🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Các Phương Pháp Hiện Đại Sản Xuất Vật Liệu Xơ Sợi Cho Ngành Công Nghiệp Giấy Ebooks Nhóm Zalo PGS.TS. LÊ QUANG DIỄN -TS. PHAN HUY HOÀNG, TS. NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT ICÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI SẢN XUẤT VẬT LIỆU Xơ SỢI HO NGÀNH CốNG NGHIỆP GIẤY NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI PGS. TS. LÊ QUANG DIÊN, TS. NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT TS. PHAN HUY HOÀNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI SẢN XUẤT VẬT LIỆU X ơ SỢI • • • CHO NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY NHÀ XUÁT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI M ã sổ : 3454 - 2 0 1 5/C X B IP H /01 - 85/BKH N Biên m ục trê n x u ất bản phẩm của T h ư viện Quốc gia Việt N am Lê Quang Diễn Các j>hưorng pháp hiện đại sản xuất vật liệu xơ sợi cho ngành công nghiệp giây / Lê Quang Diễn, Phan Huy Hoàng, Nguyễn Thị Minh Nguyệt. - H. : Bách khoa Hà Nội, 2015. - 292tr. : bảng, hình vẽ ; 24cm Thư mục: tr. 287-288 ISBN: 978-604-938-727-2 1. Bột giấy 2. Còng nghệ sản xuất 676.1 - dc23 BKM0013p-CIP 2 LỜI NÓI ĐẦU Công nghiệp giấy là một trong những ngành công nghiệp chế biến trọng yếu của nền kinh tế quốc dân, sứ dụng nguồn nguyên liệu chính là gỗ, tre nứa, rơm rạ, bã mía, để sản xuất ra các sản phẩm giấy đa dạng, như giấy in, giấy viết, giấy bao bì, giấy vệ sinh,phục vụ nhu cầu trong mọi lĩnh vực, từ công nghiệp, quốc phòng, văn hóa đến những nhu cầu đời sống sinh hoạt nhỏ nhặt nhất của con người. Hiện nay, công nghiệp giấy trên thế giới đã sàn xuất ra hơn 600 loại giấy và cactong với nhiều chủng loại và được sứ dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: Các loại giấy đối lập nhau: giấy không nhìn thấy và giấy trong suốt; giấy cách điện và giấy dẫn điện; giấy có độ mỏng chi 4-5 micro mét (tức mỏng gấp 10-15 lần sợi tóc), ngược lại với cactong có thể dày tới vài mm; hay giấy nhẵn và giấy ráp, ... nhưng chúng đều được sàn xuất từ vật liệu xơ sợi có nguồn gốc tự nhiên, có khả năng tái sinh và phân bố khắp nơi trên hành tinh xanh. Đối với nhũng quốc gia có tiềm năng trữ lượng rừng lớn, lại có thêm nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như nước ta, thì đây là lợi thế để phát triển ngành công nghiệp giấy. Vì vậy những năm gần đây, công nghiệp giấy nước ta đã có những đầu tư lớn về đổi mới công nghệ, thiết bị, đầu tư mới các dự án sản xuất quy mô, với ứng dụng các tiến bộ khoa học và kỷ thuật mới nhất của công nghiệp giấy thế giới, kỳ vọng sẽ là một trong những ngành công nghiệp có mức tăng trường cao, đóng góp vào tién trinh cong nghiẹp hòa và hiện đại hóa đát nước. Đề phục vụ nhu cầu tìm hiểu, nhận thúc đúng đắn về công nghệ, thiết bị, đồng thời đánh giá tiềm năng, lợi thế và tác động môi trường của một ngành công nghiệp giấy hiện đại, trong bối cảnh đẩy mạnh phát triển công nghiệp, hội nhập khu vục và hội nhập quốc tế, cuốn sách “Cúc phương pháp hiện đại sản xuất vật liệu xơ sợi cho ngành công nghiệp giấy” giới thiệu những vấn đề cơ bản nhất về công nghệ, thiết bị hiện đại sản xuất bột giấy cho sàn xuất giấy, sản xuất xenlulozơ cho sản xuất vật liệu và hóa chất. 3 Nội dung cuốn sách được tổng hợp và cô đọng từ khối lượng lớn thông tin về công nghệ và thiết bị sản xuất bột giấy bằng phương pháp hóa học và cơ học, đã được trình bày trong nhiều ấn phẩm có nội dung tương tự của nhiều tác giả trong và ngoài nước, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy và nghiên cứu của các tác giả, nhằm cung cấp cho người đọc những hiểu biết cơ bản và cập nhật, cung cấp thông tin cần thiết cho độc giả trong học tập, công tác. Cuốn sách chắc chắn còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Tập thể Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và phê bình của các độc giả. Tập thể Tác giả 4 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐÀU...............................................................................................................3 PHÀN 1. MỞ ĐÀU.......................................................................................................9 1.1. KHÁI NIỆM VẺ VẬT LIỆU x ơ SỢI s ử DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP GIÁY.............................................................................................. 9 1.1.1. Nguồn gốc của vật liệu xơ sợi.............................................................9 1.1.2. Sự hình thành và cấu tạo của xơ sợi..................................................16 1.2. PHÂN LOẠI BÁN THÀNH PHÂM x ơ SỢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SÀN XUẤT..................................................................................................22 1.3. TÍNH CHÁT VÀ CÁC CHỈ TIÊU CHÁT LƯỢNG CỦA BỘT GIÂY.. 30 1.4. LĨNH V ực SỪ DỤNG CỦA BỘT GIẨY...............................................32 PHẢN 2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUÁT BỘT GIÁY.............................................34 2.1. NGUYÊN LIỆU G Ô ...................................................................................34 2.2. NGUYÊN LIỆU PHI G Ỗ ........................................................................... 37 2.3. QUY CÁCH CHÁT LƯỢNG CỦA NGUYỀN LIỆU SẢN XUẤT BỘT GIÁY............................................................................................................. 38 2.4. BÀO QUÀN VÀ TÒN TRỮ NGUYÊN LIỆU..........................................40 PHÀN 3. XỬ LÝ NGUYÊN LIỆU GỖ VÀ PHI GỎ CHO SẢN XUÁT BỘT GIÁY...................................................................................................46 3.1. CẮT KHÚC HAY PHÂN ĐOẠN GỎ...................................................... 46 3.2. RỪAGỖ.......................................................................................................47 3.3. BÓC V Ỏ ....................................................................................................... 48 3.4. CHẶT MẢNH..............................................................................................51 3.5. SÀNG CHỌN VÀ KIỂM SOÁT CHÁT LƯỢNG DĂM MÀNH......... 54 3.6. RỬA MÀNH VÀ LÀM ĐỀU ÁM .............................................................58 PHÀN 4. PHƯƠNG PHÁP NÁU KIÈM ................................................................60 4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM c ơ BÁN VẺ NẤU BỘT GIÁY..........................60 4.2. KHÁI QUÁT LÝ THUYẾT NÁU KIỀM.................................................. 61 4.2.1. Tính chất của dịch nấu kiềm, các khái niệm cơ bàn.........................62 5 4.2.2. Cơ chế hóa học các phản ứng của các thành phần nguyên liệu với dịch nấu kiềm...................................................................................... 64 4.2.3. Các yểu tố công nghệ cần kiểm soát trong quá trình nấu kiềm..... 69 4.3. KỸ THUẬT NÁU SUNFAT GIÁN ĐOẠN.............................................74 4.3.1. Thiết bị nấu gián đoạn......................................................................... 74 4.3.2. Trình tự tiến hành một mè nấu sunfat gián đoạn...............................77 4.3.3. Các chế độ công nghệ nấu sunfat gián đoạn......................................81 4.3.4. Tiêu hao hơi cho nấu sunfat gián đoạn.............................................. 81 4.3.5. Tận dụng nhiệt của hơi khí nấu sunfat gián đoạn.............................82 4.4. KỶ THUẬT NÁU SUNFAT LIÊN TỤC.................................................... 84 4.4.1. Khái quát công nghệ và hệ thống thiết bị nấu liên tục..................... 84 4.4.2. Công nghệ nấu liên tục hiện đại..........................................................93 4.5. RỪA, SÀNG CHỌN VÀ LÀM SẠCH BỘT SUNFAT.............................98 4.5.1. Rửa b ộ t.................................................................................................99 4.5.2. Sàng chọn, làm sạch và cô đặc bột giấy sunfat............................... 108 4.6. THU HỒI HÓA CHÁT TRONG SÀN XUÁT BỘT SUNFAT..............112 4.6.1 .Tính chất của dịch đen nấu suníat...................................................113 4.6.2. Kỹ thuật thu hồi hóa chất nấu suníat............................................... 116 4.7. TÁCH LOẠI LIGNIN BÂNG OOXXY TRONG MÔI TRƯỜNG KIÊM................................................................................. 144 4.7.1. Tính chất của lignin còn lại ừong bột sunfat sau nấu.........................146 4.7.2. Cơ chế hóa học tách loại lignin bằng ôxy........................................146 4.7.3. Sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ..........................................149 4.7.4. Chế độ công nghệ và thiết bị xử lý ôxy-kiềm bột giấy sunfat.........151 4.8. TÂY TRÁNG BỘT HÓA............................................................................156 4.8.1. Phân loại và tác dụng của các hóa chát sử dụng cho tẩy tráng bột giấy............................................................................................... 158 4.8.2. Khái niệm về độ trắng và các yếu tố ảnh hưởng tới độ trắng của bột giấy........................................................................................160 4.8.3. Nguyên lý tẩy trắng nhiều công đoạn.............................................. 163 4.8.4. Kiểm soát chất lượng bột tẩy ừắng.................................................. 172 4.8.5. Các công đoạn của quá trình tẩy trắng bột hóa............................... 172 4.9. CÔ ĐẶC, SÁY VÀ HOÀN THÀNH BỘT TÁY TRẮNG THƯƠNG PHẢM. 205 6 PHÀN 5. PHƯƠNG PHÁP SẢN XUÁT BỘT BÁN H Ó A .................................207 5.1. KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT, TÍNH CHÁT VÀ CÔNG DỰNG CỦA BỘT BÁN HÓA..................................................... 208 5.2. PHƯƠNG PHÁP NÁU s UNFIT TRUNG TÍNH SẢN XUẤT BỘT BÁN HỎA........................................................................................ 209 5.3. PHƯƠNG PHÁP NẤU SUNFAT SẢN XƯÁT BỘT BÁN HỎA.......212 5.4. PHƯƠNG PHÁP KIỀM LẠNH VÀ KIỀM NỐNG SÀN XUÁT BỘT BÁN HÓA........................................................................................ 215 5.5. SẢN XUÁT BỘT BÁN HÓA VÀ BỘT HÓA TỪ NGUYÊN LIỆU CÂY NGẮN NGÀY........................................................................................... 218 5.6. NGHIỀN, RỪA, SÀNG CHỌN, LÀM SẠCH VÀ TÁY TRÁNG BỘT BÁN HỎA........................................................................................ 220 5.6.1. Nghiền bột........................................................................................ 220 5.6.2. Rứa bột..............................................................................................222 5.6.3. Sàng chọn và làm sạch bột.............................................................. 222 5.6.4. Tẩy trắng bột bán hóa..................................................................... 222 PHÀN 6. PHƯƠNG PHÁP SẢN XUÁT BỘT c ơ ..............................................224 6.1. KHÁI QUÁT LƯỢC SỪ VÀ QUY TRÌNH SẢN XUÁT BỘT c ơ ....224 6.2. TÍNH CHÁT CỦA BỘT c ơ .....................................................................227 6.3. QUY CÁCH CHÁT LƯỢNG VÀ TÍNH CHÁT CỦA NGUYÊN LIỆU SẢN XUÁT BỘT C ơ ................................................................................229 6.4. ĐẶC ĐIÉM CHUNG CỦA CÔNG NGHỆ SẢN XUÁT BỘT GỎ NGHIỀN..................................................................................................... 