Войти
Структура волокон целлюлозы 
Целлюлоза на бумажной фабрике недалеко от Пенсаколы, 1947 год Целлюлоза лигноцеллюлозный волокнистый материал, полученный путем химического или механического отделения целлюлозных волокон от древесины, волокнистых культур, макулатуры или ветоши. Смешанная с водой и другими химическими или растительными добавками, целлюлоза является основным сырьем, используемым в производстве бумаги и промышленном производстве других бумажных изделий.
Пять основополагающих шагов в древнем китайском производстве бумаги, описанные в гравюре на дереве до широко известного изобретения производства бумаги от Цай Лун в Китае ar В 105 году нашей эры письменные принадлежности в виде бумаги, такие как папирус и амат, были произведены древними цивилизациями с использованием растительных материалов, которые в значительной степени не подвергались обработке. Полоски коры или луба сплетались вместе, разбивались на грубые листы, сушились и шлифовались вручную. Целлюлоза, используемая в современном и традиционном производстве бумаги, отличается процессом мацерации, в результате которого получают более тонкую и регулярную суспензию целлюлозных волокон, которые вытягиваются из раствора с помощью сита и сушатся с образованием листов или рулонов. Самая ранняя бумага, производимая в Китае, состояла из лубяных волокон растения шелковицы бумаги (кодо), а также тряпки конопли и обрезков сети. К VI веку тутовое дерево было одомашнено фермерами в Китае специально для производства целлюлозы, которая использовалась в процессе изготовления бумаги. Помимо шелковицы, целлюлозу также делали из бамбука, коры гибискуса, голубого сандалового дерева, соломы и хлопка. Производство бумаги с использованием целлюлозы из конопли и льняных волокон из рваной одежды, рыболовных сетей и тканевых сумок распространилось в Европе в XIII веке, при этом все более широкое использование тряпок занимало центральное место в производстве и доступности тряпичной бумаги, фактор развития полиграфии. К 1800-м годам производственный спрос со стороны новых индустриальных предприятий по производству бумаги и полиграфии привел к сдвигу в сырье, особенно к использованию балансовой древесины и других древесных продуктов, которые сегодня составляют более 95% мирового производства целлюлозы.
Использование древесной массы и изобретение автоматических бумагоделательных машин в конце 18 - начале 19 века способствовало тому, что бумага стала недорогим товаром в наше время. В то время как некоторые из самых ранних примеров бумаги, изготовленной из древесной массы, включают работы, опубликованные Якобом Кристианом Шеффером в 1765 году и Маттиасом Купсом в 1800 году, крупномасштабное производство древесной бумаги началось в 1840-х годах с уникальные, одновременные разработки в области механической варки целлюлозы, сделанные Фридрихом Готтлобом Келлером в Германии и Чарльзом Фенерти в Новой Шотландии. Вскоре последовали химические процессы, сначала с использованием сернистой кислоты для обработки древесины, а затем с использованием Бенджамина Тилгмана США. патент на использование бисульфита кальция, Ca (HSO 3)2, в древесной целлюлозе в 1867 году. Почти десятилетие спустя был построен первый промышленный завод сульфитной целлюлозы, в Швеции. Он использовал магний в качестве противоиона и был основан на работе Карла Дэниэла Экмана. К 1900 году сульфитная варка целлюлозы стала доминирующим средством производства древесная масса, превосходящая методы механической варки. Конкурирующий процесс химической варки, сульфатный, или крафт, процесс был разработан в 1879 году; первая крафт-фабрика была запущена в Швеции в 1890 году. котел-утилизатор, созданный в начале 1930-х годов, позволил крафт-фабрикам перерабатывать почти все свои химикаты для варки целлюлозы. Это, наряду с возможностью крафт-процесса принимать более широкий спектр пород древесины и производить более прочные волокна, что сделало крафт-процесс доминирующим процессом варки целлюлозы, начиная с 1940-х годов.
Мировое производство древесной массы в 2006 году составило 175 миллионов тонн (160 миллионов тонн). в предыдущем году было продано 63 миллиона тонн (57 миллионов тонн) товарной целлюлозы (не превращенной в бумагу на том же предприятии), причем Канада была крупнейшим поставщиком (21 процент от общего объема), за ней следовали Соединенные Штаты с 16 процентами. Источниками древесного волокна, необходимыми для варки целлюлозы, являются «45% остатков лесопиления, 21% бревен и щепы и 34% переработанной бумаги» (Канада, 2014). На долю химической целлюлозы приходилось 93 процента товарной целлюлозы.
