm thấu hóa chất có ảnh hưởng rất lớn đến độ trắng của bột sau tẩy trắng. Độ trắng của dăm mảnh sau thẩm thấu hóa chất đối với bột cơ học tẩy trắng thấp sẽ rất khó khăn tăng độ trắng của bột ở giai đoạn tẩy trắng. Khi tăng nồng độ kiềm đến 30 g/l độ trắng giảm 31,28 % so với nguyên liệu ban đầu chưa xử lý và giảm 27,28% so với nồng độ kiềm 5 g/l. Hình 3.2 cho thấy khi nâng nồng độ kiềm từ 5 lên 20 g/l độ trắng giảm nhanh hơn so với khi nâng nồng độ kiềm từ 20 g/l lên 30 g/l. 20 25 30 35 40 45 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Đ ỗ tr ắn g, (% ) Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng 37 Bảng 3.1 cho thấy cường độ trượt dọc thớ giảm khá nhanh (49,39%) khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 20 g/l, giảm dần khi tăng nồng độ kiềm từ 20 lên 30 g/l. Với nồng độ kiềm 30 g/l cường độ trượt dọc thớ giảm 3,57 lần so với nguyên liệu ban đầu, có thể thấy nồng độ kiềm xử lý ảnh hưởng tương đối rõ nét đối với cường độ trượt dọc thớ. Trong sản xuất bột hóa học thì dùng hóa chất và điều kiện nấu để tách xơ sợi là chủ yếu. Bột cơ học chủ yếu dùng lực cơ học tách xơ sợi, dùng hóa chất chỉ tách loại một phần các thành phần hóa học mà chủ yếu là các chất nhựa, làm mềm mảnh và yếu đi các liên kết xơ sợi. Cường độ trượt dọc thớ phản ánh gián tiếp năng lượng nghiền vì quá trình nghiền bột giấy là tách xơ sợi, phân tơ chổi hóa, cắt ngắn xơ sợi. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến cường độ trượt dọc thớ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. - Thành phần hóa học: Bảng kết quả 3.1 khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 30 g/l cho thấy xenluylô, lignin giảm không đáng kể như xenluylô giảm 2%, lignin giảm 3,90%, pentozan giảm 15,66%. Các chất trích ly giảm nhiều nhất (giảm 77,98%) khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 30 g/l. Điều này có thể được giải thích trong quá trình xử lý kiềm nóng, nhiệt độ thấp các phản ứng hóa học của xenluylô, lignin với xút hầu như không xảy ra, hầu như chỉ có phản ứng của xút với các chất trích ly, một phần pentozan phản ứng với xút. Nên hiệu suất của bột rất cao từ 92,31% đến 89,08% với nồng độ kiềm từ 5 đến 30 g/l. 38 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Th àn h ph ần h óa h ọc , ( % ) Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. - Tính chất cơ lý của bột giấy: Tính chất cơ lý của bột giấy tăng nhanh khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 15 g/l như chiều dài đứt tăng 17,83%, chỉ số độ bền xé tăng 34,56%. Khi tăng nồng độ kiềm từ 15 lên 30 g/l tính chất cơ lý của bột giấy tăng dần. 3600 3750 3900 4050 4200 4350 4500 4650 4800 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) C hi ều d ài đ ứt , ( m ) Hình 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến chiều dài đứt trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. 3.1.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo lai trong quá trình xử lý kiềm nóng. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tính chất vật lý, thành phần hoá học từ nguyên liệu gỗ keo lai được đưa ra trong bảng 3.2 39 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ nguyên liệu gỗ keo lai. Nồng độ kiềm, (g/l) KL 5 10 15 20 25 30 Mức dùng kiềm, (%) 2,25 4,50 6,75 9,00 11,25 13,50 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 438.30 436.15 420.32 390.89 387.35 385.21 381.80 Độ trắng, (% ISO) 44.31 41.87 39.36 36.95 34.12 32.20 30.47 Cường độ trượt dọc thớ (N/mm2) 4,47 3,25 2,47 2,16 1,65 1,38 1,26 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 2,77 1.40 0.84 0.62 0.51 0.40 0.32 Xenluylô, (%) 49,87 49.23 48.91 48.61 48.35 48.27 48.23 Lignin, (%) 24,60 22.80 22.34 22.24 22.14 22.05 21.94 Pentozan, (%) 20,75 19.16 17.72 17.01 16.54 16.32 16.17 Hiệu suất bột giấy, (%) - 92.05 90.19 89,91 89,64 89,30 88,75 Tàn kiềm, (g/l) - 0,6 1,1 3,6 6,8 12,8 16,7 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) - 3868 4206 4490 4578 4614 4639 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) - 1,73 1,92 2,04 2,09 2,16 2,21 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) - 3,74 4,85 5,13 5,17 5,24 5,32 KL: Nguyên liệu gỗ keo lai ban đầu, phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. - Tính chất vật lý: Kết quả bảng 3.2 cho thấy khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 30 g/l tỷ trọng giảm 12,46%, tỷ trọng giảm nhanh khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 15 g/l. Quy luật này tương tự như ảnh hưởng của nồng độ kiềm đối với keo tai tượng, khi tăng nồng độ kiềm tỷ trọng của dăm mảnh giảm. 40 370 380 390 400 410 420 430 440 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. Kết quả trong bảng 3.2 cho thấy độ trắng ảnh hưởng khá rõ rệt vào nồng độ kiềm trong quá trình xử lý kiềm nóng. Kết quả cho thấy xu hướng chung của độ trắng là giảm khi tăng nồng độ kiềm như khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 30 g/l độ trắng giảm 27,23%. Trong quá trình sản xuất bột hóa học độ trắng của bột sau tẩy phụ thuộc chủ yếu vào trị số kappa sau nấu (hàm lượng lignin còn lại trong bột). Nhưng bột cơ học tẩy trắng thì hàm lượng lignin sau thẩm thấu giảm không đáng kể, quá trình tẩy trắng bột cơ học chủ yếu tẩy trắng các nhóm mang màu của lignin, chứ không loại bỏ lignin như đối với tẩy trắng bột hóa học. Nên độ trắng của dăm mảnh sau xử lý ảnh hưởng rất quan trọng đến độ trắng của bột cơ học sau tẩy trắng. 20 25 30 35 40 45 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Đ ộ trắ ng , ( % IS O ) Hình 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. Khi tăng mức dùng kiềm từ 5 đến 30 g/l cường độ trượt dọc thớ giảm khá nhiều cũng tương tự như ảnh hưởng của nồng độ kiềm đối với gỗ keo tai tượng trong quá trình xử lý kiềm nóng. Cường độ trượt dọc thớ giảm 61,23% khi tăng nồng độ 41 kiềm từ 5 đến 30 g/l, cường độ trượt dọc thớ giảm rất nhanh khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 10 g/l. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến cường độ trượt dọc thớ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. - Thành phần hóa học: Kết quả trong bảng này cho thấy khi tăng nồng độ kiềm thì thành phần hóa học giảm không đáng kể, chủ yếu giảm các chất trích ly. Kết quả này hoàn toàn phù hợp vì hiệu suất bột giấy thu nhận được rất cao khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 30 g/l, hiệu suất bột giảm chủ yếu do hàm lượng các chất trích ly bị hòa tan, mà hàm lượng các chất trích ly khá ít trong nguyên liệu gỗ ban đầu. 0 10 20 30 40 50 60 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Th àn h ph ần h óa h ọc , ( % ) Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly Hình 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng từ nguyên liệu gỗ keo lai. - Tính chất cơ lý của bột giấy: Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 30 g/l tính chất cơ lý của bột giấy tăng như: chiều dài đứt tăng 19,93%, chỉ số độ chịu bục tăng 27,75%, 42 chỉ số độ bền xé tăng 42,25%. Tính chất cơ lý của bột giấy tăng nhanh nhất khi tăng nồng độ kiềm từ 5 đến 15 g/l. 3600 3750 3900 4050 4200 4350 4500 4650 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) C hi ều d ài đ ứt , ( m ) Hình 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến chiều dài đứt trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. 3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng. Thời gian xử lý là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và tính chất cơ lý của bột giấy. Thời gian xử lý đủ, đảm bảo cho hóa chất khuếch tán và thẩm thấu đều vào trong các mao mạch gỗ, trong môi trường kiềm làm cho các mảnh nguyên liệu trương nở tạo điều kiện cho các phản ứng hoá học của xút với các chất nhựa, một phần hêmixenluylô, một phần pentozan và lignin làm cho mảnh mềm dễ nghiền. Theo các kết quả nghiên cứu, thời gian xử lý giai đoạn thẩm thấu bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng CTMP [11] là 15 phút, thời gian xử lý bột bán hóa là 120 phút [12]. Trong nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học đối với gỗ keo tai tượng và keo lai, ngoài các yếu tố cố định được nêu ở trên, các điều kiện như nồng độ kiềm và thời gian xử lý được lựa chọn như sau: + Nồng độ kiềm : 15 g/l + Thời gian xử lý : 15, 30, 60, 90, 120, 150, 180 phút 3.1.2.1 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng trong quá trình xử lý kiềm nóng. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng thời gian xử lý trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng, keo lai được đưa ra trong bảng 3.3 43 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ gỗ keo tai tượng. Thời gian xử lý, (phút) 15 30 60 90 120 150 180 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 400,75 397,45 395,19 393,17 391,86 389,92 389,03 Độ trắng, (% ISO) 35,22 34,42 34,18 33,45 32,67 30,28 27,69 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 3,43 3,17 2,70 2,20 1,77 1,53 1,42 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 1,19 1,00 0,87 0,74 0,72 0,70 0,67 Xenluylô, (%) 50,26 50,09 49,97 49,56 49,48 49,35 49,29 Lignin, (%) 23,98 23,64 23,28 22,77 22,69 22,49 22,41 Pentozan, (%) 20,68 20,34 20,00 19,45 19,30 19,18 19,06 Hiệu suất bột giấy, (%) 94,24 93,17 92,02 90,21 90,04 89,35 89,17 Tàn kiềm, (g/l) 4,6 4,3 4,0 3,8 3,0 2,7 2,5 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) 3824 4053 4290 4496 4580 4590 4610 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) 1,85 1,90 1,94 2,06 2,15 2,28 2,29 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) 4,73 4,96 5,02 5,10 5,22 5,25 5,28 Phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. - Tính chất vật lý: Phân tích kết quả trong bảng 3.3 cho thấy rằng, tương tự như nồng độ kiềm, thời gian xử lý có ảnh hưởng quan trọng đến tỷ trọng của dăm mảnh. Tỷ trọng của dăm mảnh giảm dần khi tăng thời gian xử lý, thời gian xử lý tăng từ 15 lên 180 phút tỷ trọng của dăm mảnh giảm 2,92%. Kết quả trong bảng này cũng cho thấy khi tăng thời gian xử lý thì thành phần hóa học giảm, khi tăng thời gian xử lý dăm mảnh có thể trương nở về thể tích nhiều hơn do vậy tỷ trọng của dăm mảnh giảm. So với nồng độ kiềm ảnh hưởng của thời gian xử lý lên tỷ trọng dăm mảnh thấp hơn rất nhiều. 44 382 384 386 388 390 392 394 396 398 400 402 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. Độ trắng giảm rõ rệt hơn khi tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút (15,24%) so với khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút (5,08%). Điều này có thể được giải thích khi thời gian xử lý kéo dài một số hợp chất hữu cơ (các chất nhựa, pentozan, lignin…) tan trong dịch kết hợp với nhau sinh ra các nhóm mang màu làm cho độ trắng giảm, có thể các nhóm trong phân tử lignin biến đổi sinh ra các nhóm mang màu. 20 23 26 29 32 35 38 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Đ ộ tr ắn g, (% IS O ) Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. Phân tích số liệu trong bảng 3.3 cho thấy xu hướng cường độ trượt dọc thớ giảm khi tăng thời gian xử lý. Khi thời gian xử lý tăng các phản ứng của xút với các chất nhựa, một phần (xenluylô, lignin, pentozan) nhiều hơn, dăm mảnh trương nở. Vì vậy, dăm mảnh mềm hơn và lực liên kết giữa các xơ sợi giảm nên cường độ trượt dọc thớ giảm. Cường độ trượt dọc thớ giảm nhanh hơn khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút (48,40%) so với khi tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút (19,77%). 45 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến cường độ trượt dọc thớ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. - Thành phần hóa học: Trong quá trình xử lý kiềm nóng tương tự như ảnh hưởng của nồng độ kiềm thì khi tăng thời gian xử lý các thành phần hóa học hầu như không giảm hoặc giảm không đáng kể. Mà chủ yếu giảm các chất trích ly, khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 180 phút các chất trích ly giảm 43,70%, pentozan giảm 7,83%. Do đó, hiệu suất bột giấy thu nhận được rất cao từ 89,17% đến 94,24%. Khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút thành phần hóa học giảm nhanh hơn (như các chất trích ly giảm 39,50 %) so với khi tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút (như các chất trích ly giảm 6,94 %). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Th àn h ph ần h óa h ọc , ( % ) Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến thành phần hóa học trong qúa trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. 46 - Tính chất cơ lý của bột giấy: Qua kết quả bảng 3.3 cho thấy nhìn chung tính chất cơ lý của bột giấy tăng khi tăng thời gian xử lý. Tuy nhiên, khi tăng thời gian xử lý từ 15 phút lên 120 phút thì tính chất cơ lý của bột tăng nhanh hơn (như chiều dài đứt tăng 19,77%) so với khi tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút (như chiều dài đứt tăng 0,66%). Quy luật này hoàn hoàn phù hợp vì thành phần hóa học giảm nhanh khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút so với khi tăng thời gian từ 120 lên 180 phút. 3500 3650 3800 3950 4100 4250 4400 4550 4700 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Ch iề u dà i đ ứ t, (m ) Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến chiều dài đứt trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. 