233 6.5. KHÁI QUÁT LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH SÀN XUÁT BỘT GỎ NGHIỀN...............................................................................................235 6.6. CỔNG NGHỆ SÀN XUÁT BỘT c ơ - NHIỆT......................................243 6.7. C Ô N Q N G IIỆ SÀ N X U Ấ T DỘ T IIÓ A N H IỆ T c ơ ...............................245 6.8. CÔNG NGHỆ SẢN XUÁT BỘT HÓA - c ơ ..........................................250 6.9. x ừ LÝ BỘT C ơ SAU NGHIỀN..............................................................251 6.9.1. Xử lý biến dạng bột cơ.....................................................................251 6.9.2. Sàng chọn, phân loại và làm sạch bột c ơ ........................................252 6.9.3. Cô đặc và tồn trữ bột cơ.................................................................. 256 6.10. TÁY TRẮNG BỘT c ơ ...................................................:...................... 257 6.10.1. Nguyên lý cơ bản và hóa học quá trình tẩy trắng bột cơ............. 257 6.10.2. Tẩy trắng bột cơ bàng ditionit natri...............................................263 7 6.10.3. Tẩy trắng bột cơ bằng hydropeoxit............................................... 268 6.11. RỬA VÀ CÔ ĐẶC BỘT c ơ TÁY TRÁNG.........................................279 6.12. SẤY BỘT VÀ ĐÓNG KIỆN BỘT c ơ .................................................. 282 6.13. MỘT SÓ DÂY CHUYỀN HIỆN ĐẠI SẢN XUÁT BỘT c ơ .............284 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................287 CHỈ M ỤC....................................................................................................................289 8 Phần 1 MỞ ĐÀU 1.1. KHÁI NIỆM VÈ VẬT LIỆU xơ SỢI sử DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP GIÁY 1.1.1. Nguồn gốc của vật liệu xo> sợi Như đã biết, từ “xơ sợi" (tiếng Anh: fiber) được bắt nguồn từ tên Latinh fibra, theo quan điểm hiện đại được hiểu là vật liệu cao phân tử (polyme) có cấu trúc lớp, kéo dài, bị biến dạng ở mức độ nhất định dưới tác dụng của các tác nhân cơ học, lý học, hóa h ọ c,... Vật liệu xơ sợi sử đụng trong ngành công nghiệp giấy giấy, cho sản xuất các loại giấy, cáctong đa dạng, là những vật liệu có nguồn gốc thực vật. Chúng là nhũng vật liệu tồn tại trong tự nhiên ờ dạng có thể sừ dụng ngay được, chỉ cần chế biến, tách khỏi các tạp chất và các thành phần không mong muốn. Trong thực vật, xơ sợi tồn tại ờ hầu hết các bộ phận của cây (vỏ, libe, thân, lá, cành, rễ, và thậm chí ở cả trong hoa hay hạt. Mặc dù hình thành ở những loài thực vật khác nhau hay ở những vị trí khác nhau ngay trên cùng một cây, nhưng xơ sợi thực vật đều có đặc tính chung là nhẹ (tức có khối lượng thể tích thấp), có độ dẻo, có khả năng kéo giãn và đàn hồi, nhưng chúng lại dễ thấm nước, dễ bị phân hủy sinh học. Có thề nói, nguồn nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xơ sợi, sừ dụng trong công nghiệp giấy là các loài cây có hạt, nhưng trên thực tế không phải tất cả các loài cây có hạt đều đưạr sử dụng ch« sàn xuất, mà chi một số chúng mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường đối với ngành công nghiệp hiện đại. Theo thống kê, riêng cây thân gỗ hiện trên Thể giới có trên 50 loài được sử dụng cho sản xuất giấy và chế biến sinh hóa học khác, bao gồm 38 loài cây lá rộng và 13 loài gỗ lá kim. Trong khi đó số loài cây có thể đạt hàng chục ngàn, phân bố trong rừng với diện tích đạt khoảng 4 ti hecta (chiếm khoảng 30% diện tíc lục địa toàn cầu), với trữ lượng ước tính đạt trên 350 ti m3 gỗ. Đây là nguồn tài nguyên vô cùng lớn và giá trị, đồng thời một phần trong số đó là nguồn nguyên liệu tái sinh tiềm năng cho sản xuất vật liệu xơ sợi, sử dụng trong ngành công nghiệp giấy. 9 Theo sự khác biệt về đặc điểm cấu tạo cùa thân cây, thực vật xơ sợi được phân loại thành cây thân gỗ và cây thân thảo. Cây thân gỗ có thể là cây hoặc bụi. Đe sản xuất vật liệu xơ sợi cho công nghiệp giấy, chủ yếu người ta sử dụng cây thân gỗ. Cây thân gỗ được hiểu là thực vật nhiều tuổi, có thân lớn, cành nhánh, gốc rễ và tán lá. Thân cây, cành nhánh và gốc rễ có đặc điểm chung là hóa gỗ, còn được gọi là lignin hóa, tức sự hình thành lignin trong cấu trúc, tạo cho mô tế bào có độ cứng nhất định. Chiều cao của cây thân gỗ có thể đạt ừên 100 m, đường kính thân cây có thể đạt vài mét. Trong công nghiệp giấy, người ta phân loại cây theo chiều cao: cây đại mộc (chiều cao >25 m); cây trung mộc (chiều cao 15-25 m); cây tiểu mộc (chiều cao 7-15 m). Những loài Bạch đàn cũng có những cây đại thụ sinh trưởng trong điều kiện lập địa thuận lợi. Trong thực vật học, cây thân gỗ được phân loại thành hai nhóm: cây lá kim hay cây gỗ mềm (như Thông, Tùng, B ách,...) và cây lá rộng hay cây gỗ cứng (như Dương, Keo, Bạch đàn, Mờ, ...)• Chúng khác biệt nhau bời tính chất vật lý và cáu tạo gỗ. Các cây bụi cũng có những phần hóa gỗ, nhưng khác với cây thân gỗ chúng không có thân chính và sự phân chia cành bắt đầu ngay từ sát mặt đất. Chiều cao cùa cây bụi không quá 4.. .6 m, thời gian sống có thể đạt đến vài trăm năm, nhưng những thân riêng biệt nhỏ thì chi khoảng 10 đến 40 năm. Thực vật thản thảo được xác định là những cây không hóa gỗ, do quá trình hóa gỗ chỉ diễn ra ở mức độ rất thấp. Phần sát mặt đất (thân, lá) thường bị chết vào cuối thời kỳ sinh trường (lúc thu hoạch). Có thể phân loại thực vật thân thảo sử dụng cho sản xuất giấy, theo cấu tạo giải phẫu và thành phần hóa học thành 02 nhóm chính: - Cây nguyên liệu có hàm lượng xenlulozơ cao (75-85%) và hàm lượng lignin thấp (1-2%), có chiều dài xơ sợi lớn (từ 10 mm trở lên); - Các loại khác, có hàm lượng xenlulozơ 35-52%, hàm lượng lignin 10-25%, hàm lượng pentozan 18-27%, chứa xơ sợi ngắn (0,3-2,0 mm). Nhóm thứ nhất bao gồm xơ sợi bông, lanh, còn lại là các loại cây khác. Ưu điểm của cây thân thảo là chu kỳ tái sinh hàng năm tương đối ngắn, nhưng khó thu gom, vận chuyển và tồn trữ. Sử dụng xơ sợi cây thân thảo tạo cho giấy một số đặc tính, như độ nhẵn, độ đục, độ trắng cao, vì vậy chúng là nguyên liệu mong muốn đối vói nhiều dạng sản phẩm giấy. Đối với cây thân gỗ và cây thân thảo, thân cây là phần chủ yếu của cây, gỗ của nó được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất các bán thành phẩm xơ sợi. 10 Người ta phân biệt các phần sau đây của thân cây: vỏ, libe, gỗ và lõi. Vỏ là tập hợp các mô ngoài của cây, chúng khác với phần gỗ về cấu tạo giải phau và thành phần hóa học. Giữa vỏ và gỗ là các vòng tế bào có khả năng phân chia và sinh trường. Lớp này được gọi là libe. Trong quá trình sinh trường, gỗ và vỏ dày lẽn nhò sự phân chia và sinh trưởng tế bào của lớp này. Các tế bào đã trường thành không phát triển theo đường kính và chiều dài của thân cây nữa. Sự sinh trường của cây diễn ra nhờ sự sinh thêm các tế bào mới, chứ không phải nhờ sự sinh trường của các tế bào đã hình thành. Chính vì vậy, hàm lượng xơ sợi và các thành phần khác trong gồ biến đổi theo mức độ sinh trường của cây. Libe cho gỗ nhiều tế bào horn, so với vò, nhờ đó mà gỗ phát triển nhanh hom so với phần vó. Gỗ chiếm khối lượng chủ yếu của cây, cùng với lõi nó chiếm tới 85-95% thể tích của cây đã trường thành. Lõi nằm ở giữa thân cây và là một mô tế bào tơi xốp, cấu tạo từ các tế bào parenchim vách mòng. Kế tiếp nó là các thành phần được tạo ngay năm đầu tiên khi sinh trường của chồi. Chính các thành phần này tạo nên gỗ nguyên sinh. Lõi và phẩn gỗ nguyên sinh tạo thành ống lõi. Đường kinh của nó có thể đạt 3-5 mm đối với gỗ lá kim, 4-7 mm đối với gỗ lá rộng. Để hình dung được toàn bộ cấu tạo cùa gỗ phần thân cây (hình 1.1), cần phải xem xét nó dưới dạng các mặt cắt vuông góc với nhau: mặt cẳt ngang, vuông góc với trục của thân cây; mặt cắt dọc theo phương tiếp tuyến và đi qua lõi; và mặt cắt tiếp tuyến, vuông góc với mặt cắt ngang, theo tiếp tuyến của vòng tuồi (hình 1.2). Toàn bộ thân cây hay cành nhánh, gốc rễ hay lá cây, nơi có hiện tượng hóa gỗ, được cấu tạo từ các mô tế bào, chứa tập hợp các tế bào gỗ, hình thành bời các thành phần hóa học đa dạng, bao gồm hầu hết các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong tự nhiên. Thành phần hóa học cơ bản của gỗ được trinh bày trên hình 1.1. v ề cấu tạo, tính chất của các thành phần hóa học của gỗ, có thể tham khảo trong nhiều tài liệu rhuyên ngành Có thể nói, gỗ là một tổ hợp đa thành phần về cấu tạo cũng như về hóa học. Chắt gỗ được hiểu là phần vật chất tạo nên vách tế bào. Nguồn gốc sinh học của chất gỗ được chứng minh qua các thành phần hóa học phức tạp của nó. Gỗ được cấu tạo từ 99% là các hợp chất hữu cơ. Các chất vô cơ (khoáng chất) chi chiếm khoảng 1%. Thực tế cho thấy, thành phần nguycn tố của chất gỗ trong các loại gỗ khác nhau gần tương đương nhau, bao gồm 49-50 % cacbon, 43- 44 % oxi, gần 6 % là hydrô và khoảng 0,1-0,3 % nitơ, so với khối lượng khô tuyệt đối của gỗ. 11 Các thành Dhần cáu trúc Gổ c*g ĩhât yộ cy (*1%) Các chắt h ữ u CO’ S C áí ụhất v lĩh !y Các chát CPT, (>90%) Các chắt TPT, 3-5% 1 i Các chát chưng cắt lối cu¿n cùng với nước Các chát tan trong nước Các chát tan trong dung môi hữu cơ 1 Các chát Các chát CPT TPT pectin PolyuronuaCác polysaccarit tan trong nước CPT - Cao phàn tử; TPT — Thấp phàn tù. Các chát Hình 1.1. Thành phần hóa học cơ bản của gỗ. Phần lớn các hợp chất hữu cơ là các hợp chất cao phân tử (polyme), chi có một phần tương đối nhỏ được cấu tạo từ các hợp chất thấp phân tử. Các thành phần hóa học cấu thành nên vách tế bào, hay còn gọi là các thành phần cấu trúc, là các hợp chất cao phân tử. Các chất trích ly là các chất có thể tách ra từ gỗ bằng các dung môi hữu cơ phân cực hoặc không phân cực. Các hợp này không có trong thành phần cùa chất gỗ, mà chứa trong các khoang bào hay các kênh giữa các tế bào với nhau, như trong các ống dẫn nhựa của gỗ cây lá kim, nhưng đôi khi chúng cũng có khả năng thẩm thấu vào thành tể bào. Mặc dù có hàm lượng thấp, nhưng các chất trích ly lại có thành phàn phong phủ và đa dạng. Theo phương pháp tảch ra từ gỗ, chúng có thể chia làm 3 nhóm: các chất chưng cất lôi cuốn cùng với nước, các chất tan trong dung môi hữu cơ (còn gọi là nhựa gỗ) và các chất tan trong nước. Ngoại trừ một số polysaccarit cao phân tử tan trong nước và polyuronua, các chất trích ly đều là các hợp chất thấp phân tử. Các thành phần cấu trúc tạo nên vách tế bào gỗ, có thể chia làm 2 phần, bao gồm hydrat cacbon và các hợp chất thơm, chúng đều là những hợp chất cao phân tử. Hydrat cacbon là tổ hợp các polysaccarit, được gọi là holoxenluloza. Hàm lượng của chúng trong gỗ chiếm khoảng 70-80 %, gỗ cây lá rộng có hàm lượng cao hơn so với gỗ cây lá kim. Holoxenluloza bao gồm xenlulozơ (thành phần chính 12 cùa gỗ) và hemixenlulozff, là những thành phần có (Cấu trúc xơ sợi Gỗ cây lá rộng chứa nhiều hemixenlulozơ hơn so với gỗ cày lá kim. Các polysaccarit và polyuronua tan trong nước có cấu tạo hóa học tuơng tự nhau, nhưng chúng lại có vai trò khác nhau, và do tan được trong nước nên chúng không xếp vào nhóm hemixenlulozơ, mà thuộc nhóm các chất trích ly. cần chú ý rằng, các chất pectin thuộc nhóm các chất trích ly tan trong nước, nhưng trên thực tế chúng là những hợp chất cấu thành nên vách tế bào. Xenluloza là một polysaccarit phổ biến nhất trong thiên nhiên, được cấu tạo từ các mắt đơn phân là các gốc a-D-glucozơ, liên kết với nhau bằng các liên kết glucozit 1-4. Đơn vị lập thể lặp lại trong chuỗi đại phân tử xenluloza là gốc xenlobiozo (4 -0 - [a-D-glucopiranozil]-a-D-glucopiranozơ) (hình 1.2). Tính chất lý học, hóa-lý học và hóa học cùa xenlulozơ phụ thuộc vào cấu tạo hóa học, cũng như cấu trúc vật lý của nó. Là thành phần chính của vách tế bào gỗ, xenlulozơ có ảnh hường trực tiếp tới cấu tạo và tính chất của gỗ, đồng thời cũng là thành phần chính cùa vật liệu xơ sợi được sàn xuất từ gỗ. Hình 1.2. cắu tạo đại phản từxenluloxơ. Hemixenlulozơ là một polysaccarit hỗn tạp, được cấu tạo từ các mắt đon phân pentoza và hexozơ. Đối với gô lá rộng, một dạng nguyên liệu chinh cho sân xuất giấy ớ nước ta, hemixenlulozơ chù yếu là pentozan, đại diện chính của chúng là 4-0-metylglucoronoxylan (hình 1.3), là một polysaccarit có mạch chính cấu tạo từ các gốc D-xylozơ, liên kết với nhau bởi các liên kết 1,4— ß-glucozit, có bậc trùng hợp khoảng 200. Cứ cách khoảng 7 mắt đơn phân của mạch chính lại có một gốc axit 4-O-metylglucoronic kết nối vào liên kết 1,2-a-glucozit. Một vài nhóm cacboxyl của axit tồn tại dưới dạng metyl este. Trung bình cứ 1,5 mắt đơn phân lại có các nhom hydroxin ờ vị tri cacbon thứ 2 hoặc 3 trong vong piranozơ tồn tại dưới dạng este với axit axetic (nhóm axetyl, có hàm lượng khoảng 16%). 