Волокна в древесной массе Ресурсы древесины, используемые для производства древесной массы, называются балансовой древесиной. Хотя теоретически для производства целлюлозы можно использовать любое дерево, предпочтительны хвойные деревья, потому что волокна целлюлозы в пульпе этих пород длиннее и, следовательно, делают бумагу более прочной. Некоторые из наиболее часто используемых хвойных деревьев для изготовления бумаги включают ель, сосну, пихту, лиственницу и болиголов и лиственных пород, таких как эвкалипт, осина и береза . Также растет интерес к генетически модифицированным видам деревьев (таким как GM эвкалипт и GM тополь ) из-за нескольких основных преимуществ, которые они могут дать, например, облегчения расщепления лигнина и увеличения скорости роста.
A целлюлозный комбинат - это производственное предприятие, которое перерабатывает древесную щепу или другое растительное волокно в толстую древесноволокнистую плиту, которая может быть отправлена на бумажную фабрику для дальнейшей обработки. Целлюлозу можно производить механическими, полухимическими или полностью химическими методами (крафт- и сульфитные процессы). Готовый продукт может быть отбеленным или небеленым, в зависимости от требований заказчика.
Древесина и другие растительные материалы, используемые для производства целлюлозы, содержат три основных компонента (помимо воды): волокна целлюлозы (необходимые для изготовления бумаги), лигнин (трехмерный полимер, связывающий целлюлозу. волокна вместе) и гемицеллюлозы (более короткие разветвленные углеводные полимеры). Целью варки целлюлозы является разрушение основной структуры источника волокна, будь то щепа, стебли или другие части растения, на составляющие волокна.
Химическая варка целлюлозы достигает этого за счет разложения лигнина и гемицеллюлозы на небольшие водорастворимые молекулы, которые могут быть смыты с целлюлозных волокон без деполимеризации целлюлозных волокон (химическая деполимеризация целлюлозы ослабляет волокна). Различные методы механической варки целлюлозы, такие как измельчение древесной массы (GW) и измельчение механической массы (RMP), физически отрывают целлюлозные волокна друг от друга. Большая часть лигнина остается на волокнах. Прочность снижается, поскольку волокна могут быть разрезаны. Существует ряд связанных гибридных методов варки целлюлозы, в которых используется комбинация химической и термической обработки, чтобы начать сокращенный процесс химической варки целлюлозы, за которым сразу следует механическая обработка для разделения волокон. Эти гибридные методы включают термомеханическую варку целлюлозы, также известную как TMP, и химико-термомеханическую варку целлюлозы, также известную как CTMP. Химическая и термическая обработка уменьшают количество энергии, требуемой впоследствии для механической обработки, а также уменьшают потерю прочности волокон.
| Категория целлюлозы | Производство [M тонн ] |
| Химическая промышленность | 131,2 |
| Крафт | 117,0 |
| Сульфит | 7,0 |
| Полухимический | 7,2 |
| Механический | 37,8 |
| Недревесный | 18,0 |
| Всего первичных волокон | 187,0 |
| Восстановленное волокно | 147,0 |
| Всего целлюлозы | 334,0 |
Большинство целлюлозных заводов используют передовые методы управления лесами при лесозаготовках деревья, чтобы гарантировать, что они имеют устойчивый источник сырья. Одна из основных претензий к заготовке древесины для целлюлозных заводов заключается в том, что это снижает биоразнообразие заготавливаемого леса. Целлюлоза древесные плантации составляют 16 процентов мирового производства целлюлозы, старовозрастные леса 9 процентов, а леса второго, третьего и последующих поколений составляют остальное. Лесовосстановление. практикуется в большинстве областей, поэтому деревья являются возобновляемым ресурсом. FSC (Лесной попечительский совет ), SFI (Инициатива устойчивого лесного хозяйства ), PEFC (Программа одобрения лесной сертификации ) и другие органы подтверждают с деревьев, заготовленных в соответствии с руководящими принципами, предназначенными для обеспечения надлежащей практики ведения лесного хозяйства.
Количество потребляемых деревьев зависит от того, используются ли механические процессы или химические процессы. Было подсчитано, что на основе смеси хвойных пород и лиственных пород высотой 12 метров (40 футов) и диаметром 15-20 сантиметров (6-8 дюймов) потребуется в среднем 24 дерева для производства 0,9 тонны (1 тонны) бумаги для печати и письма с использованием крафт-процесса (химическая варка целлюлозы). Механическое измельчение древесной массы примерно в два раза эффективнее при использовании деревьев, так как почти вся древесина используется для производства волокна, поэтому для производства 0,9 тонны (1 тонны) механической массы или газетной бумаги.