3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo lai trong quá trình xử lý kiềm nóng. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian xử lý đến tính chất vật lý, thành phần hoá học từ nguyên liệu gỗ keo lai được đưa ra trong bảng 3.4 47 Bảng 3.4 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ gỗ keo lai. Thời gian xử lý, (phút) 15 30 60 90 120 150 180 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 398,23 394,79 392,56 390,89 389,59 387,56 386,47 Độ trắng, (% ISO) 38,94 38,05 37,72 36,95 36,08 33,45 30,60 Cường độ trượt dọc thớ (N/mm2) 3,36 3,12 2,64 2,16 1,76 1,50 1,39 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 1,00 0,83 0,74 0,62 0,60 0,58 0,54 Xenluylô, (%) 49.28 49,15 49,04 48,61 48,54 48,42 48,36 Lignin, (%) 23,40 23,09 22,75 22,24 22,16 21,95 21,91 Pentozan, (%) 18,09 17,79 17,50 17,01 16,88 16,78 16,67 Hiệu suất bột giấy, (%) 93,93 92,86 91,71 89,91 89,74 89,05 88,87 Tàn kiềm, (g/l) 4,5 4,1 4,8 3,6 3,2 2,7 2,4 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) 3821 4052 4285 4490 4576 4586 4600 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) 1,81 1,87 1,94 2,04 2,13 2,22 2,28 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) 4,74 4,50 5,03 5,13 5,25 5,29 5,32 Phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. - Tính chất vật lý: Kết quả nghiên cứu trong bảng 3.4 cho thấy khi tăng thời gian xử lý tỷ trọng giảm dần, tỷ trọng giảm nhanh khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút so với khi tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút. Kết quả này tương tự như đối với ảnh hưởng của thời gian xử lý đối với nguyên liệu gỗ keo tai tượng. Khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 180 phút tỷ trọng giảm 2,95%. 48 384 386 388 390 392 394 396 398 400 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. Khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 180 phút độ trắng giảm 22,03%, độ trắng giảm nhanh hơn khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút so với khi tăng thời gian xử lý từ 120 phút lên 180 phút. Cùng với tính chất cơ lý của bột giấy sau xử lý thì độ trắng là một trong những yếu tố quan trọng đối với bột cơ học tẩy trắng. Độ trắng ban đầu của gỗ keo lai cao hơn so với gỗ keo tai tượng nên cùng với thời gian xử lý là 180 phút thì độ trắng của keo lai là 30,36 % ISO, keo tai tượng là 27,69 % ISO. 27 29 31 33 35 37 39 41 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Đ ộ tr ắn g, (% IS O ) Hình 3.17 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. Từ kết quả của bảng này cũng cho thấy ảnh hưởng của thời gian xử lý đến cường độ trượt dọc thớ của gỗ keo lai tương tự như đối với cường độ trượt dọc thớ của gỗ keo tai tượng. Khi tăng thời gian xử lý thì cường độ trượt dọc thớ giảm dần nhưng khi kéo dài thời gian xử lý thì cường độ trượt dọc thớ giảm chậm hơn. 49 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến cường độ trượt dọc thớ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. - Thành phần hóa học: Kết quả ảnh hưởng của thời gian xử lý trong quá trình xử lý kiềm nóng ảnh hưởng không nhiều đến thành phần hóa học của nguyên liệu. Chỉ có các chất trích ly tan trong axeton giảm nhiều khi tăng thời gian xử lý, như với thời gian xử lý 180 phút các chất trích ly giảm gần một nửa so với thời gian xử lý 15 phút. Nên hiệu suất bột giảm không nhiều khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 180 phút. Tuy nhiên đối với nấu bột hóa học cùng với mức dùng kiềm thì thời gian nấu cũng là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất và trị số kappa (cũng như thành phần hóa học của nguyên liệu còn lại chủ yếu là xenluylô và một phần lignin). 0 10 20 30 40 50 60 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) Th àn h ph ần h óa h ọc , ( % ) Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly Hình 3.19 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. 