13 Hình 1.3. Cấu tạo đạl phin từ xylart gỗ cây lá rộng. Các hợp chất thơm cấu thành vách tể bào gỗ là lignin, là tổ hợp các chất cao phân từ có cấu trúc tương tự phenol, tạo thành từ các đơn vị cấu trúc là phenylpropan. Hàm lượng lignin trong gỗ chiếm khoảng 20-30 %, ưong đó gỗ cây lá kim có hàm lượng cao hom gỗ cây lá rộng. về cấu tạo hóa học, lignin được cấu tạo từ các đơn vị cấu trúc phenylpropan (ký hiệu là C6-C 3). Các hợp chất trực tiếp hình thành nên đại phân tử lignin trong quá trinh sinh tổng hợp gỗ, là các rượu syringic, caniferylic và p-coumaric. HO-----(v /)-----CH=CH-CH2OH Hình 1.4. Các hợp chắt hình thành nên lignln. ỊI Rượu : R=R'=OCH¡; 2. Rượu caníferilyc: R=H, R ‘=OCHi; 3. Rượu coumanc: R=R'=H) CÓ thể nói, lignin là một polyme không điều hòa, vô định hình, tồn tại dưới dạng mạng không gian đa chiều. Có 03 dạng cấu trúc hình thành nên lignin (hình 1.5), chúng liên kết với nhau bằng các liên kết đa dạng không theo các quy luật nhất định, tạo thành một mạng không gian đa chiều (hình 1.6 và 1.7). Trong quá trình tiến hóa của sinh vật, lignin của gỗ cây lá kim xuất hiện sớm hơn so với cây lá rộng, vì vậy có cấu tạo đơn giản hơn (hinh 1.6). Các đại phân tử được hình thành chủ yếu từ các cấu trúc guiacylphenylpropan (II). Trong cấu tạo của lignin gỗ cây lá rộng (hình 1.7), ngoài các đơn vị cấu trúc guiacylphenylpropan ra, còn có các cấu trúc syringylphenylpropan (I) với hàm lượng tương đối. Hàm lượng các cấu trúc hydroxyphenylpropan (III) trong lignin gỗ cây lá kim cao hom so với lignin gỗ cây lá rộng. Các đơn vị cấu trúc này đặc trưng cho lignin của cây ngắn ngày (cây thân thào, ngũ cốc, .. .)• 14 Syringylphenylpropan (I) Hình 1.5. Guiacylphenylpropan (II) Các đon vị cấu trúc của Hydroxyphenylpropan (111) lignin. Hình 1.6. Mô hình cáu tạo lignin gỗ cẳy lá kim. 15 Hình 1.7. Mô hình cấu tạo lignin gỗ cây lá rộng. 1.1.2. Sự hình thành và cấu tạo của xơ sợi Các thành phần cấu trúc trong gỗ liên kết chặt chẽ với nhau bằng nhiều dạng liên kết, bao gồm các liên kết cộng hóa trị (như giữa lignin và hemixenlulozơ) và các lực liên kết giữa các phân tử (giữa tất cả các thành phần hóa học với nhau), gây nhiều khó khăn trong việc phân tách các thành phần và tách mỗi thành riêng biệt ra khỏi gỗ. Quan sát mô hình cấu tạo thân cây gỗ (hình 1.8) có thể hình dung được xơ sợi và các thành phần khác của gỗ được hình thành dần theo thời gian, qua quá trình sinh tổng hợp. Mỗi vòng tuổi cấu tạo từ hai lớp. Phần phía trong được tạo thành ờ thời kỳ đầu sinh trường của cây, trong gỗ lá kim nó cấu tạo từ các tế bào rộng có vách mòng và đuợc gọi là gỗ sớm. Phần này có tỉ trọng thấp hơn và mầu sáng hơn. Gỗ sớm chứa ít xenlulozơ và nhiều lignin hơn, hàm lượng pentozan và axit uronic thấp hom. Phần ngoài được hình thành vào kỳ sinh trường sau, cấu tạo từ các tế bào nhỏ vách dày, gọi là gỗ muộn. Phần này có tì trọng cao hơn và mầu sẫm hom. Đối với cây nhiệt đới như ờ nước ta thì ranh giới giữa phần gỗ sớm và gỗ muộn không rõ ràng lắm, tuy nhiên nếu quan sát kỹ ta cũng có thể phân biệt được chúng. Nguyên do là sự sinh trường của gỗ nhiệt đới diễn ra đều đặn và liên tục hơn vì vậy các dấu hiệu về vùng sinh trưởng hầu như không có. Các loại gỗ có ranh 16 giới giữa gỗ sớm và gỗ muộn không rõ ràng, có cấu tạo và thành phần hóa học đồng nhất hơn. Ti trọng của gỗ và tính chất của bột giấy phụ thuộc vào tương quan cùa phần gỗ sớm và gỗ muộn trong vòng tuổi. Trên mặt cắt ngang và mắt cắt xuyên tâm của gỗ ta nhìn thấy các dải hẹp dọc theo thân cây. Đó là các tia lõi. Trên mặt cắt tiếp tuyến chúng biểu hiện dưới dạng các đường gián đoạn mầu sẫm hoặc các dãi phân bố dọc theo xơ sợi của gỗ. ngang Tượng tâng U ị t c it x u ý tn tim Hình 1.8. Cẩu tạo thản cẳy gỗ. Hình 1.9. Các mặt cắt cơ bản của thân cây gỗ. N - Ngang; R - Dọc xuyên tám; T - Tiép tuyến 17 Nguồn gốc và sự hình thành xơ sợi có thể minh họa qua thí dụ trường hợp của xenlulozo (hình 1.10). Hình 1.10. Sự hình thành và kích thước xơ sợi xenluloỉơ tứ tế bào thực vật. Ở cấp độ hiển vi có thể quan sát rõ hình dạng của các tế bào gỗ và kích thước tương đối của xơ sợi gỗ của các loài cây khác nhau (hình 1.11). >f ãE an »» IS S I -!■**>' Tracheid tia Parenchim II Hình 1.11. Hình dạng và kích thước tương đói của xơsợl gỗ cây /á kim và cày lá rộng. A - X ơ sợi g i cây là kim; b - X ơ sợi g i cây lá rộng ; c - Mao dẫn của gỗ lá rộng; 1 - X ơ sợi gỗ thỗng; 2-Xơ sçi g i bạch dương; 3-Xo sợi g i dương; 4-Xơ sợi gỗ sồi; 5 - Xơ sợi gỉ) bạch đàn; 6-Té bào Tracheid của g i bạch đàn; 7 - Gỗ sii sớm; 8 - G i sồi muộn. 18 Sự phân tách các thành phần của gồ trong quá trình phân tích, sản xuất vật liệu xơ sợi hay trong chế biến hóa học gỗ, thường được dựa trên tính tan và các tính chất hóa học khác nhau của chúng. Holoxenlulozo, các polysaccarit và polyuronua tan trong nước là các hợp chất bị thủy phân của gỗ. Khi thủy phân hoàn toàn, chúng bị chuyển hóa thành các monome. Vì vậy, sau khi trích ly gỗ bằng dung môi thích hợp, rồi thủy phân hoàn toàn phần hydrat cacbon trong gỗ, ta có thể thu được lignin. Trong phân tích hóa học gỗ, người ta xem lignin là phần còn lại sau khi thủy phân gỗ bang axit vô cơ thích hợp. Trên thực tế, trong quá trình thủy phân, dưới tác dụng của axit, một số liên kết ete của lignin cũng bị phân hủy, đồng thời có thể tạo thành các liên kết cacbon—cacbon mới, chúng đều được bảo toàn trong lignin sau thủy phân, chính vì vậy lignin thu được chi tương ứng với lignin ban đầu trong gỗ về lượng, còn về cấu tạo hóa học thì đã có sự khác biệt nhất định. Do là hợp chất thơm mà lignin dễ bị oxi hóa hơn so với polysaccarit. Vì vậy, sau khi tách các chất trích ly và xử lý gỗ bằng các tác nhân oxi hóa thích hợp, ta sẽ thu được holoxenlulozo dưới dạng sản phẩm xơ sợi. Kích thước và hình dạng xơ sợi phụ thuộc vào dạng nguyên liệu. Trung bình, gỗ mềm có chiều dài xơ sợi 1,3-2,4 mm, xơ sợi gỗ cứng có chiều dài xơ sợi 0,8- 1,2 mm. Sự khác biệt về chiều dài và cấu trúc của xơ sợi gỗ mềm và gỗ cứng, có ảnh hường tương đối tới tính chất tạo giấy cùa chúng. v ề cấu trúc, xơ sợi cấu tạo từ các vi sợi (microfibril), là thành phần cơ bản cùa cấu trúc đại phân tử xenlulozơ. Có hai quan điểm hiện đại về cấu trúc cùa các vi sợi: quan điểm về hệ hai thể (tinh thể -vô định hinh) và quan điểm về hệ tinh thể một thể với các biến dạng của mạng tinh thể. Giữa các quan niệm này có những bất đồng mang tính nguyên tắc. Thậm chí, với kỹ thuật phân tích cấu trúc bằng các phuomg pháp Rcmgen đương đại, cũng không thể phân biệt một cách chính xác phần cấu trúc vô trật tự trong phân tử xenluloza là vô định hình, hay đó chi ià các biến dạng của mạng tinh thể. 1 heo thuyét cấu tạo tinh thé-vó định hình, các chuõi đại phân tứ xenlulozơ được sắp xếp theo hướng dọc theo các vi sợi, tạo thành những phần lặp đi lặp lại khác biệt nhau về độ trật tự cấu trúc, gọi là các phần tinh thể và vô định hình. Nếu xét khái niệm hình thể, thì có thể xem chúng như là những thể tinh thể và thể vô định hình. Không tồn tại giới hạn phân cách giữa các thể này. Các phần tinh thể chuyển dần sang phần vô định hình và ngược lại. Do chiều dài của đại phân tử xenlulozơ (ước khoảng 2,5 micro mét) lớn hơn rất nhiều sơ với chiều dài của các phần tinh thể, nên mỗi chuỗi phân tử xenlulozơ kéo dài là một dãy các phần tinh thể và vô định hình xen kẽ nhau. Các phần tinh thể còn gọi là vi tinh thể. 19 Vi tinh thế là một phần vi sợi có mạng tinh thề, nó được đặc trưng bởi sự định hướng tinh thể của phân tử và các mắt đơn phân, sự tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chặt chẽ và có năng lượng tối thiểu. Kích thước trung bình mặt cắt ngang của các vi tinh thể khoảng 3,5 nm (chênh lệch nhau 2-5 nm), còn chiều dài dao động trong khoảng tương đối lớn, từ 50 đến 200 nm tùy thuộc vào nguồn gốc sinh học, thậm chí trong cùng một mẫu xenlulozơ. Tại các phần vô định hình không có trật tự cấu trúc không gian ba chiều chặt chẽ của chuỗi, mà chi tồn tại dạng cấu trúc định hướng dọc. Trình tự phân bố các cao phân tử trong các phần tinh thể và vô định hình được duy trì bời các lực tương tác giữa các phân tử - lực Van der Waals và chủ yếu là các liên kết hidro. Năng lượng tương tác giữa các phân tử tại các phần vô định hình bé hom so với ở các phần tinh thể, vì thế các phần vô định hình dễ dàng chịu tác dụng của các dung môi và các tác nhân hóa học hom. Sau này, cùng với việc thu thập được các dữ liệu chứng minh sự có mặt cùa phần ít trật tự trong xenluloza là rất ít, quan niệm về hệ tinh thể một thể với các biến dạng cùa mạng tinh the đã ra đời. cần lưu ý rằng, việc ra đời hai quan niệm trên gắn liền với việc sử dụng các phương pháp đánh giá độ kết tinh của các mẫu xenlu!ozơ khác nhau, mà theo đó các kết quả phân tích cũng không trùng hợp nhau. Khả năng nhất, xenlulozơ là một hệ tinh thể-vô định hình phức tạp, trong đó cả hai thể đều không đồng nhất. Cũng như tất cả các polyme khác, trong các phần tinh thể của xenlulozơ không thể tránh khòi các biến dạng của mạng tinh thể. Xenlulozo thuộc nhóm polyme có định hướng, bởi các vi tinh thể của nó được định hirớng theo một hướng trùng với hướng của ví sợi. về phía mình, trong các lớp của vách tế bào các vi sợi này có định hướng dạng lò so dưới một góc nhất định so với trục của xơ sợi. Khi thống nhất các quan niệm về cấu tạo tinh thể của xenlulozơ, các quan điểm của các nhà nghiên cứu về cấu trúc của vi sợi lại khác nhau. Các mô hình cấu tạo của vi sợi được các nhà nghiên cứu đưa ra (chù yếu vào những năm 50- 60) được minh họa trên hình 1.11. Các mô hình này có thể quy ước chia thành 3 nhóm: 2 nhóm cho rằng các chuỗi đại phân tử xenlulozơ phân bố theo chiều dọc, nhóm còn lại cho rằng chuỗi có dạng xếp gấp. Nhìn chung, chúng có thể khái quát như sau: - Đối với các mô hình “xơ sợi dạng tua”: các vùng tinh thể (có độ trật cao) và vùng vô định hình (có độ trật tự thấp hom) của xơ sợi, xen kẽ nhau không theo một trật tự nào cả, các đại phân tử nằm ờ đoạn “chuyển tiếp” tạo thành “tua”, chuyển từ vi sợi này sang vi sợi khác và nối chúng vào với nhau (hình 1.12 a và b). 