требуется около 12 деревьев. примерно две короткие тонны деревянного корда.
Дробление древесины - это процесс дробления древесины для получения целлюлозы, но также и для других обработанной древесины и мульча. Только сердцевина и заболонь пригодны для изготовления целлюлозы. Кора содержит относительно мало полезных волокон, ее удаляют и используют в качестве топлива для получения пара для использования на целлюлозном заводе. Большинство процессов варки целлюлозы требуют, чтобы древесина была измельчена и просеяна для получения щепы одинакового размера.
Существует ряд различных процессов, которые можно использовать для разделения древесного волокна:
Изготовленные точильные камни с внедренным карбидом кремния или оксидом алюминия можно использовать для шлифования небольших деревянных бревен, называемых «болтами», для изготовления каменной массы (SGW). Если древесину пропаривают перед измельчением, это называется древесной массой, измельченной под давлением (PGW). Большинство современных мельниц используют стружку, а не бревна, и металлические диски с выступами, называемые рафинерными пластинами, вместо точильных камней. Если щепа просто измельчается вместе с пластинами, целлюлоза называется измельченной механической целлюлозой (RMP), а если щепа пропаривается во время измельчения, пульпа называется термомеханической массой (TMP). Обработка паром значительно снижает общую энергию, необходимую для изготовления пульпы, и уменьшает повреждение (разрез) волокон. Механическая масса используется для продуктов, требующих меньшей прочности, таких как газетная бумага и картон.
Механический процесс варки целлюлозы Термомеханическая масса - это целлюлоза, полученная путем обработки древесины. чипы с использованием тепла (таким образом, «термо- ») и механического рафинирующего движения (таким образом, «-механическое»). Это двухэтапный процесс, при котором бревна сначала очищаются от их коры и превращаются в мелкую стружку. Эти чипсы имеют влажность около 25–30 процентов. К древесной стружке при дроблении или измельчении прикладывается механическое усилие, которое выделяет тепло и водяной пар и размягчает лигнин, таким образом разделяя отдельные волокна. Затем целлюлоза просеивается и очищается, любые комки волокна перерабатываются. Этот процесс дает высокий выход волокна из древесины (около 95 процентов), а поскольку лигнин не был удален, волокна твердые и жесткие.
Древесная щепа может быть предварительно обработана карбонатом натрия, гидроксидом натрия, сульфатом натрия и другими химическими веществами перед переработкой на оборудовании, аналогичном механическому. мельница. Условия химической обработки гораздо менее жесткие (более низкая температура, более короткое время, менее экстремальный pH ), чем в процессе химической варки целлюлозы, поскольку цель состоит в том, чтобы облегчить измельчение волокон, а не удалить лигнин как в полностью химическом процессе. Целлюлоза, полученная с использованием этих гибридных процессов, известна как химико-термомеханическая пульпа (ХТМР).
International Paper Company, целлюлозный завод, который производит распушенную целлюлозу для использования в абсорбирующих продуктах с крафт-процессом Целлюлоза производится путем объединения древесной щепы и химикатов в больших емкостях, называемых варочными котлами. Там тепло и химические вещества расщепляют лигнин, который связывает целлюлозные волокна вместе, без серьезного разрушения целлюлозных волокон. Химическая пульпа используется для материалов, которые должны быть более прочными или в сочетании с механической массой для придания продукту различных характеристик. крафт-процесс является доминирующим методом химической варки, с сульфитным процессом секундой. Исторически натровая варка была первым успешным методом химической варки целлюлозы.
Вторичная целлюлоза также называется очищенная от краски целлюлоза (DIP). DIP - это переработанная бумага, которая была обработана химическими веществами, в результате чего были удалены печатные краски и другие нежелательные элементы и высвободились бумажные волокна. Процесс называется удаление краски..
DIP используется в качестве сырья в производстве бумаги. Многие сорта газетной бумаги, туалетной бумаги и салфетки для лица обычно содержат 100% очищенную от краски целлюлозу и многие другие сорта, такие как легкая мелованная бумага для офсетной и печатной и писчей бумаги. для офисного и домашнего использования DIP составляет значительную часть отделки.