50 - Tính chất cơ lý của bột giấy: Kết quả trong bảng 3.4 phân tích cho thấy tính chất cơ lý của bột giấy tăng dần khi tăng thời gian xử lý. Nhưng tính chất cơ lý của bột giấy tăng nhanh hơn khi tăng thời gian xử lý từ 15 lên 120 phút so với khi tăng thời gian xử lý từ 120 lên 180 phút. Khi tăng thời gian xử lý thì tính chất cơ lý của bột tăng nhưng lại làm giảm độ trắng và hiệu suất bột giấy. Do vậy, đối với bột cơ học tẩy trắng lựa chọn thời gian xử lý để tính chất cơ lý của bột giấy cao nhưng vẫn phải đảm bảo độ trắng không thấp quá và hiệu suất bột cao. 3600 3750 3900 4050 4200 4350 4500 4650 4800 15 30 60 90 120 150 180 Thời gian xử lý, (phút) C hi ều d ài đ ứt , ( m ) Hình 3.20 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến chiều dài đứt trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. 3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng. Nhiệt độ nấu ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất, chất lượng bột giấy, nhiệt độ nấu thấp thì để đạt được cùng một trị số kappa thời gian bảo ôn kéo dài, khi nấu ở nhiệt độ cao thì thời gian bảo ôn giảm nhưng khi đó tốc độ phản ứng cắt mạch lignin càng cao. Tùy theo mục đích và yêu cầu của chất lượng sản phẩm và nguyên liệu đầu vào mà nhiệt độ nấu khác nhau. Theo các nghiên cứu về tốc độ phản ứng tách loại lignin đã cho thấy rằng khi nhiệt độ nấu cao hơn 150 0C, nếu nhiệt độ tăng thêm 10 0C thì tốc độ phản ứng tăng lên khoảng 2 lần. Theo kết quả nghiên cứu và tài liệu đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng và bột bán hóa [11, 12] nhiệt độ xử lý từ 90 ÷ 950C. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài xử lý trong môi trường kiềm nóng nên nhóm đề tài lựa chọn khoảng nhiệt độ nghiên cứu: 51 + 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 của nhiệt độ xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng trong quá trình xử lý kiềm nóng. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý, thành phần hoá học từ nguyên liệu gỗ keo tai tượng được đưa ra trong bảng 3.5 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ nguyên liệu gỗ keo tai tượng. Nhiệt độ xử lý, (0C) 65 80 95 110 125 140 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 400,47 397,25 391,86 386,31 378,80 371,97 Độ trắng, (% ISO) 34,69 33,92 32,67 28,73 26,56 21,68 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 3,20 2,63 1,77 1,43 1,27 0,93 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 1,08 0,83 0,72 0,55 0,52 0,48 Xenluylô, (%) 50,75 50,19 49,48 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 Tàn kiềm, (g/l) 4,2 3,7 3,0 2,4 1,6 1,0 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) 3720 4180 4580 4712 4853 5010 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) 1,67 1,98 2,15 2,67 3,02 3,45 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) 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 được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. 52 - Tính chất vật lý: Từ bảng kết quả 3.5 phân tích số liệu cho thấy cùng với nồng độ kiềm, thời gian xử lý thì nhiệt độ xử lý là 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 thì tỷ trọng giảm 2,15%. Tỷ trọng giảm nhanh khi tăng nhiệt độ xử lý từ 95 0C đến 140 0C (tỷ trọng giảm 5,08%) so với khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C (tỷ trọng giảm 2,15%). Khi tỷ trọng giảm thì dăm mảnh nguyên liệu sẽ xốp hơn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiền. 360 365 370 375 380 385 390 395 400 405 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. Kết quả trong bảng này cho thấy độ trắng chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ xử lý, khi ở nhiệt độ xử lý càng cao độ trắng giảm rất nhanh, như khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C lên 95 0C thì độ trắng giảm 5,82%, nhưng khi tăng nhiệt độ xử lý từ 95 0C lên 140 0C thì độ trắng giảm 33,64 %. Khi nhiệt độ lớn hơn 140 0C thì các phản ứng của lignin bắt đầu xảy ra, trong quá trình phản ứng với xút ngoài việc hòa tan lignin vào dịch đen còn xảy ra phản ứng biến đổi các nhóm mang màu của lignin nên bột giấy có màu nâu sẫm. Do vậy, nhiệt độ là một trong những yếu tố rất nhạy cảm với độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng. 53 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Đ ộ tr ắn g, (% IS O ) Hình 3.22 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. Cường độ trượt dọc thớ giảm (giảm 70,94%) khi tăng nhiệt độ từ 65 0C đến 140 0C. Với nhiệt độ xử lý 140 0C thì cường độ trượt dọc thớ là 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 này phản ánh đúng bản chất bởi đối với sản xuất bột cơ học thì tác nhân chủ yếu dùng năng lượng nghiền để tách các xơ sợi nên cường độ trượt dọc thớ cao. Còn đối với sản xuất bột hóa học thì tác nhân chủ yếu là dùng hóa chất để tách các xơ sợi nên cường độ trượt dọc thớ giảm. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cường độ trượt dọc thớ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. - Thành phần hóa học: Trong quá trình xử lý kiềm nóng khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C thì thành phần hóa học giảm không đáng kể chủ yếu là các chất trích ly giảm. Nhưng khi tăng nhiệt độ gần 140 0C thì thành phần hóa học giảm nhanh, nhất là lignin và pen- tozan, bởi ở khoảng lớn hơn nhiệt độ này các phản ứng của lignin, pentozan bắt đầu 54 xảy ra nhưng với tốc độ chậm. Nên khi tăng nhiệt độ xử lý từ 125 0C lên 140 0C thì lignin giảm 7,29%, pentozan giảm 8,80% và hiệu suất bột giấy cũng giảm nhanh hơn (giảm 2,85%). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Th àn h ph ần h óa h ọ c, (% ) Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. - Tính chất cơ lý của bột giấy: Qua kết quả bảng 3.5 cho thấy tính chất cơ lý của bột giấy thu nhận được chịu ảnh hưởng rất rõ rệt vào nhiệt độ, khi tăng nhiệt độ từ 65 0C lên 140 0C, như chiều dài đứt tăng 34,68%, chỉ số độ chịu bục tăng 1,78 đơn vị, chỉ số độ bền xé tăng 2,48%. Như đã phân tích ở trên cường độ trượt dọc thớ, tỷ trọng và thành phần hóa học giảm khi tăng nhiệt độ xử lý và quy luật này phản ánh đúng quy luật tăng tính chất cơ lý của bột giấy. 3400 3550 3700 3850 4000 4150 4300 4450 4600 4750 4900 5050 5200 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) C hi ều d ài đ ứt , ( m ) Hình 3.25 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến chiều dài đứt trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng. 55 3.1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo lai trong quá trình xử lý kiềm nóng. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý, thành phần hoá học từ nguyên liệu gỗ keo lai được đưa ra trong bảng 3.6 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ nguyên liệu gỗ keo lai. Nhiệt độ xử lý, (0C) 65 80 95 110 125 140 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 398,15 394,95 389,59 384,07 377,91 369,84 Độ trắng, (% ISO) 39,42 38,57 36,08 31,73 29,34 23,95 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 3,18 2,60 1,76 1,40 1,25 0,92 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 0,90 0,69 0,60 0,46 0,44 0,40 Xenluylô, (%) 49,87 49,23 48,54 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 Tàn kiềm, (g/l) 4,0 3,6 3,2 2,4 1,7 1,0 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) 3717 4182 4576 4708 4850 5014 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) 1,65 1,96 2,13 2,64 3,00 3,41 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) 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 được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. - Tính chất vật lý: Từ kết quả bảng 3.6 cho thấy tương tự như ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đối với gỗ keo tai tượng, khi tăng nhiệt độ xử lý thì tỷ trọng giảm. Tỷ trọng giảm 7,11% khi tăng nhiệt độ từ 65 0C đến 95 0C, khi tăng nhiệt độ xử lý thì thành phần hóa học giảm nhiều như các chất trích ly, pentozan, … nên tỷ trọng giảm. 56 355 360 365 370 375 380 385 390 395 400 405 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.26 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. Qua phân tích các kết quả nghiên cứu, các yếu tố ảnh hưởng đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng, thì ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến độ trắng rất rõ rệt. Khi nhiệt độ xử lý càng cao thì độ trắng giảm càng nhanh, như khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 95 0C độ trắng giảm 8,47% so với khi tăng nhiệt độ xử lý từ 95 0C đến 140 0C, độ trắng giảm 33,62%. 