20 - Ta có thể quan sát thấy trong xơ sợi có sự xen kẽ một cách có trật tự của các vùng tinh thể và vùng vô định hình, chẳng hạn như mô hình của Gess (hình 1.12c), hoặc một vài khuyết tật của vùng tinh thể, như mô hình của Frey-Wissling (hình 1.12d). Các vi sợi trong các mô hình này đều có dạng thẳng. - Trong các mô hình cấu tạo dạng xếp: hoặc là các chuỗi được gấp (xếp) theo toàn bộ vi tinh thể, hoặc là vi tinh thể cấu tạo từ các lớp phân từ cùa chuỗi được xếp lại với nhau (hình 1.12e). Kích thước của các bó trong các mô hình khác nhau cũng khác nhau. Trong mô hình xếp của Menly (hình 1.12g), các chuỗi được xếp với nhau thành một dài, còn dải lại bị xoắn theo hĩnh lò xo, tạo thành vi sợi dưới dạng ống. Các vùng có độ trật tự thấp tương ứng với các vùng bị gấp. Các mô hình khối cũng đã được đưa ra, trong đó các “khối” của các đại phân từ đã xếp lại với nhau liên kết với nhau bằng các chuỗi chuyển tiếp, chằng hạn như mô hình của Petropavlovsky (hình 1.12h). Theo quan điểm của đại đa số các nhà nghiên cứu, thì các đại phân tử xenlulozơ tự nhiên tạo thành trong quá trình sinh tổng hợp có dạng duỗi thẳng. Trong trường hợp các xơ sợi xenlulozo hidrat được tạo hình từ dung dịch, thì một phần chuỗi có thể xem là có dạng xếp, song các mẫu có độ định hướng cao khi tạo hình bằng cách kéo mạnh lại sẽ có dạng kéo dãn. Hình 1.12. Mô hình vi sợi xenlulozơ 21 e g Hình 1.13. Anh SEM của một só loại bột giấy. a - X ơ sợi nguyên thể trong vách té bào gỗ; b - Bột giấy sun fat không tẩy trắng; c - Bột giấy sunfat của nhà máy giấy Bãi Bằng từ gỗ Keo/Bạch đàn với ti lệ 70/30; d - Hỗn hợp bột giấy sun fat và bột cơ; d - Bột cơ từ thẳn cày ngô L VN; g - Bột giấy nấu XÚI lừ rơm rạ Khang Dân; h - BỘI giấy náu sunfat từ rơm rạ Khang Dán. 2 2 Không thề đo chính xác chiều dài của các vi sợi. Nguời ta cho rằng, chúng có chiều dài không xác định. Trình tự sắp xếp của các vi vi sợi theo chiều dọc và chiều ngang không đồng nhất. Các giả thiết về cấu trúc bên trong và trình tự bề mặt ngoài của các vi sợi có thể chia làm ba nhóm: - Nhóm già thiết thứ nhất: các vi sợi không bị chia nhỏ hơn theo chiều dọc thành các sợi sơ cấp; - Nhóm giả thiết thứ 2: bằng phucmg pháp hóa học các vi sợi được chia thành 4 sợi sơ cấp; - Nhóm già thiết thứ 3: các vi sợi được chia thành một số lượng lớn các sợi sơ cấp mòng. Kích thước ngang của vi sợi được giả thiết trong khoảng 10 đến 30 nm, sợi sơ cấp có kích thước 2 - 5 nm. Rất có thể vi sợi và sợi sơ cấp không giống nhau về kích thước và phụ thuộc vào nguồn gốc và phương pháp tổng hợp mẫu xenlulozơ. Như vậy, cấu trúc vi mô cùa vách tế bào nêu ữên đây đã giả thiết rằng, trong quá trình chế biến hóa học và cơ học, xơ sợi và vi sợi được phân nhò theo chiều dọc thành các phần tử nhỏ dần tới tận các chuỗi đại phân tử xenlulozơ. Trong vật liệu xơ sợi là bột giấy hay xenlulozơ kỹ thuật, ngoài xenlulozơ ra còn có các polysaccarit khác là hemixenlulozơ và các tạp chất còn lại. Chúng có ảnh hưởng đến tính chất cơ - lý học của xơ sợi. Cho dù có cấu tạo như thế nào thì trong quá trình sản xuất, xơ sợi thực vật cũng bị biến dạng tương đối, như bị cắt ngắn, bị “phân tơ”, “chổi hóa”, ...Đặc điểm cấu tạo của chúng (kích thước xơ sợi, độ kết tinh, hình thái xơ sợi, ...) có thể xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại như phổ IR, XRD và quan sát qua hình ảnh hiển vi điện tử quét. Một sổ hình ảnh vật liệu xơ sợi (bột giấy) được minh họa trên hình 1.13. 1.2. PHÂN LOẠI BÁN THÀNH PHÂM xơ SỢI VÀ CÁC PHƯƠNPHÁP sa n XUAT Bán thành phẩm xơ sợi được hiểu là vật liệu xơ sợi có nguồn gốc tự nhiên, được lưu hành dưới dạng thương phẩm hoặc được sử dụng tại chỗ cho sản xuất giấy và vật liệu, hóa chất khác. Các bán thành phẩm xơ sợi khi sử dụng cho sản xuất giấy thì được gọi là bột giấy (pulp), v ề bàn chất, cần hiểu đây là bột xenlulozơ, trong đó hàm lượng xenlulozo cao hay thấp thùy thuộc vào phương pháp sản xuất và công dụng của bán thành phẩm. Tính chất “xơ sợi” của bột giấy do hai thành phần chính là 23 xenlulozơ và hemixenlulozơ tạo nên, là những thành phần (hợp chất hữu cơ) có cấu trúc xơ sợi. Tùy thuộc vào tính chất và công dụng, có thể phân loại bột giấy thành 03 nhóm chính: bột hóa, bột bán hóa, bột cơ hay bột hiệu suất cao và bột giấy tái chế. Khái niệm bột hóa được hiểu là bột giấy hay bột xenlulozơ, được sản xuất theo phương pháp, mà trong quá trinh biến đổi nguyên liệu ban đầu thành bột, diễn ra dưới tác dụng chủ yếu của hóa chất. Bột hóa được sản xuất theo phương pháp nấu kiềm, là phương pháp nấu nguyên liệu với dung dịch hydroxit natri ở nhiệt độ và áp suất cao. Các phương pháp nấu kiềm tương đối đa dạng. Tùy thuộc vào điều kiện của quá trình nấu mà ta có thể thu được bột giấy có tính chất khác nhau, được phân loại thành bột hóa (có hiệu suất khoảng 50%) và bột bún hóa (có hiệu suất 65 - 70%). Bột hóa theo phương pháp nấu kiềm có hai loại: bột xút là bột giấy thu được từ quá trình nấu nguyên liệu bàng dung dịch NaOH (có thể có bổ sung xúc tác và các chất trợ nấu) và bột sunfat - là bột giấy thu được từ quá trinh nấu nguyên liệu bằng dung dịch NaOH và NaỉS (có thể có bổ sung xúc tác và các chất trợ nấu). Nấu kiềm, đặc biệt là nấu sunfat là phương pháp phổ biến nhất hiện nay, sản xuất ra phần lớn lượng bột giấy hằng năm. ở nước ta, phương pháp nấu xút chi được áp dụng ở quy mô vừa và nhỏ để sản xuất ra bột bán hóa, sử dụng cho sản xuất giấy vàng mã và giấy bao gói. Nấu sunfat là phương pháp đang được áp dụng ờ quy mô lớn tại Nhà máy Giấy Bãi Bằng của Tổng Công ty Giấy Việt Nam và tại Công ty cổ phần Giấy An Hòa (Tuyên Quang). Nhìn chung bột xút là dạng bột ít phổ biến. Khi nấu sun/ìt, người ta xù lý nguyên liệu bằng các dung dịch khác nhau, chứa dioxit lưu huỳnh, axit suníiươ và các muối trung tính hoặc muối axit của nó. Các dạng phổ biến của phương pháp này là nấu bisuníit, nấu suníít trung tính (có thể bổ sung xúc tác và các chất trợ nấu), nấu suníìt tính kiềm,... Tuy nhiên, trên thực té, các loại bột được sản xuất theo các phương pháp nấu suníit khác nhau đều được gọi chung là bột sunfit. Nấu suníit là phương pháp truyền thống sản xuất bột giấy, nhưng do ảnh huờng của môi trường và nhiều lý do khác, phương pháp này chi còn tồn tại ờ một số nước với sản lượng bột giấy không lớn lắm. Ở nước ta, người ta không áp dụng phương pháp này, kể cả quy mô vừa và nhó. Bột bán hóa là bán thành phẩm xơ sợi, có thành phần hóa học tương tự nguyên liệu (gỗ, phi gỗ) ban đầu, được sản xuất theo phương pháp xử lý dăm mảnh nguyên liệu bằng hóa chất khác nhau kết hợp với đánh tơi hay nghiền thành bột. v ề tính chất, bột bán hóa là dạng bột giữa bột cơ và bột hóa hiệu suất cao. Thông 24 thường hiệu suất vào khoảng 60 - 85% so với nguyên liệu ban đầu. Bột bán hóa có thể hiểu là dạng bột hóa hiệu suất cao, được sản xuất theo công nghệ tương tự bột hóa. Công nghệ sản xuất bột bán hóa cũng tương đối đa dạng. Các phương pháp sàn xuất bột bán hóa được trinh bày ờ Phần 5. v ề bản chất hóa học, khi sản xuất bột bán hóa chi một phần “tạp chất”, đáng quan tâm nhất là lignin, được tách ra khỏi xơ sợi. Chẳng hạn, bột bán hóa từ gỗ mềm hay gỗ cứng có thể vẫn có hàm lượng lignin khoáng 15 - 20%, trong đó có thể chi mới tách loại được một phần lignin trong lóp giữa các tế bào gồ, giữa các xơ sợi vẫn còn các liên kết bền vững, vì vậy đề biến thành bột cần có tác dụng cơ học mạnh (đánh tơi hay nghiền). Sự cần thiết phải có công đoạn nghiền là nét đặc trưng cùa quá trình sàn xuất bột bán hóa. Khác với bột bán hóa, bột hóa hiệu suất cao (khoáng 55%) không đòi hỏi phải nghiền, mà chỉ cần xối rửa hoặc đánh tơi bằng thiết bị đánh tơi thùy lực, là đủ để hình thành bột. Vì vậy có thể nói, bột hóa hiệu suất cao được nấu đến “điểm phân sợi”. Với khái niệm hiện đại, bột cơ là loại bột giấy có hiệu suất 96 — 98%, được sàn xuất bằng hai phương pháp công nghiệp khác nhau, là mài hoặc nghiền gỗ, kết hợp với xử lý nhiệt, xử lý hóa học hay nhiệt - hóa học, với mức tiêu hao năng lượng cao, thông thường khoảng 1200 J/tấn bột. Bột cơ là dạng bột giấy hiệu suất cao, khi sàn xuất sừ dụng tác nhân cơ học là chính (nghiền, đánh tơi). Thành phàn chính vẫn là xenlulozo, nhưng hàm lượng các thành phần khác (như lignin, hemixenlulozơ, ...) không phải là xenlulozo cao hơn. Có thể nói về lượng, bột cơ tương đương nguyên liệu sản xuất, nhưng về chất thì các thành phần cấu thành nguyên liệu đã bị biến đổi tương đối, thành dạng xơ sợi có thể quan sát được bằng mát thường. Tùy thuộc vào đặc điểm của quá trình sản xuất và tính chất cơ bản cùa bột cơ, chúng được chia thành hai nhóm chính: bột gỗ mài và bột gô nghiền. Bột gỗ mài được sản xuất bằng phương pháp mài gỗ trên bề mặt của một lô mài chuyên dụng (hình 1.14). Nguyên liệu sản xuất là gỗ trục, thường là gỗ mềm. Thiết bị sản xuất chính là các loại máy mài gỗ (defibrator), còn bộ phận chính của máy là lô đá mài. Từ “defibrator” có xuất xứ từ tiếng Latinh, de - tách, fibra - sợi. Bột gỗ nghiền được sản xuất bàng phương pháp nghiền dăm mảnh gỗ bằng các loại máy nghiền đĩa. Nguyên liệu sản xuất là gỗ mềm hoặc gỗ cứng, hay ít gặp hơn là một số nguyên liệu phi gỗ, như cây thân thào, phế phụ phẩm nông nghiệp xơ sợi. 25 Hiện nay có trên 20 loại bột cơ, sử dụng cho sản xuất hàng chục loại giấy khác nhau, được chia thành hai dạng sau: Dạng thứ nhắt bao gồm các loại bột cơ sản xuất không sử dụng hóa chất và có hiệu suất 93 - 98%, được gọi là bột cơ “thuần túy” {Pure Mechanical Pulp). Các loại bột cơ thuần túy bao gồm: + Bột cơ truyền thống, hiệu suất 93 - 98%, được sản xuất bằng phương pháp mài gỗ ở áp suất thường trên lô đá mài của các loại máy mài, như máy mài kiểu xích kéo, máy mài ép, máy mài dạng trục vít,... (SG W -Stone Ground Wood); + Bột sản xuất bằng phương pháp mài gỗ ở áp suất cao và ở nhiệt độ khác nhau, trên máy mài lô kép {PGW - Pressurized Ground Wood) và các loại bột tương tự biến tính (PGW-Super, PGW-70, PGW-95, PSW -120,...); + Bột gỗ nghiền (RMP - Refiner Mechanical Pulp) được sản xuất bằng phương pháp nghiền dăm mành trên máy nghiền đĩa ờ áp suất thường; + Bột cơ - nhiệt (TAÍP-Thermomechanical Pulp), được sản xuất bằng xử lý nhiệt (xông hơi ở nhiệt độ T = 100 - 130 °C; p = 100 - 300 kPa) và nghiền dăm mảnh 1 - 3 cấp bằng máy nghiền đĩa ở áp suất cao. Dạng bột cơ thứ hai bao gồm các dạng khác nhau của bột hóa - cơ, {Chemimechanicaỉ Pulp), tức bột được sản xuất có sử dụng hóa chất. Công đoạn nghiền là công đoạn chính của quá trình sản xuất. Bột hóa — cơ có thể phân loại thành bốn loại sau: 1) Bột được sản xuất theo phương pháp xử lý dăm mảnh bằng hóa chất ờ điều kiện “mềm”, thường với mức dùng chi < 10% so với bột khô tuyệt đối. Đây là loại bột giấy tương đối phổ biến, gọi là bột hóa - nhiệt - cơ (CTMP - Chemithermomechanical Pulp), đuợc sản xuất bằng phương pháp xử lý dăm mành bằng hóa chất ờ nhiệt độ cao, kết hợp nghiền hai công đoạn ờ áp suất cao; 2) BỘI hóa - cơ bién tính (Chemically Modified Pulp), là bội cơ đưực sàn xuất theo phương pháp xử lý dăm mảnh gỗ với hóa chất, bao gồm: — Bột nhiệt - cơ - hóa (TMCP-Thermomechanical chemi Pulp), được sản xuất bằng phương pháp xử lý dăm mảnh gỗ với hóa chất, sau công đoạn nghiền thứ nhất ờ áp suất cao, trong quá trình nghiền hoặc sau khi nghiền; - Bột hóa - cơ được sản xuất từ phế thải sàng chọn dăm mảnh gỗ hoặc xơ sợi dài của các loại bột cơ (LFCMP - Long Fiber Chemimechanical Pulp hoặc CTLF - Chemically Treated Long Fiber). Quá trình sản xuất các loại bột này bao 26 gồm công đoạn thu hồi phế thải sàng chọn bột cơ (phần xơ sợi dài), xử lý ờ nhiệt độ 80 - 180 °c bằng NaiSCb và nghiền. 