При производстве целлюлозы с использованием органических растворителей используются органические растворители при температурах выше 140 ° C для разложения лигнина и гемицеллюлозы на растворимые фрагменты. Варочный щелок легко восстанавливается перегонкой. Причина использования растворителя состоит в том, чтобы сделать лигнин более растворимым в варочном растворе. Наиболее часто используемые растворители: метанол, этанол, муравьиная кислота и уксусная кислота, часто в сочетании с водой.
В настоящее время ведутся исследования по разработке биопульпирования (биологической варки целлюлозы), аналогичного химической варке целлюлозы, но с использованием определенных видов грибов, которые способны расщеплять нежелательный лигнин, но не целлюлозу волокна. В процессе биопульсации грибковый фермент лигнинпероксидаза избирательно переваривает лигнин, оставляя оставшиеся волокна целлюлозы. Это может иметь серьезные экологические преимущества в плане снижения загрязнения, связанного с химической варкой целлюлозы. Целлюлозу отбеливают на стадии диоксида хлора с последующей нейтрализацией и гипохлоритом кальция. Окислитель в любом случае окисляет и разрушает красители, образованные дубильными веществами древесины и усиленные присутствующими в ней сульфидами.
Волокно, взорванное паром - это технология варки и экстракции, которая применялась для древесины и других волокнистых органических материалов.
Целлюлоза, полученная до этого момента в процессе может быть отбеленным для производства белой бумаги. Химические вещества, используемые для отбеливания целлюлозы, являются источником озабоченности для окружающей среды, и в последнее время в целлюлозной промышленности используются альтернативы хлору, такие как диоксид хлора, кислород, озон и перекись водорода.
Целлюлоза, изготовленная из недревесных растительных источников или переработанных текстильных материалов, сегодня производится в основном как специализированный продукт для мелкой печати и художественные цели. Современная художественная бумага машинного и ручного производства, сделанная из хлопка, льна, конопли, абака, кодо и других волокон, часто ценится за их более длинные и прочные волокна и их меньшую часть.>содержание лигнина. Лигнин, присутствующий практически во всех растительных материалах, способствует подкислению и, в конечном итоге, разрушению бумажных изделий, что часто характеризуется потемнением и охрупчиванием бумаги с высоким содержанием лигнина, такой как газетная бумага. 100% хлопок или комбинация хлопковой и льняной целлюлозы широко используются для производства документов, предназначенных для долгосрочного использования, таких как сертификаты, валюта и паспорта.
Сегодня некоторые группы выступают за использование волокна полевых культур или сельскохозяйственных культур. отходы вместо древесного волокна как более экологически безопасное средство производства.
Достаточно соломы, чтобы удовлетворить большую часть потребностей Северной Америки в книгах, журналах, каталогах и копировальной бумаге. Бумага сельскохозяйственного происхождения не поступает из лесных хозяйств. Для варки некоторых остатков сельскохозяйственных культур требуется меньше времени, чем для приготовления целлюлозы. Это означает, что при использовании сельскохозяйственной бумаги используется меньше энергии, воды и химикатов. Целлюлоза из пшеничной и льняной соломы имеет вдвое меньший экологический след, чем целлюлоза из лесов.
Конопляная бумага является возможной заменой, но технологическая инфраструктура, затраты на хранение и низкий процент использования завода означают, что это не готовый заменитель.
Однако древесина также является возобновляемым ресурсом, около 90 процентов целлюлозы поступает с плантаций или лесовозобновляемых территорий. Источники недревесного волокна составляют около 5–10 процентов мирового производства целлюлозы по ряду причин, включая сезонную доступность, проблемы с химическим восстановлением, белизну целлюлозы и т. Д. В Китае по состоянию на 2009 год более высокая доля недревесной массы -переработка древесной массы увеличивает использование воды и энергии.
Нетканые материалы в некоторых приложениях являются альтернативой бумаге, изготовленной из древесной массы, например, фильтровальная бумага или чайные пакетики.
| Компонент | Древесина | Недревесные |
|---|---|---|
| Углеводы | 65–80% | 50–80% |
| 40–45% | 30–45% |
| 23–35% | 20–35% |
| Лигнин | 20 –30% | 10–25% |
| Экстрактивные вещества | 2–5% | 5–15% |
| Белки | <0.5% | 5–10% |
| Неорганические вещества | 0,1–1% | 0,5–10% |
| <0.1% | 0,5–7% |
Товарная целлюлоза - это любая разновидность целлюлоза, которая производится в одном месте, сушится и отправляется в другое место для дальнейшей обработки г. Важными параметрами качества целлюлозы, не имеющими прямого отношения к волокнам, являются яркость, уровень загрязнения, вязкость и зольность. В 2004 году на его долю приходилось около 55 миллионов метрических тонн товарной целлюлозы.