20 23 26 29 32 35 38 41 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Đ ộ tr ắn g, (% IS O ) Hình 3.27 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. Như đã phân tích ở trên khi tăng nhiệt độ xử lý thì tỷ trọng, độ trắng giảm nên dăm mảnh xốp và mềm hơn, hơn nữa các phản ứng của lignin xảy ra với tốc độ cao hơn. Do vậy, lực liên kết giữa các xơ sợi lỏng lẻo hơn và 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. 57 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.28 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến cường độ trượt dọc thớ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. - Thành phần hóa học: Kết quả phân tích cho thấy khi nhiệt độ xử lý thấp thì thành phần hóa học hầu như không thay đổi trừ các chất trích ly, nhưng khi nhiệt độ càng cao thì thành phần hóa học giảm nhanh hơn. Tuy nhiên, ở nhiệt độ xử lý 140 0C thì thành phần hóa học có giảm nhưng không nhiều, bởi ở nhiệt độ này các phản ứng hóa học của xút với các thành phần hóa học xảy ra chưa mãnh liệt nên hiệu suất bột còn rất cao. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) Th àn h ph ần h óa h ọc , ( % ) Xenluylô Lignin Pentozan Các chất trích ly Hình 3.29 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo lai. - Tính chất cơ lý của bột giấy: Phân tích bảng kết quả cho thấy tính chất cơ lý của bột giấy thay đổi rất rõ rệt khi tăng nhiệt độ xử lý. Như khi tăng nhiệt độ xử lý từ 65 0C đến 140 0C chiều dài đứt tăng 34,89%. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ xử lý tính chất cơ lý của bột giấy tăng nhanh nhưng độ trắng lại giảm nhanh. 58 3500 3650 3800 3950 4100 4250 4400 4550 4700 4850 5000 5150 65 80 95 110 125 140 Nhiệt độ xử lý, (0C) C hi ều d ài đ ứt , ( m ) Hình 3.30 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến chiều dài đứt trong quá 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 quá trình sản xuất bột hóa học, bột hoá nhiệt cơ chủ yếu được tạo ra bằng phương pháp nghiền cơ học. Tuy nhiên, để sản xuất được loại bột có chất lượng cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp thì vai trò của giai đoạn xử lý bằng hoá chất trước khi nghiền với các yếu tố công nghệ là nhiệt độ xử lý, mức dùng hóa chất thẩm thấu và thời gian xử lý đóng vai trò rất quan trọng. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (nồng độ kiềm, thời gian xử lý, nhiệt độ xử lý) đến tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ một số loại keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng cho thấy: + Đối với thời gian xử lý: Khi tăng thời gian xử lý từ 15 đến 180 phút thì tỷ trọng dăm mảnh giảm không nhiều (2,9%), thành phần hóa học ít thay đổi ngoại trừ các chất trích ly (các chất trích ly tan trong axeton giảm 43,7%), độ trắng giảm mạnh (21,4%) trong khi tính chất cơ lý của bột giấy tăng không đáng kể. Mặt khác, việc tăng thời gian xử lý sẽ làm tăng thể tích của thiết bị, giảm công suất sản xuất dẫn tới làm tăng chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành. Như vậy, đối với bột hóa nhiệt cơ thời gian xử lý bằng hoá chất trước khi nghiền thích hợp ở trong khoảng từ 20 đến 30 phút. + Đối với nhiệt độ xử lý: Nhiệt độ là yếu tố công nghệ có ảnh hưởng quan trọng nhất trong quá trình xử lý mảnh một số gỗ keo bằng 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 rất mạnh (71%), tính chất cơ lý của bột giấy tăng (như chiều dài đứt tăng 59 34,7%). Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ xử lý tới mức cao hơn 110 0C thì độ trắng của mảnh giảm tới 33,8% ISO so với mảnh gỗ ban đầu, độ trắng của mảnh sau giai đoạn xử lý hoá chất của quá trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng là một chỉ số rất quan trọng có ảnh hưởng đến độ trắng của bột thành phẩm. Vì vậy, đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng nên giới hạn nhiệt độ xử lý ở mức nhỏ hơn 110 0C. Đối với bột hiệu suất cao không tẩy trắng dùng cho sản xuất giấy bao bì công nghiệp có yêu cầu cao về độ bền cơ lý thì cần phải áp dụng chế độ công nghệ xử lý với nhiệt độ hơn 140 0C. + Đối với nồng độ kiềm: Ở nhiệt độ xử lý nhỏ hơn 110oC, khi tăng nồng độ kiềm tới mức lớn hơn 15 g/l (6,75% NaOH so với nguyên liệu khô tuyệt đối) thì tính chất cơ lý của bột giấy tăng, độ trắng giảm nhiều và lượng kiềm dư (kiềm chưa phản ứng) cao. Như vậy, đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng thì mức dùng kiềm nhỏ hơn 15 g/l là phù hợp. Đối với bột hiệu