3) Bột cơ sunfit hóa, được sản xuất theo phương pháp xù lý dăm mảnh với hóa chất (mức dùng > 10 - 15%). Quá trình nghiền được tiến hành hai công đoạn ở áp suất thường, mức tiêu hao năng lượng thường > 1000 J/tấn. Các loại bột cơ này gồm có: - Bột cơ sunfit hóa (SCMP - Sulfonated Chemimechanical PulpỴ, - Bột cơ bisunfït hóa hiệu suất cao ( VHYBS - Very Hight-Yield Bisulfite); - Bột hóa - cơ bisunfit hóa (Bisulfite Chemimechanical Pulp); - Bột sunfit hiệu suất cao {HYS - Hight-Yield Sulfite), dăm mảnh khi nghiền được xừ lý mạnh với NaHSƠ3; - Bột sunfit hiệu suất siêu cao (UHYS - Ultra Hight-Yield Sulfite)-, - Bột sunfit hiệu suất rất cao ( VHYS - Very Hight-Yield Sulfite)-, 4) Bột hóa — cơ không lưu huỳnh, được sản xuất không sừ dụng các hợp chất của lưu huỳnh, gồm có: - Bột kiềm — peoxit (APMP - Alkaline Peroxide Mechanical Pulp), được sản xuất theo phương pháp xử lý dăm mảnh với dung dịch NaOH và H2O2 kết hợp nghiền một, hai hay ba công đoạn; - Bột kiềm lạnh (CS-Cold Soda), được sản xuất theo phương pháp xử lý dăm mành với dung dịch Na2C0 3 , ở nhiệt độ < 100 °c và nghiền ờ áp suất thường, hiệu suất bột 85 - 90%. Như vậy, phân loại bột cơ có thể minh họa bằng sơ đồ sau (hình 1.14). Trong còng nghiệp giấy, bột giấy bán hóa và bột cơ thuộc nhỏm bột giấy hiệu suất cao, được hiểu là bột giấy có hiệu suất cao hơn so với bột xenlulozơ, sản xuất theo phương pháp hóa học (bột hóa) thông thường, nhu nấu sunfit, nấu sunfat. KJiái n iệm này nim ig llnli lưư ng đ ó i, kliổng củ lan h giứi lõ lột và kliông pliài là m ột loại bột giấy đặc thù, mà rất đa dạng, bời đối với mỗi loại bột giấy đều có thể sử dụng khái niệm bột hiệu suất cao, chẳng hạn bột hóa hiệu suất cao, bột bán hóa hiệu suất cao,... Riêng bột cơ luôn được xếp loại là bột giấy hiệu suất cao. Bên cạnh đó, trong nhiều trường hợp, trên cùng một dây chuyền công nghệ, có thể sản xuất các loại bột có hiệu suất khác nhau. 27 TMCP LFCMP SCMP BCMP HYS UHYS VHYSP VHYBS hoác CTLF Hình 1.14. Sơ đồ phản loại bột CO'. Nếu như các dạng bột giấy nêu trẽn được sử dụng lần đầu tiên làm nguyên liệu sản xuất giấy, thì bột giấy tái chế là dạng vật liệu xơ sợi được tái sừ dụng một hoặc vài lần, chủ yếu là không liên tục, bởi sau khi hinh thành nên sản phẩm giấy, qua người tiêu dùng, rồi sau đó xơ sợi mới được thu hồi và tiếp tục được chế biến và sử dụng cho sản xuất giấy. Bằng cách này, vòng tuần hoàn của xơ sợi ban đầu (từ bột hóa, bột bán hóa hay bột cơ) có thể kéo dài mãi, cho tới khi tính chất cùa chúng không còn phù hợp cho sản xuất và tự bị loại bỏ theo nước rửa, chất thải rắn, đốt b ỏ ,... hoặc bị con người “lãng quên” ở một nơi nào đó. Sự phân loại trên đây chi mang tính tương đối, để dễ phân biệt, đồng thời gắn liền với quá trình sản xuất, bởi công nghệ hiện đại đều được thiết lập trên cơ sờ kết hợp cùng lúc nhiều yếu tố (cơ học, hóa học, nhiệt động học,...), chứ không chi chi cần sử dụng một tác nhân tạo mà có thể tạo nên bột giấy. Trên thực tế, bột hóa là bột có hiệu suất khoảng 50% so với nguyên liệu ban đầu, cỏ thành phần chủ yếu là xenlulozơ (chiếm trên dưới 90%), là bột giấy có chất lượng tốt. Bột hóa không tẩy trắng được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy bao bỉ độ bền cao, như giấy bao xi măng, giấy bao gói đặc biệt, giấy làm túi xách, giấy cách điện,... Bột hóa tây trắng được sử dụng làm nguyên liệu sàn xuất giấy có độ thẩm mỹ và kỹ thuật cao, như giấy in, giấy viết, giấy lọc,... 28 Bột cơ là bột giấy có hiệu suất cao (80 - 98% so với nguyên liệu ban đầu). Bột cơ không tẩy trắng được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy bao bì, cactong. Bột cơ tẩy trắng được sừ dụng cho sản xuất giấy bao bì chất lượng cao, giấy in báo, tạp chí, giấy tissue và phối trộn với bột hóa để sản xuất giấy in, giấy viết. Nhu vậy, nhìn chung chủng loại bột giấy rất đa dạng, tùy thuộc vào công nghệ sản xuất và yêu cầu mức chất lượng cũng như công dụng của chúng. Nhưng các phương pháp sản xuất bột giấy hiện đại được phân loại như sau: - Phương pháp nấu kiềm (nấu xút và nấu sunfat): sản xuất bột hóa và bột bán hóa; - Phương pháp cơ học: sàn xuất bột cơ - Phương pháp nấu suníit: sàn xuất bột hóa và bột bán hóa; - Các phương pháp khác: sàn xuất bột bán hóa, các loại bột giấy khác. Các phương pháp khác cũng có thể áp dụng cho sản xuất bột giấy là phương pháp ôxy hóa sừ dụng các chất ôxy hóa đa dạng như ôxy, hydropeoxit, các peraxit,... để phân hủy lignin, hay nấu với các chất hữu cơ như rượu, phenol, các axit hữu cơ, este hoặc hỗn hợp các chất hữu cơ hay hỗn hợp các chất hữu cơ với các chất vô cơ, như NaOH. Bột giấy thu được có thể là bột hóa hoặc bột bán hóa khác nhau. Đây được xem là các phương pháp sản xuất bột giấy thân thiện môi trường khả thi, nhưng hiện nay các phương pháp này mới chi được ứng dụng hiệu quả trong quá trình tiền tay trắng và tẩy trắng bột giấy. Cần phải hiểu thêm rằng, công nghệ hiện đại (tiếng Anh: modem technology) là công nghệ đang phổ biến, đáp ứng được những yêu cầu hiện tại cùa công nghiệp và tiêu dùng, còn công nghệ tiên tiến (tiếng Anh: advanced technology) là công nghệ còn chưa được phổ biến, nhung có tiềm năng thay thế công nghệ hiện đại trong một tương lai gần. Trên quan điểm này, các phương pháp khác sản xuất bột giấy ncu trên có thể hiểu là những phương pháp tiên tiến. Sàn xuất bột giấy hay bột xenlulozơ cho sản xuất vật liệu và hóa chất theo phương pháp nấu suníĩt, hiện nay ừên thế giới ngày càng bị thu nhỏ, ờ nước ta không áp dụng công nghệ này. Theo Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp giấy, ở nước ta hiện nay và trong tương lai gần chi có sản xuất bột hóa (bột giấy sunfat) theo công nghệ nấu sunfat, sản xuất bột bán hóa theo công nghệ kiềm lạnh và bột cơ. Vì vậy cuốn sách chi tập trung trình bày các phương pháp sản xuất các loại bột giấy này. 29 1.3. TÍNH CHÁT VÀ CÁC CHỈ TIÊU CHÁT LƯỢNG CỦA BỘT GIÁY Trong công nghiệp giấy, tính chất và các chi tiêu chất lượng của các loại bột giấy được đánh giá qua thành phần hóa học, tính chất quang học và các chi tiêu độ bền cơ học của chúng. Để phản ánh tính chất của bột giấy, người ta sử dụng một loạt các chỉ tiêu khác nhau. Dưới đây chi liệt kê một số tính chất chung nhất. - Hàm lượng lignin còn lại Là tính chất đặc trưng của bột hóa chưa tẩy trắng. Được xác định bằng các phương pháp trực tiếp (biến tính của các phương pháp sử dụng axit sunfuric,...) hoặc các phương pháp gián tiếp (phương pháp sử dụng kali permanganat, clo,...). Trong thực tế, người ta thường sử dụng trị số Kappa, được xác định theo phương pháp permaganat, để biểu thị hàm lượng lignin còn lại trong bột. Chi tiêu này là một trong những tính chất quan trọng nhất của bột hóa và bột bán hóa không tẩy trắng, nhưng không áp dụng (không xác định) đối với bột tầy trắng, bột bán hóa hiệu suất trên 70% và bột cơ, do công nghệ sản xuất bột không nhằm mục đích tách loại lignin, còn đối với bột tẩy trắng, lignin chi còn lại dưới dạng “vết” (chi trẽn dưới 0,1%). Đối với bột giấy sunfat, có thể quy đổi tương đối từ trị số Kappa sang hàm lượng lignin như sau: L = 0,15K, trong đó L - hàm lượng lignin trong bột, K - trị số Kappa. Tương tự, có thể tính “gần đúng” hàm lượng lignin của các loại bột hóa khác theo công thức trên. Đối với bột giấy hiệu suất cao (trên 70%), người ta sử dụng trị số Clo (còn gọi là trị số Roe) để biểu thị hàm lượng lignin trong bột. - Hàm lượng pentozan Hàm lượng pentozan trong bột hóa phụ thuộc vào quy trình nấu. Thông thường, bột sunfat gỗ mềm chứa 10 - 11% pentozan, bột suníìt chứa 4 - 7%, còn các loại bột hóa tương tự từ gỗ cứng và thân thảo có thể có hàm lượng pentozan cao horn. Sự CÓ mặt của pentozan trong bột giấy là cần thiết, nó cải thiện được quá ừình nghiền bột cho sản xuất giấy, có ảnh hưởng tốt tới quá trình gia keo và nâng cao độ bền cơ học của giấy. Mặc dù vậy, trong sản xuất, người ta không chú ý lắm đến chi tiêu này của bột giấy. - Hàm lượng nhựa “Nhựa” là khái niệm để chi các tạp chất của bột giấy, có tính kết dính nhất định, có thể gây ảnh hưởng tới quá trình sản xuất giấy. Chúng là các hợp chất có thể trích ly được bàng các dung môi hữu cơ, như etanol, ete etylic, benzen, axeton,... Đại lượng của chi tiêu này phụ thuộc vào hàm lượng nhựa của từng loại 30 nguyên liệu và phương pháp sản xuất bột. Các loại bột sản xuất theo phương pháp nấu kiềm và nấu với dung môi hữu cơ có hàm lượng nhựa thấp hơn so với nấu suníit. Sự có mặt cùa các chất nhựa trong bột, có thể ảnh hường xấu tới quá trinh sàn xuất giấy và tính chất cùa giấy, như kết bám đĩa nghiền, lưới xeo, lô ép, lô sấy, tăng độ bụi của giấy,..., là những cản trở và bất lợi cho quá trình sản xuất và nâng cao chất lượng giấy. - Độ tro Là hàm lượng các chất vô cơ của bột giấy. Chúng có nguồn gốc từ nguyên liệu ban đầu và từ dung dịch của các tác nhân sử dụng trong quá trinh sản xuất. Chi tiêu này không quan trọng lắm đối với đại đa số các loại bột, nhưng lại rất quan trọng đối với các loại bột giấy sử dụng cho sản xuất các loại giấy và cactong đặc biệt, như giấy lọc, giấy cách điện, giấy kỹ thuật điện,... Độ tro cũng rất quan trọng đối với các loại bột cho sản xuất xenlulozơ tan. - Độ bụi Là số lượng vết bẩn trên 1 m2 bề mặt mẫu bột giấy, được xeo theo phương pháp tiêu chuẩn hóa. Nguồn gốc của các vết bẩn này có thể là mụn vò cây, libe và các mảnh nguyên liệu chưa nấu kỹ, thường là các mấu mắt hay các chất nhựa, tạp chất cơ học từ nguyên liệu, bề mặt thiết bị, hóa chất, nước sản xuất,... Yêu cầu về độ bụi của bột cũng khác nhau tùy thuộc vào công dụng của nó. Chẳng hạn, đối với bột hóa tẩy trắng sử dụng cho sản xuất giấy in viết, độ bụi là 150 - 450/m2, còn đối với bột chưa tẩy trắng có thề dao động trong khoảng 2000 - 4000/m2. - Độ trắng Độ trắng là thuộc tính đặc trưng của bột giấy tầy trắng, phụ thuộc nhiều vào các phương pháp sản xuất bột và có thể điều chinh bằng cách tẩy trắng. Độ trắng của bột (có đom vị đo là % ISO) được xác định bằng thiết bị đo độ trắng chuyên dụng, có nguyên lý hoạt động như một máy so màu với bộ lọc ánh sáng xanh, theo nguyên tắc so sánh mẫu bôt mang thử với mẫu vật liệu chuẩn có độ trắng 100%, thường là một tấm được phủ một lớp sunfat mage, sunfat bari hay oxit mage theo các phương pháp đo khác nhau. Yêu cầu về độ trắng của bột phụ thuộc vào công dụng của chúng. Chẳng hạn, đối với bột dùng sản xuất giấy in ảnh, tạp chí thì độ trắng yêu cầu là rất cao, còn đối với bột dùng sản xuất các lớp trong của bìa cactong thì độ trắng hầu như không quy định. - Độ nhớt Là một trong những thuộc tính quan trọng của bột giấy sử dụng cho sản xuất giấy, phàn ánh chiều dài đại phân tử xenlulozơ và hemixenlulozơ. Giữa độ nhớt và 31 độ bền cơ học có mối liên hệ mật thiết, v ề nguyên tắc, độ nhớt của bột cao kéo theo độ bền cơ học thấp. - Các tinh chất độ bền cơ học Là nhóm các chi tiêu chất lượng rất quan trọng, bời độ bền của sản phẩm giấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như độ bền và chiều dài xơ sợi, độ mềm dẻo và tính đàn hồi cúa xơ sợi, lực liên kết giữa các xơ sợi, độ đồng đều cùa giấy,... Các chi tiêu độ bền cơ học của bột giấy được xác định theo các phuơng pháp tiêu chuẩn hóa, bằng các thiết bị đo lường chuyên dụng. Độ bền cơ học của bột giấy hay giấy đều được đánh giá qua các chi tiêu, như độ bển đứt, độ bền nén, độ bển uốn, độ bền xé, độ chịu bục và lực Hên kết giữa các xơ sợi. Các chỉ tiêu chất lượng của bột giấy nêu trên được xác định bằng các phương pháp tiêu chuẩn hóa, như các tiêu chuẩn quốc tế (TAPPI, ISO, SCAN, ASTM) và tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN). Ngoài các tính chất và chi tiêu chất luợng nêu trên cùa bột giấy, trong một số trường hợp nhất định, người ta có thể chú ý đến các tính chất và chi tiêu chất lượng khác, như thành phần polysaccarit, khả năng chống thấm, khả năng tnrơng nở, độ đục và độ thoát nước của bột giấy. 1.4. LĨNH VỰC SỬ DỤNG CỦA BỘT GIẢY Sau quá trình tạo bột giấy (nấu hoặc xử lý kết hợp nghiền), ta thu được bột giấy chưa tẩy trắng, về nguyên tắc thường có độ ưắng thấp. Ngoài ra, bột chưa tấy trắng còn chứa nhiều tạp chất khác ngoài xơ sợi. Để thu được bột giấy có độ trắng và chất lượng tốt hơn, cần tiến hành tẩy trắng. Với tính chất khác nhau tùy thuộc vào quy trình sản xuất, bột giấy được sứ dụng làm nguyên liệu sản xuất các sán phẩm giấy và cactong khác nhau, chẳng hạn: - Bột hóa và bột bán hóa chưa tẩy trắng: sản xuất giấy bao bì, cactong; - Bột hóa tảy tráng: sàn xuái giấy in, giáy viéi; - Bột cơ không tẩy trắng: sản xuất giấy báo, giấy bao gói, cactong; - Bột cơ tẩy trắng: sản xuất giấy báo và giấy bao gói chất lượng cao, phối trộn với bột hóa để sàn xuất giấy in, giấy viết. Bột giấy sử dụng cho sản xuất giấy phải có các tính chất tạo giấy phù hợp, tức là có khả năng chịu nghiền; có khả năng hình thành tờ giấy với độ bền cơ học nhất định, có thể được điều chinh qua quá trình nghiền; không trong suốt. Ngoài ra, để sản xuất các loại giấy có yêu cầu thẩm mỹ cao, bột giấy cần có độ trắng nhất định; độ bụi thấp hoặc bằng không,... 