Воздушная сухая целлюлоза является наиболее распространенной формой продажи целлюлозы. Это целлюлоза, высушенная до содержания влаги около 10 процентов. Обычно он поставляется в виде рулонов по 250 кг. Причина, по которой в пульпе должно оставаться 10 процентов влаги, заключается в том, что это сводит к минимуму связывание волокна с волокном и упрощает диспергирование пульпы в воде для дальнейшей обработки до бумаги.
Рулонная пульпа или рулонная пульпа являются наиболее распространенной доставкой. форма целлюлозы для нетрадиционных рынков целлюлозы. Пушистая масса обычно отправляется в рулонах (бобинах). Мякоть сушат до содержания влаги 5–6%. У заказчика это будет процесс измельчения для подготовки к дальнейшей переработке.
Некоторые пульпы подвергаются быстрой сушке. Это делается путем прессования пульпы до содержания влаги около 50 процентов, а затем пропускания ее через силосы высотой 15–17 м. Горячий воздух, работающий на газе, является обычным источником тепла. Температура намного выше точки обугливания целлюлозы, но большое количество влаги в стенке волокна и просвете препятствует тому, чтобы волокна сжигаются. Часто его не сушат до 10% влажности (на воздухе). Тюки не так плотно упакованы, как воздушно-сухая целлюлоза.
Основное воздействие на окружающую среду при производстве древесной целлюлозы происходит из-за ее воздействия на лесные источники и из отходов.
Влияние лесозаготовок на производство древесной массы является предметом интенсивных дискуссий. Современные лесозаготовительные методы с использованием управления лесами стремятся обеспечить надежный возобновляемый источник сырья для целлюлозных заводов. Практика сплошной рубки является особенно чувствительным вопросом, поскольку это очень заметный эффект ведения журнала. Лесовосстановление, посадка саженцев деревьев на вырубленных площадях, также подвергалось критике за уменьшение биоразнообразия, поскольку лесовозобновляемые территории являются монокультурой. Вырубка старовозрастных лесов составляет менее 10 процентов древесной массы, но это одна из самых спорных проблем.
Технологические стоки обрабатываются на установке биологической очистки сточных вод, что гарантирует, что стоки нетоксичны для реципиента.
Механическая пульпа не является серьезной причиной для беспокойства об окружающей среде, поскольку большая часть органического материала остается в пульпе, а используемые химические вещества (перекись водорода и дитионит натрия ) производят доброкачественные побочные продукты (воду и сульфат натрия (наконец), соответственно).
Целлюлозно-бумажные комбинаты, особенно крафт-целлюлозные заводы, являются энергетически самодостаточными и имеют почти замкнутый цикл по отношению к неорганическим химическим веществам.
Отбеливание хлором дает большие количества хлорорганических соединений, включая полихлорированные дибензо-п-диоксины, полихлорированные дибензофураны (ПХДД / Ф).
Реакция варки крафт-целлюлозы, в частности, выделяет соединения с неприятным запахом. Реагент сероводорода, который разрушает структуру лигнина, также вызывает некоторое деметилирование с образованием метантиола, диметилсульфида и диметилдисульфида. Эти же соединения высвобождаются во время многих форм микробного разложения, включая внутреннее микробное действие в сыре камамбер, хотя крафт-процесс является химическим и не предполагает какого-либо микробного разложения. Эти соединения имеют чрезвычайно низкий порог запаха и неприятные запахи.
Основные области применения целлюлозы - производство бумаги и картона. Состав используемой целлюлозы зависит от качества готовой бумаги. Важными параметрами качества являются древесная композиция, яркость, вязкость, экстрактивные вещества, количество загрязнений и прочность.
Химическая целлюлоза используется для производства наноцеллюлозы..
Специальные сорта целлюлозы имеют много других применений. Растворяющаяся пульпа используется при производстве регенерированной целлюлозы, которая используется в производстве текстиля и целлофана. Он также используется для производства производных целлюлозы. Пушистая масса используется в подгузниках, продуктах женской гигиены и нетканых материалах.
Основой является машина Fourdrinier для большинства современного производства бумаги, и с момента его появления он использовался в некоторых вариациях. Он выполняет все шаги, необходимые для преобразования целлюлозы в конечный продукт бумага.
В 2009 году целлюлоза НБСК продавалась в США по цене 650 долларов за тонну. Цена упала из-за падения спроса, когда газеты уменьшили свой размер, отчасти в результате рецессии.