suất cao có yêu cầu cao về độ bền cơ lý nhưng không đặt ra yêu cầu về độ trắng thì song song với việc áp dụng chế độ công nghệ xử lý nhiệt độ cao có thể 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 đối với nguyên liệu gỗ keo: * Đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng: + Nồng độ kiềm: 5 ÷ 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 công 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 60 Sơ đồ khối quy trình xử lý kiềm nóng thích hợp đối với nguyên liệu gỗ keo: Gỗ Chặt mảnh Xử lý hóa chất Bột hiệu suất cao không tẩy trắng Xeo giấy Bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng + Nồng độ kiềm: 5 ÷ 15 g/l + Thời gian xử lý: 20 ÷ 30 phút + Nhiệt độ xử lý: 85 ÷ 110 0C + Tỷ dịch: 1/4 + 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 Tẩy trắng Nghiền sơ cấp Nghiền thứ cấp Nghiền sơ cấp Nghiền thứ cấp Xeo giấy 61 KẾT LUẬN 1. Trong giai đoạn xử lý dăm mảnh một số loại keo (keo tai tượng, keo lai) với dung dịch xút (NaOH) cùng với các yếu tố công nghệ như mức dùng hóa chất, nhiệt độ và thời gian xử lý thì cường độ trượt dọc thớ, tỷ trọng dăm mảnh, độ trắng thay đổi rất rõ rệt. Mặt khác, khi tăng nhiệt độ xử lý tới mức cao hơn 110 0C, hoặc nồng độ kiềm lớn hơn 15 g/l ở nhiệt độ xử lý nhỏ hơn 110 0C thì độ trắng của mảnh giảm mạnh, độ trắng của mảnh sau giai đoạn xử lý hoá chất của quá trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng là một chỉ số rất quan trọng có ảnh hưởng đến độ trắng của bột thành phẩm. 2. Trong quá trình xử lý kiềm nóng khi thay đổi các yếu tố nồng độ kiềm, thời gian xử lý, nhiệt độ xử lý thì hàm lượng xenluylô giảm không đáng kể, hàm lượng lignin và pentozan giảm khá ít, ngoại trừ các chất trích ly giảm nhiều, tính chất cơ lý của bột giấy thay đổi rất nhiều. 3. Sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng đối với hai loại nguyên liệu gỗ keo lai và keo tai tượng không có sự khác nhau nhiều. 4. Từ các kết quả nghiên cứu làm rõ và tìm ra quy luật thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học trong quá trình xử lý kiềm nóng từ các loại gỗ keo (keo tai tượng, keo lai), nhóm đề tài lựa chọn quy trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ và bột hiệu suất cao không tẩy trắng phù hợp: * Đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng: + Nồng độ kiềm: 5 ÷ 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 công 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 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS. Đào Sỹ Sành và các cộng sự Báo cáo đề tài cấp bộ năm 2006, “Nghiên cứu sử dụng hợp lý và hiệu quả các nguồn nguyên liệu xơ sợi thực vật ở Việt Nam dùng cho sản xuất bột giấy”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylô. 2. Hồ Sĩ Tráng Cơ sở hoá học gỗ và xenluloza, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, xuất bản ngày 17/10/2003 T1-T2. 3. TS. Hoàng Quốc Lâm và các cộng sự Báo cáo kết quả thực hiện đề mục năm 2004: “Nghiên cứu xác định tiềm năng và công nghệ chế biến bột giấy chất lượng cao của 5 loài cây: thông caribe, bạch đàn uro, keo tai tượng, keo lá tràm, keo lai”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylô. 4. Lê Châu Thanh, Phạm Thanh Thoại, Doãn Thái Hòa, “Những bài thí nghiệm về hoá học gỗ và xenlulô”, Trường Đại Học Bách Khoa hà Nội, xuất bản năm 1990. 5. Đào Sỹ Sành và các cộng sự, “Các hiện tượng vật lý và hoá học xảy ra trong quá trình kiềm lạnh gỗ bồ đề”, Kỹ thuật giấy-xenluylô, Viện công nghiệp Giấy & Xenluylô, 2-1980. 6. Ths. Cao Văn Sơn và các cộng sự Báo cáo đề tài cấp bộ năm 2004, “Nghiên cứu công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng từ gỗ cứng (keo lai)”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylô. 7. Đỗ Thanh Tú và các cộng sự Báo cáo đề tài cấp bộ năm 2007, “Nghiên cứu chế độ công nghệ sản xuất bột bán hóa từ gỗ bạch đàn và keo (keo tai tượng, keo lai) cho sản xuất lớp sóng của cáctông sóng”, Viện Công nghiệp Giấy & Xenluylô. 63 8. Johan Gullichen, Hannu Pauladuro, “Book 2 Forest Resources and Sustainable Mangement, Papermaking Science and technology”, Paper Engineer’s Association and Tappi, 1998. 9. 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 3 Forest Products Chemistry, Papermaking Science and technology”, Paper Engineer’s Association and Tappi, 1998.