32 Do yêu cầu về tính chất của bột giấy sử dụng cho sản xuất các loại giấy khác nhau mà chủng loại bột giấy trên thế giới rất đa dạng, không chi về hiệu suất mà cả về tính chất của chúng. Theo tính chất chung cùa các loại bột giấy phổ biến, thì ở nước ta chì có ba loại bột giấy được sản xuất, đó là bột hóa, bột bán hóa (bột kiềm lạnh và bột xút) và bột cơ. Mặc dù vậy, các sản phẩm giấy từ bột bán hóa, sản xuất theo các phương pháp khác nhau cũng tương đối quen thuộc, như giấy bao gói xi măng từ bột bán hóa và bột hóa hiệu suất cao, sản xuất theo phương pháp nấu sunfat hay các loại giấy bao gói khác. 33 Phần 2 NGUYÊN LIỆU SẢN XUÁT BỘT GIÁY ■ ■ Thành phần chính của bột giấy là xenlulozo, một polyme tự nhiên có nguồn gốc thực vật, vì vậy nguyên liệu sản xuất bột giấy là các loài thực vật xơ sợi, tức gỗ và một số loại lâm sản ngoài gỗ, phế phụ phẩm ngũ cốc, trong đó gỗ rừng trồng là nguyên liệu chủ yếu. Ngày nay, khi mà trữ lượng gỗ và diện tích rừng của thế giới, nhất là ở Việt Nam ngày càng giảm, trong khi nhu cầu nguyên liệu cho ngành giấy ngày một tăng, các loại nguyên liệu phi gỗ, như các loài cây thân thảo ngắn ngày, càng được chú ý khai thác sử dụng triệt để hơn. 2.1. NGUYÊN LIỆU GỐ Như đã trình bày ờ trên, gỗ nguyên liệu giấy có hai loại, gỗ cây lá kim thuộc loại gỗ mềm (softwood) và gỗ cây lá rộng thuộc loại gỗ cứng (hardwood). Thành phần hóa học của chúng có sự khác biệt rõ rệt. Gỗ cây lá kim chứa nhiều lignin hơn (27 - 30%), ít hemixenlulozơ hơn (20 - 25%), trong gỗ cây lá rộng các thành phần tương ứng là 18 - 24% và 25 - 35%. Ngoài ra, gỗ cây lá kim chứa nhiều hexozan hơn và ít pentozan hom. Hàm lượng xenlulozơ trong gỗ cây lá kim và cây lá rộng hầu như tương đương nhau (35 - 50%). Các kết quả nghiên cứu cho thấy, gỗ các loài cây lá rộng nhiệt đới có thành phần hóa học gần giống với cây lá kim cùng vùng sinh tmởng. Thành phần các chất trích ly của gỗ cây nhiệt đới phong phú hơn so với các loài cây vùng ôn đới. Qua khảo sát cho thầy, hai loại cây nguyên liệu giấy ớ nước ta là keo tai tượng và bạch đàn urô trong độ tuổi khai thác chù yếu ( 5 - 6 năm) có chiều cao trung bình 18 - 22 m, đường kính thân gỗ (tầm 1,3 m) khoảng 20 — 25 cm. Đối với gỗ keo tai tượng (vừa khai thác), thân cây chiếm khoảng 45 - 50%, cành nhánh: 18 - 20%, lá cây cùng cành nhánh nhỏ kích thước < 20 cm: 15 - 20% bạch đàn, vò cây: 17 - 18%. Cây bạch đàn có khối lượng thân cây và cành nhánh lớn hơn so với cây keo tai tượng. v ề nguyên tắc, thân cây (gỗ trục) là phần tốt nhất để sản xuất bột giấy, nhưng với phương châm tận dụng tối đa nguyên liệu, tất cả các phần của cây là phế 34 liệu của khai thác và chế biển gỗ đều có thể tận dụng làm nguyên liệu sản xuất bột giấy, tùy thuộc vào từng loài cây mà xác định tính hợp lý cùa việc tận dụng chúng. Theo số liệu thống kê, trên thế giới hiện có trên 50 loài cây được dùng làm nguyên liệu sản xuất giấy, trong đó có 38 loài gỗ cứng và 13 loài gỗ mềm. Hiện nay các loại gỗ nguyên liệu giấy ờ Việt Nam bao gồm: Keo tai tượng (Acacia mangium) Cây Keo tai tượng được đưa vào trồng thí điểm ờ nước ta vào những năm 1980, hiện nay đang là nguồn nguyên liệu chính cùa các nhà máy sàn xuất bột giấy và các doanh nghiệp chế biến dăm mảnh xuất khẩu. Khối lượng riêng cùa gỗ Keo tai tượng vào khoảng 460 - 500 kg/m5, tùy thuộc vào điều kiện sinh truờng và độ tuổi khai thác. Gỗ keo tai tượng có thành phần hóa học trung bình như sau: 48 - 50% xenlulozơ, 23 -36% lignin, 19 - 22% pentozan, 3 - 5% các chất trích ly và 0,3 - 0,5 các chất vô cơ. Với thành phần hóa học này, gỗ keo tai tượng rất phù hợp làm nguyên liệu sản xuất bột giấy. Thực tế cho thấy, nấu bột giấy sunfat với mức sử dụng kiềm hoạt tính khoảng 20 - 22% so với nguyên liệu khô tuyệt đối, có thể cho hiệu suất bột đạt 46 - 48%. Tuổi khai thác thích hợp nhất đối với keo tai tượng là khoảng 5 - 7 tuồi. Đổi với các vùng lập địa khác nhau, cấu tạo của gỗ keo tai tượng có thể khác nhau, thường hay bị rỗng lõi nếu điều kiện lập địa không đủ đáp ứng nhu cầu sinh trường. - Keo lá tràm (Acacia auriculiformis) Cây Keo lá tràm, hay còn gọi là Tràm bông vàng, đuợc trồng rộng rãi ưên khắp cả nước và cũng là nguồn nguyên liệu sản xuất giấy chủ yếu. Tuy nhiên, thời gian gần đây, diện tích Keo lá tràm có giảm. Khối lượng thể tích của Keo lá tràm cao hơn Keo tai tượng và tương đương với gỗ Bạch đàn trắng, dao động trong khoảng 600 kg/m3. Keo lá tràm có 46 - 47% xenlulozơ, 25 - 25% lignin, 19 - 20% pentozan và 5 - 6% các chất trích ly. Keo lá tràm là loài cây phát triển tương đối nhanh, có thể khai thác ở độ tuổi h'r s — 7 n5m N ấu bộ t g iấy Runfat vóri m ứ c sử dụng kiềm k h o ản g 20% so với nguyên liệu khô tuyệt đối, có thể cho bột hiệu suất đạt 45 - 47%. cần chú ý rằng, Keo lá tràm có hàm lượng các chất trích ly cao, có thể ảnh hưởng xấu tới quá trình xử lý bột giấy sau khi nấu. - Keo lai (Acacia mangium X Acacia auriculi/ormis, Acacia auriculi/ormis X 4cacia mangium) Là giống Keo được lai tự nhiên hoặc nhân tạo giữa Keo tai tượng và Keo lá tràm, có ưu điểm về sinh trường, năng suất, đặc biệt là hàm lượng xenlulozơ, lignin và pentozan cao hom so với Keo tai tượng và Keo lá tràm, nhưng Keo lai dễ bị sâu 35 bệnh, khả năng chống chọi gió bẫo kém. Tỷ trọng gỗ của Keo lai vào khoảng 500 - 625 kg/m3. Hàm lượng xenlulozơ vào khoảng 50 - 51%. Tương tự như các loài Keo khác, nấu bột sunfat với mức sử dụng kiềm khoảng 20% trong điều kiện thích hợp có thể cho bột có trị số Kappa khoảng 20 đom vị và hiệu suất đạt 49 - 50%. - Bạch đàn Trong số các loài gỗ cứng, thì Bạch đàn là loài cây có khối lượng thề tích tương đối cao. Ở Việt Nam, hiện phổ biến và phù hợp làm nguyên liệu giấy hơn cà là Bạch đàn urô (.Eucalyptus urophyllà) và Bạch đàn trắng caman (Eucalyptus camaldulensis). Hai loại cây này có tốc độ sinh trưởng khá nhanh. Bạch đàn urô có thành phần hóa học phù hợp làm nguyên liệu sản xuất bột giấy, bao gồm 47 - 48% xenlulozơ, 23 - 25% lignin, 19 - 20% pentozan, 2 - 3% các chất trích ly và 0,4 - 0,5% các chất vô cơ. 0 Ngoài hai loại Bạch đàn trên, Bạch đàn lai (Eucalyptus urophyllax Eucalyptus camaldunensừ), Bạch đàn tẽrê (Eucalyptus tereticorrnis) cũng có thể sử dụng làm nguyên liệu giấy. Cây Bạch đàn có thể pháMriển được trong mọi điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng, vùng ngập mặn, đồi trọc..., vì vậy hiện nay gỗ Bạch đàn là loại nguyên liệu phổ biến cho sản xuất bột giấy. Bột giấy từ nguyên liệu gỗ Bạch đàn trắng sản xuất theo phương pháp nấu sunfat có hiệu suất 45 - 46%, cao hơn so với bột sản xuất từ một số loại gỗ khác, như Bồ đề, Mỡ. - Bồ đề (Styrax tonkinensis) Là loài cây có nhiều ờ miền Bắc nước ta. Trong nhiều năm qua, tuy Bồ đề được trồng quy mô lớn ở vùng miền Trung, nhưng nhược điểm canh tác là năng suất chưa cao và làm độ phì nhiêu của đất ngày càng xấu, môi trường ít được cải thiện. Gỗ Bồ đề tương đối đồng nhất, không có lõi, tỷ lệ vỏ thấp, có hàm lượng x c n lu lo z ơ tưcm g đ ố i c ao (k h o ả n g 4 5 % ), n h ư n g h àm lư ợ n g các ch ất tan tro n g nư ớ c và dung dịch kiềm cũng cao, là nguyên liệu tốt cho sản xuất bột giấy. Đối với loại nguyên liệu này, công nghệ nấu bột thích hợp là phương pháp sunfat, hiệu suất bột có thể đạt 45 - 46%. Mặc dù vậy, hiện nay Bồ đề hoặc Mỡ ít được sử dụng làm nguyên liệu giấy. - tìỗ lá kim Gỗ lá kim sử dụng cho sản xuất bột giấy bao gồm các loại Thông, Tùng, Tần bì...... có hàm lượng nhựa thấp. Ở nước ta, Thông phát triển nhiều ờ Tây Nguyên, như ở các tỉnh Gia Lai, Kon Tum, Đẳk Lắk, Lâm Đồng, chủ yếu là Thông ba lá (Pinus kesiya). Ở miền Bắc, Thông caribê (Pinus caribaeà) phát triển nhiều ở 36 Đại Lài, Vĩnh Phúc. Thông là loại nguyên liệu giấy chủ yếu của các nước vùng ôn đới. Bột giấy sản xuất từ gỗ Thông có độ bền cơ học cao, dùng để sản xuất giấy bao bì, giấy đặc biệt. Gỗ thông là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất bột cơ. về cấu tạo, gỗ lá kim là nguyên liệu tốt cho sản xuất bột giấy, nhất là sản xuất bột cơ, nhưng gỗ cây lá kim sử dụng cho sản xuất bột giấy phải là loại có hàm lượng nhựa thấp, trường hợp ngược lại, khi sử dụng sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình vận hành, tiêu hao hóa chất và chất lượng giấy. 2.2. NGUYÊN LIỆU PHI GÕ - Luồng (Dendrocalamus barbatus) Cây Luồng mọc nhanh và phát triển tự nhiên, tập trung ờ nhiều vùng núi, như Thanh Hóa, Nghệ An, Hòa Bình. Luồng có xơ sợi tốt, với chiều dài trung bình có thề đạt 1,9 - 2,5 ram, nhung khối lượng thể tích cao, khoảng 830 kg/m3, nhiều mấu mắt. Luồng độ tuổi 2 - 3 năm có thành phần hóa học bao gồm: ~ 50% xenlulozơ, 23 - 24% lignin, 18 - 20% pentozan và độ tro 5 - 7%. Trước đây, Luồng là nguyên liệu truyền thống và phù hợp nhất để sản xuất bột giấy, sử dụng cho sản xuất giấy bao bì xi măng và bao bì độ bền cao, nhưng cũng thích hợp cho sản xuất giấy in, viết. Để sản xuất bột giấy làm nguyên liệu sản xuất giấy bao bì, thông thường người ta áp dụng phương pháp nấu xút với mức sử dụng kiềm khoảng 12 - 20%. Tuy nhiên, thời gian gần đây, Luồng rất ít được sử dụng cho sản xuất bột giấy, mặc dù vậy nó vẫn được đánh giá là nguồn nguyên liệu tiềm năng. - Tre, Nứa (Bambusa) Tre, Nứa là nguồn nguyên liệu lâu đời của ngành giấy Việt Nam, là các loài cây mọc nhanh, có chu kỳ khai thác ngắn, chi khoảng 2 - 3 năm. Cũng như Luồng, Tre, Nứa thuộc loại thân rỗng, có xơ sợi dài (khoảng 2 mm), phù hợp làm nguyên liệu cho sản xuất các loại giấy bao bì, cactong, giấy in, giấy viết, giấy vàng mã. T ic , N ú u ừ n ư ứ c tu m ọc rải róc từ D ắc đốn N a m , trôn các lập địa khác nhau, chù yếu tập trung ở các vùng núi với địa hình khó khai thác. Tại vùng trung tâm Bắc Bộ, các tỉnh miền Bắc thuộc Khu Bốn cũ, Tre, Nứa phát triển tốt, sản lượng thu hoạch tương đối cao. Tuy nhiên, sản lượng Tre, Nứa phát triển tự nhiên thường thấp, chi khoảng 50 — 100 tấn/ha/năm, nhưng nếu đầu tư và thâm canh tốt, đồng thời áp dụng kỹ thuật chăm sóc phù hợp, sản lượng có thể tăng vài lần, đạt 200 - 250 tấn/ ha/năm. Bột giấy sản xuất từ nguyên liệu Tre, Nứa có độ trắng không cao, thông thường chi đạt được 75 - 80%. Ngoài ra, nhược điểm của nguyên liệu Tre, Nứa là hàm lượng các hợp chất silic cao (khoảng trên dưới 3 — 4%), gây ảnh hường bất lợi 37 đến quá trình thu hồi kiềm khi sản xuất bột sunfat. Mặc dù vậy, xét về tổng thể thì Tre, Nứa là nguồn nguyên liệu có nhiều ưu thế đối với công nghiệp sản xuất giấy ở nước ta. - Các loại nguyên liệu khác Ngoài một số dạng nguyên liệu chính đã nêu trên, có rất nhiều dạng thực vật xơ sợi có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bột giấy, như cây Lồ ô (Bambusa procera), là loại cây phát triển tốt ở vùng Đông - Nam Bộ, mọc cụm thành bụi thưa, thường không thẳng, chiều cao cây 14 - 18 m, đường kính phổ biến 5 - 6 cm, to hom là 7 - 8 cm. Cây Đay là loại thực vật ngắn ngày, mọc nhanh, cây có độ cao trung bình 2,5 m, thời gian thu hoạch từ 3 đến 6 tháng. Nguyên liệu đay chủ yếu có nhiều ở Hưng Lộc - Đồng Nai và Tân Thuận - Long An, Thái Bình. Ngoài các loại cây kể ửên, còn có một số loài khác phát triển như cây Diễn, cây v ầu ..... cũng có thể là nguyên liệu tốt để sản xuất bột giấy. Trong số các loại nguyên liệu là phế thải, phế phụ phẩm sản xuất công - nông nghiệp, có thể kề đến các dạng tiềm năng, như bã mía được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy in báo và một số loại giấy viết ở nhiều nước trên thế giới nhu Cuba, Trung Quốc, Braxin, Achentina... Ở nuớc ta hiện nay, bã mía ít được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bột giấy, do chúng được các nhà máy sản xuất đường sử dụng làm chất đốt. Xơ sợi bã mía có độ dài trung bình khoảng 1,2 mm, thành phần hóa học bao gồm khoảng 47 - 49% xenlulozơ, 20 - 23% lignin, 25 - 27% pentozan và 2 - 3% các chất vô cơ. Bã mía xử lý và bảo quản tốt có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bột giấy hiệu suất bột cao. Rom rạ là nguyên liệu phù hợp để sản xuất bột giấy không tầy trắng. Với hàm lượng xenlulozơ khoảng 35 - 40%, hàm lượng lignin thấp (khoảng 13 - 15%), chiều dài xơ sợi trung bình 1 — 1,5 mm, nhưng độ tro tương đối cao (13 - 15%), sử dụng rơm rạ cũng gặp những khó khăn nhất định trong quá trình sản xuất. Ngoài các loại cây thân thảo ngắn ngày nêu trên, một số loại cây khác như cò Voi lai, thân cây Ngô,... đều có thể sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất bột giấy. 2.3. QUY CÁCH CHÁT LƯỢNG CỦA NGUYÊN LIỆU SÀN XUÁT BỘT GIÂY Việc đánh giá chất luợng nguyên liệu đầu vào cho sản xuất bột giấy có ý nghĩa rất quan trọng. Thường thì việc đánh giá này được thực hiện theo các số liệu trực quan và định tính sơ bộ. Trong trường hợp cần thiết, thông tin thu được có thể được bổ sung bằng các kết quả phân tích thực nghiệm. Khi sử dụng nguyên liệu gỗ các chi tiêu chất lượng và khả năng sử dụng bao gồm: - Chiều rộng các vòng tuổi; 38 - Mật độ mấu mắt; - Độ thẳng và độ tròn cùa thân cây; - Các vết mục, các phá hủy do côn trùng và nấm gây ra; - Một số dấu hiệu khác. Chiều rộng vòng tuổi của cây là chi số gián tiếp về tỷ trọng của gỗ: về nguyên tắc, vòng tuồi hẹp đặc trưng cho gỗ có tỷ trọng cao. Chi tiêu này chi có ý nghĩa đối với gỗ lá rộng có độ tuổi cao hoặc gỗ lá kim, bởi cây nguyên liệu giấy được khai thác hiện nay thường vào độ tuổi 3 - 7 năm, vòng tuồi không rõ rệt để phân biệt. Mấu mắt gỗ là phần gỗ sẫm có tỷ trọng cao (có thể tới 0,7 g/cm3), cấu tạo bới các xơ sợi ngắn và thô. Khi nấu bột, các mấu mắt gần như còn nguyên vẹn và có thể tách ra khỏi bột trong các công đoạn sàng chọn bột. Thế nhưng, một lượng nhỏ xơ sợi thu được từ bề mặt ngoài của các mấu mắt có thể làm giảm chất lượng cúa bột bời chúng là nguồn tạo ra các mụn lanh nhỏ. Có một số tiêu chuẩn quy định kiểm tra số lượng và kích thước của các mấu mắt khi phân loại gỗ. Độ thẳng và độ tròn của thân gỗ là những dấu hiệu phản ánh chất lượng gỗ tốt. Thân cong sẽ gây khó khăn cho việc bóc vỏ, chặt mảnh hoặc mài gỗ khi sản xuất bột gỗ mài. Dạng lệch tâm hoặc ovan của thiết diện ngang thân, thường đi đôi với phần dày hơn và rắn chẳc hơn của phần gỗ muộn trong các lớp vòng tuổi. Phần này khó thẩm thấu dịch nấu và có thể ảnh hưởng đến chất lượng của bột giấy nói chung. v ế t mục là phần gỗ bị phân hủy, biến dạng ở mức độ nào đó dưới tác dụng của nấm và côn trùng. Điều kiện sinh trưởng tốt nhất của nấm là nhiệt độ 20 - 35 °c và độ ẩm 30 - 50%. Tùy thuộc vào mức độ biến đổi của gỗ, có thể phân biệt một số giai đoạn mục sau: - vết nấm: khi một phần gỗ đã đổi màu nhưng dấu hiệu mục còn chưa rõ ràng; M ực cứng: g ỗ đă có các b ién dạn g v ề cấu tạo; - Mục nát: khi xuất hiện các ổ nấm, các lỗ nhỏ, các vết sâu, cũng là khi gỗ dễ bị bè gãy, tạo mùn và có thể dễ phá hủy bằng tay không; - Hốc cây: là kết quả tác dụng của không chi một loại nấm mà nhiều tổ hợp nấm khác nhau, tạo thành những hốc mềm trong thân cây. Các dạng mục gỗ phổ biến khi bảo quản bao gồm: mục xanh; mục tráng; mục đỏ và mục nâu. Sự nhiễm nấm thường làm giảm tỷ trọng của gỗ và tăng độ hòa tan của gỗ trong dung dịch NaOH 1%. Các biến đổi này là cơ sở cho các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm. 39 Các loài côn trùng cũng làm giảm chất lượng gỗ nguyên liệu. Chúng có thể để lại trẽn bề mặt gỗ các rãnh nhỏ không sâu lắm, nhưng không ảnh hường đến hiệu suất và chất lượng bột sản xuất. Các dấu hiệu chất lượng khác có thể kể đến là các vết nứt, các vết cháy sém. Nếu như các vết nứt không ảnh hường đến quá trình công nghệ thì ngược lại, các vết cháy sém là những khuyết tật cùa gỗ không thể chấp nhận được khi sử dụng, bởi các hạt than không bị tác dụng của hóa chất và có thề trờ thành tạp chất của bột. Các nhà máy xuất bột giấy hay xenlulozơ cho sản xuất hóa chất và vật liệu, có thể sử dụng các dạng nguyên liệu gỗ sau: gỗ trục, gỗ nhỏ và cành nhánh gỗ, dăm mảnh các loại, mùn cưa và phế thải sản xuất cưa xẻ. Nguyên liệu phi gỗ có thể là cây (luồng hay tre nứa), bã mía nguyên dạng từ nhà máy mía đường, rơm r ạ ,... Gỗ trục là gỗ từ phần thân cây lớn có kích thước khác nhau, là dạng nguyên liệu chất lượng nhất. Gỗ nhỏ là dạng nguyên liệu gỗ thân bé hoặc cành nhánh cây, thường có độ mục cao, độ cong lớn, nhiều mấu mắt, chứa nhiều vỏ, đa dạng về kích thước và loại cây. Yếu tố khiến cho gỗ nhỏ được sử dụng nhiều là giá rất thấp so với gỗ trục. Dăm mảnh gỗ được sản xuất ở những vùng thu mua nguyên liệu hoặc ở những ncri có phế liệu gỗ và được vận chuyển đến nhà máy. Chúng có thể là sản phẩm của các quá trình chế biến dăm mảnh gỗ chuyên môn hóa, phế thải của các nhà máy cưa, xẻ, chế biến đồ gỗ,... Mùn cưa và phế thải của sản xuất cưa xẻ mộc cũng có thể là nguồn nguyên liệu cho sàn xuất bột giấy. Do phần lớn kích thước xơ sợi bị phân nhỏ trong quá trình cưa xẻ, hiệu suất và các tính chất độ bền cơ học của bột sản xuất từ dạng nguyên liệu này thấp hom so với từ dăm mảnh gỗ. Nguyên liệu phi gỗ được chế biến tại nơi thu mua hoặc tại nhà máy và được đua vào sản xuất dưới dạng dăm mảnh hoặc dưới dạng có kích thước phù hợp, tùy thuộc vào tính chất cùa ngiiyên liệu. 2.4. BẢO QUÀN VÀ TỒN TRỮ NGUYÊN LIỆU Mục đích chủ yếu của tồn trữ nguyên liệu, là nhằm duy trì cho quá trinh sản xuất được liên tục. Cũng như nhiều ngành sản xuất khác, các nhà máy sản xuất bột giấy và giấy thường có quy mô lớn và tính liên tục hóa cao, lượng nguyên liệu sử dụng có thể đạt hàng trăm, hàng ngàn tấn/ngày. Mặc dù nguồn nguyên liệu có thể cung ứng đều đặn, nhưng do nhiều lý do, nếu không tồn trữ thỉ khó có thể duy trì và đáp ứng việc cung cấp nguyên liệu liên tục và đều đặn cho dây chuyền sản xuất. Mặt khác, nguyên liệu nhập vào cần lựa chọn, xử lý trước khi đưa vào sản xuất. Vì 40 vậy, để duy trì hoạt động liên tục của nhà máy, cần tồn trữ một lượng nguyên liệu vừa đủ, trên cơ sờ năng lực tài chính, hiệu quả kinh tế, các yếu cầu công nghệ và cơ sờ hạ tầng sản xuất của nhà máy. Chẳng hạn, đối với nguyên liệu thân thảo, cho dù là rơm rạ, bã mía,..., thì thu hoạch mang tính thời vụ nhất định, nên chúng thường đuợc dự trữ trong vòng 3 - 6 tháng cho thời gian giữa hai mùa vụ. Đối với nguyên liệu là gỗ hay tre nứa, tuy thu hoạch không bị hạn chế bời thời vụ, nhưng cũng cần phải tính thời gian ngắt quãng nhất định khi khai thác, thu mua hay vận chuyển, nên thường chúng cũng được dự trữ cho một chu kỳ vài tháng trờ lên. Trong quá trình bảo quản và tồn trữ nguyên liệu, các tác dụng của môi trường như mưa, gió, lên men tự nhiên có thể làm tăng hay giảm độ ẩm, lượng các chất trích ly trong nguyên liệu, làm cho chất lượng nguyên liệu ổn định hơn, nếu không ảnh huòmg nghiêm trọng đến chất lượng, thì đây là những biến đổi có lợi cho quá trình chế biến. Chẳng hạn, tinh dầu, các chất béo của tre, nứa hay gỗ, ứong quá trình bảo quản nhờ thông gió tốt, có thể làm cho một phần bay hơi, phân hùy, là yếu tố quan trọng giảm ảnh hưởng xấu của chúng đối với quá trình sản xuất bột. Đối với các nguyên liệu thân thảo, sau thòri gian bào quản khoảng 5 - 6 tháng, các chất khoáng, tinh bột, pectin hay nhựa có trong nguyên liệu dễ dàng hòa tan, lên men tự nhiên, làm cho quá trinh thẩm thấu của dịch nấu trờ nên tốt hơn, nhờ đó mà tách loại lignin cũng diễn ra dễ dàng hơn, làm giảm tiêu hao hóa chất. Tương tự, đối với nguyên liệu là bã mía, khi bảo quàn dự trữ vài ba tháng, độ ẩm và hàm lượng đường có thể tự giảm một cách đáng kể. Tuy nhiên, sự phân hủy tự nhiên cũng làm giảm chất lượng xơ sợi của nguyên liệu, nhất là ở điều kiện bảo quản ẩm, ít thông gió. Đối với nguyên liệu gỗ trục, có hai phương thức tồn trữ nguyên liệu phổ biến là tồn trữ dưới nước và trên cạn. Phương thức tồn trữ dưới nước phổ biến đối với những vùng khí hậu nóng ầm, gỗ dễ bị mốc. Bảo quản gỗ trục dưới nước là phương thức tận dụng nước ao, hồ, sông, suối (tự nhiên hoặc nhân tạo), để tồn trữ gỗ tại nơi tập kết chúng từ nơi khai thác. Tồn trữ dưới nước có thẻ giúp tiét luộm đàng kẻ chi phi vận chuyển, nâng cao nang suái lao động, đồng thời giữ được lượng nước trong gỗ đồng đều, tránh mục mọt. Nhược điểm của phương thức này là lượng các chất béo và chất nhựa trong gỗ hầu như không giảm trong quá trình tồn trữ, nguyên liệu có thể kéo theo bùn đất không cần thiết, gây ô nhiễm môi trường. Phương thức này chì phổ biến khi nguyên liệu (gỗ, tre nứa) được vận chuyển về nơi tập kết theo đường thủy. Tồn trữ và bảo quản trên cạn vẫn là phương thức phổ biến. Với phương thúc này, trong quá trình tồn trữ kéo dài, hàm lượng nhựa trong gỗ có thể giảm, yếu tố này đặc biệt quan trọng đối với phương pháp sản xuất bột suníit, ngoài ra, các tạp chất cơ học theo gỗ có thể được loại bỏ một phần. Bảo quản gỗ trẽn cạn tiện lợi 41 cho quá trình kiểm soát chất lượng nguyên liệu, nhưng ở những vùng khí hậu ẩm như miền Bắc nước ta, hiện tượng mốc mục gỗ diễn ra rất nghiêm trọng. Tại kho bãi, gỗ được xếp đống tùy thuộc vào chủng loại và kích thước, chúng được phân loại theo tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà máy sản xuất, đồng thời theo kích thước để dễ dàng kiểm soát chất lượng và đảm bảo tính hiệu quả khi sử dụng diện tích kho bãi và bốc dỡ nguyên liệu. xếp đống là phương pháp bảo quản và tồn trữ được áp dụng đối với gỗ tròn và một vài dạng nguyên liệu phi gỗ khác. Có thề phân biệt phương pháp này theo cách thức xếp, bao gồm xếp lớp, xếp ngang hàng và xếp rời. Còn theo tính chất công nghệ của gỗ nguyên liệu, có thể phân biệt hai dạng: - Bảo quản gồ tươi: khi gỗ chưa bóc vỏ có kích thước dài ngắn khác nhau được xếp đống, có thể xen kẽ gỗ còn vỏ và gỗ đã bóc vỏ; - Bảo quản gỗ khô: khi gỗ đã bóc vỏ dài ngắn khác nhau được xếp đống theo trật tự nhất định. Việc lựa chọn phương pháp bảo quản và tồn trữ phụ thuộc vào dạng nguyên liệu, thời gian bảo quản, phương thức tiếp nhận và xử lý nguyên liệu, điều kiện khí hậu,... Phương pháp bảo quản khô ít phổ biến hơn, hoặc thời gian tồn trữ không kéo dài, bởi thông thường gỗ ngay sau khi bóc vỏ sẽ đuợc chặt mảnh luôn. Đối với tất cả các phương pháp xếp đống, chi tiêu quan trọng là mật độ thể tích xếp đống hay còn gọi là hệ số thể tích thực (%), tức đơn vị thể tích thực của gỗ so với tổng thể tích đống gỗ, nó phản ánh hiệu quả sử dụng kho bãi. Trên thực tế, gỗ đã bóc vỏ và gỗ chưa bóc vỏ được xếp đống riêng biệt. Đôi khi cũng cỏ sự xếp xen kẽ. Ở nước ta hiện nay, trường hợp khai thác thủ công và bán thù công ở quy mô vừa và nhỏ, gỗ thường được bóc vỏ ngay khi mới khai thác (dễ dàng bóc vỏ hơn), rồi tiếp tục được vận chuyển về noi chặt mảnh. Đối với tnrcmg hợp khai thác quy mô lớn, có mức cơ giới hóa cao, gỗ chưa bóc vỏ được vận chuyển về nhà máy, rồi được tồn trữ, sau đó mới đưa vào bóc vỏ đồng thời với ch ặt m ảnh. Phương pháp xếp lớp (hình 2.1a): Gỗ được xếp thành từng lớp ngang, dọc xen kẽ nhau tạo thành đống, thích hợp với gỗ dài. Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo việc thông gió tốt vì gió từ hướng nào cũng đều làm cho gỗ khô đồng đều. Phương pháp này có mật độ thể tích xếp đống tương đối thấp, thường chi đạt 46 - 52%. Mật độ càng nhỏ khi đường kính gỗ càng nhỏ hay chiều dài càng ngắn. Phương pháp xếp hàng ngang (hình 2.1b): Khi gỗ được xếp với nhau theo một chiều, tạo thành đống có chiều dài lớn. Phương pháp này thích hợp cho xếp gỗ có độ dài ngắn khác nhau. Kiểu xếp này có độ thông gió kém hơn so với phương pháp 2.la, nhưng mật độ thể tích lón hơn, có thể đạt 0,6 - 0,7. Ở hai đầu 42 cùa đống gỗ như vậy nguời ta thường xếp các đống gỗ theo phương pháp xếp lớp, để đảm bảo độ chắc chắn của đống gỗ. Phương pháp này rất phổ biến trong sán xuất bột giấy. Phương pháp xếp rời (hình 2.1c): Gỗ đuợc xếp một cách tự nhiên thành đống, thành hình “mái nhà”, thích hợp cho xếp gỗ có kích thước không đồng đều hoặc cành nhánh gỗ. Phương pháp này có độ thông gió cho gỗ kém và mật độ xếp thấp. Các nhà máy hiện đại và quy mô, có mức cơ giới hỏa kho vận cao, áp dụng các phurơng pháp xếp gỗ quy mô hơn (hình 2.2). Theo các phương pháp này, gỗ được xếp thành đống không chèn (hinh 2.2a) bằng cần cẩu hoặc máy nâng từ các lô không đai. Các lô được xếp lại với nhau thành đống không có chèn lót. Gỗ có thế được xếp thành các lớp có chèn ngang (hình 2.2b). Kiểu xếp này được thực hiện bằng cần cẩu hoặc tời, tương ứng chúng cũng có thể được bốc dỡ bàng cẩu hoặc tời. Đống xếp theo bó (hình 2.2c) được hình thành từ các bó gỗ riêng biệt. Các bó kề nhau được chèn bằng các tấm chèn nghiêng một góc, còn các dãy cách nhau bời các lớp chèn ngang và dài. Hình 2.2. Các phương pháp xép đống để tồn Ưữ gỗ số lượng lớn. 43 Hình 2.3. Vận chuyển và xép đống gỗ tạl Công ty cỗ phàn Glắy An Hòa. Quy cách bảo quản nguyên liệu gỗ trục nên áp dụng như sau: Chiều dài đống: không nên vượt quá 300 m, trường hợp xếp thủ công chiều dài đống nhỏ hơn 100 m, với gỗ ngắn hay cành nhánh, chiều dài đống hợp lý là khoảng 30 m. Chiều rộng đong: 3 - 6 m. Chiều cao đống: xếp thủ công 2 - 4 m, xếp cơ giới có thể xếp đống cao tới 8 m. Khoảng cách giữa các đống: 1 - 3 m, không nên nhỏ hơn 0,5 m, khoảng cách giữa các nhóm nguyên liệu thường 10 - 15 m, giữa các khu nguyên liệu: 15 - 25 m. Nguyên liệu dăm mảnh được tồn trữ và bảo quản ở kho bãi ngoài trời hoặc có mái che, dưới dạng các đống có quy mô khác nhau, tùy thuộc vào dạng nguyên liệu và cơ sở hạ tầng, phương tiện bốc dỡ của nhà máy. Dăm mảnh gỗ được bảo quản dưới dạng các đống ngoài trời, được trang bị hệ thống cấp mảnh và lấy mảnh (hình 2.4), hoặc trong các silo mảnh (hình 2.5). Hình 2.4. Tồn trữ dăm mảnh dưới dạng đóng ngoài trời. 44 Hình 2.5. Tồn trữ dăm mảnh trong silo. 45 Phần 3 Xử LÝ NGUYÊN LIỆU GÕ VÀ PHI GÕ CHO SÀN XUÁT BỘT GIÁY Mục đích của công đoạn chuẩn bị nguyên liệu là biến nguyên liệu ban đầu dưới dạng thân cây hay cành nhánh, thành dạng phù hợp cho quá trình tạo bột giấy (nấu hoặc nghiền). Tùy thuộc vào dạng bột (bột cơ hay bột hóa), phương pháp sản xuất (nghiền hay nấu) mà lựa chọn sơ đồ công nghệ và phương pháp chuẩn bị nguyên liệu sao cho phù hợp với các yêu cầu công nghệ đặt ra. v ề cơ bản, hầu như không có sự khác biệt nhiều giữa sơ đồ công nghệ và phương pháp chuẩn b ị nguyên liệu cho sản xuất bột cơ và bột hóa. Sơ đồ công nghệ dây chuyền chuẩn bị nguyên liệu gỗ được minh họa bằng sơ đồ trên hình 3.1. Căt khúc Rửa Bóc vỏ RửaDò lamChặt mảnh /t= > & c=> |= 5loại4 . 3 I X Cấpchonắu hoặc nghiền bột Đất, đá và nước Chặt lại mảnh lớn i Vỏ cây và nước Sàng chọn mảnh » ế ỵ iH r y mSSSSySilo mảnh Mảnh vụn Buồng làm đều Hình 3.1. Sơ đồ dáy chuyển chuẩn bl nguyên liệu gỗ cho sản xuất bột hóa và bột CO’. 3.1. CÁT k h ú c h a y p h â n đ o ạ n g ổ Thường là công đoạn đầu tiên trong quá trình chuẩn bị nguyên liệu dăm mảnh. Gỗ nguyên liệu thường được đưa về nhà máy chế biến dăm mảnh, hoặc nhà máy sản xuất bột giấy dưới dạng cả cây có chiều dài khác nhau, do vậy trước 46 khi đưa vào dây chuyền chế biến, chúng được cắt khúc theo tiêu chuẩn kỹ thuật nhất định, với một số lý do sau: - Đại đa số các thiết bị bóc vò hiện đại phù hợp với chiều dài gỗ trục khoảng 2 - 2,5 m; - Thiết bị chặt mảnh chủ yếu hiện nay vẫn là các máy chặt mảnh có đường dẫn gỗ nghiêng, vì vậy chặt mảnh gỗ dài hoặc là không thực hiện được, hoặc không tiện lợi; - Khi sàn xuất bột gỗ mài, chiều dài của gỗ cần tương ứng chính xác với khoang tiếp liệu (thường không vượt quá 1,6 m). Ngoài ra còn một số lý do khác, như kích thước của bàn tiếp nhận gỗ vào dây chuyền, sự cần thiết phải cắt khúc để nâng cao hiệu quà của quá trình chuẩn bị nguyên liệu,... Cắt khúc gỗ được thực hiện bàng phương pháp cưa, phay hoặc cắt. K.hi cưa, gỗ được cắt đứt thành từng đoạn bằng các loại cưa khác nhau. Thiết bị phổ biến nhất là các máy cưa đĩa nhiều lưỡi. Gỗ được đưa vào máy cưa bằng hệ thống băng tải xích. Số lưỡi cưa ứng với số đoạn gỗ được cắt ra. Cưa đĩa có đuờng kính 150 - 220 mm hoặc lớn hơn. Ngày nay, các loại cưa hiện đại có năng suất rất cao và có khả năng hạn chế tối đa lượng mùn cưa phát sinh. Máy phay có hình dáng giống với máy cưa, nhưng gỗ được cắt bằng các đĩa phay đường kính lớn. Khi phân đoạn gỗ bàng thiết bị này, tại chỗ cắt không hình thành mùn cưa như trong trường hợp cưa, mà thành dăm mảnh nhỏ (mùn vụn gỗ), chúng có thể phối trộn với dăm mảnh nguyên liệu để sử dụng. Cắt gỗ bằng dao cắt không thải ra mùn cưa. Thiết bị có khả năng sử dụng tốt nhất là loại máy cắt gỗ dạng đè, tức là gỗ bị các dao cắt chuyển động đè tì lên một bệ tì cùa máy. Một trong những loại máy cắt dạng này là loại có dao phẳng dày khoảng 5 mm, được mài sắc một bên, có thể cắt gọn thân gỗ có đường kính tới 400 mm trong vòng tích tắc (0,1 - 0,2 s). Hiện nay, đã có các loại thiết bi cắt khúc gỗ không phế thải. 3.2. RỬA GÕ Sau khi được cắt khúc hoặc đã được cắt khúc sẵn từ nơi khai thác, gỗ được đưa lên bàn tiếp nhận và đồng thời được xối rửa, để loại bỏ đất, cát và các tạp chất cơ học khác, đồng thời tạo cho gỗ có độ ướt nhất định, dễ dàng di chuyển trên hệ thống băng tải và được bóc vỏ tốt hơn. 47 3.3. BÓC VÒ Vỏ cây có độ dày tương đối khác biệt nhau, chủ yếu phụ thuộc vào loài cây và tuổi của cây. Trung bình, vỏ cây chiếm 10 - 15%, thậm chi có loài cây lên tới 18 - 20% khối lượng toàn thân cây khô. Vò cây bao gồm nhiều loại tế bào khác nhau, chúng gắn kết với nhau thành một mô tế bào chắc, có khả năng kháng nước và không khí. Các tế bào ở phần vò trong vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng vào trong các tế bào parenchim để dự trữ. Có hai loại tế bào cơ đâ được tìm thấy ứong gỗ, một loại dày tới 3 mm, là các xơ sợi libe, còn loại khác là các tế bào có vách mỏng. Cũng giống như xơ sợi gỗ, về mặt hóa học, các xơ sợi libe được cấu tạo từ xenlulozo, hemixenluloza và lignin. Các tế bào khác cỏ hàm lượng các chất trích ly cao. Ngoài ra, hàm lượng các chất trích ly của vỏ cây cũng cao hơn so với mô gỗ. Dù sản xuất bột giấy theo phương pháp nào, gỗ nguyên liệu cũng cần được bóc vỏ trước khi đưa vào sản xuất do một số lý do sau: - Sự có mặt của vỏ cây làm giảm hiệu suất bột, do vỏ cây có hàm lượng xơ sợi rất thấp, chúng khó giữ lại được trong quá trình nấu bột. Chi có khoảng 20% xơ sợi của vỏ có thể thu được sau nấu; - Vỏ có thể gây ảnh hường đến thiết bị công nghệ, như gây mài mòn bề mặt thiết bị, tắc lưới, đường ống; - Vỏ có hàm lượng các chất trích ly cao, ữong quá trinh nấu hoặc xử lý dăm mảnh khi sản xuất bột cơ, chúng làm tăng tiêu hao hóa chất, gây ra các vấn đề nhựa (kết dính) đối với cả quá trinh sản xuất bột giấy và giấy; - Vỏ cản trở quá trình thoát nước của bột giấy, ảnh hưởng đến quá trình rửa bột và xeo giấy. - Vỏ làm tăng độ bụi của bột và giấy, do một phần vỏ không bị phân hủy trong quá trình nấu bột và tẩy trắng, tạo thành những mụn lanh trên tờ giấy. Phần vỏ dễ bóc nhất là lớp biểu bì của cây mới khai thác, đặc biệt là vào mùa xuân và mùa hè. v ỏ của cây khai ihác vào cuối mùa thu và mùa đông có độ bám chặt gấp hai lần. Khi thời tiết quá lạnh hoặc khi gỗ đã khô, lực kết bám của vỏ cũng tăng lên, vì vậy bóc vỏ gỗ khô hoặc gỗ bị lạnh khó khăn hơn. Ngâm gỗ lâu dưới nước hoặc gỗ được xử lý bằng nước nóng dễ bóc vỏ hơn. Yêu cầu về độ sạch vỏ đuợc quy định bời các hạn chế về hàm lượng vỏ trong dăm mảnh nguyên liệu. Mức loại vỏ cần thiết (%) được xác định bởi công thức: y = 100 (1 - k/ko), trong đó k là hàm lượng về thể tích cho phép cùa vỏ trong dăm mảnh nguyên liệu (%); ko là hàm lượng về thể tích của vỏ ừong gỗ trước khi bóc vỏ (%). 48 Các loại thiết bị bóc vỏ gỗ hiện nay sử dụng trong sản xuất bột giấy, có thể chia thành ba dạng chù yếu: - Thùng bóc vỏ; - Máy bóc vỏ dạng rôto; - Máy tước vỏ dạng thùng và dạng tunnel. Thùng bóc vỏ kiểu phổ biến là một tang hình trụ bằng thép nằm nghiêng một góc nhất định so với mặt bằng (hình 3.2). Nguyên lý hoạt động của loại thiết bị này là sử dụng lực ma sát, sinh ra trong quá trình cọ xát lẫn nhau của gỗ và với các gờ trên vách thùng. Gỗ được cấp vào thùng và chiếm một phần không gian bên trong của khoang chứa. Khi thùng quay chậm quanh một trục dọc, gỗ bị xáo trộn, cọ xát vcd nhau, đồng thời cọ xát với các gờ gắn trên vách thùng, nhờ đó vỏ bị phá vỡ, tách ra khỏi thân gỗ, lọt qua khe hờ và được đưa ra khỏi thùng. Hình 3.2. Thùng bóc vỏ gỗ hiện đạl. Các loại thùng bóc vỏ khác biệt nhau về cấu tạo và công dụng của chúng, có thẻ gồm . - Thùng bóc vỏ dùng cho cành cây và các đoạn gỗ ngắn, có hình dáng phức tạp, độ cong lớn. Với loại thùng bóc vỏ này, nguyên liệu được cấp vào thùng một cách tùy ý, trong khoang chúng chuyển động lăn không theo một trật tự nào cả, dịch chuyển từ đầu bên này sang đầu bên kia của thùng và được đưa ra ngoài. - Thùng bóc vỏ dùng cho gỗ dài, khi gỗ được xếp song song với nhau theo chiều trục quay của thùng. Loại thiết bị này có năng suất cao hơn, mức độ tổn hao và tổn thương của gỗ thấp. Dạng thùng bóc vỏ dùng cho các đoạn gỗ ngắn là. dạng tương đối phổ biến hiện nay và phù hợp với thực tiễn sản xuất ờ nước ta. Nguyên liệu được xếp tự do, 49 chiếm 1/2 - 2/3 thể tích thùng, chuyền dịch dần theo chiều dọc thùng, tức chúng được cấp vào thùng từ một đầu và được đưa ra ngoài từ đầu kia của thùng. Hiện nay ở nước ta chi có các nhà máy lớn, như giấy Bãi Bằng thuộc Tổng công ty Giấy Việt Nam và Công ty cổ phần Giấy An Hòa là được trang bị thùng bóc vó gỗ. Veri cùng một thùng bóc vỏ, có các phương pháp bóc vò sau: bóc vỏ ướt, bóc vỏ nửa khô và bóc vỏ khô. Bóc vỏ ướt là phưcmg pháp sử dụng nước nóng để thúc đẩy quá trình bóc vó. Nước được cấp vào thùng bóc vò và chiếm một phần thể tích thùng. Trong một số trường hợp thùng được quay trong một bể chứa nước. Vò được bóc khỏi thân gỗ cùng với dòng nước và được đưa ra khỏi thùng. Phương pháp này có nhược điểm là chi phí nước cao và năng suất thấp nên ngày nay ít được sử dụng. Trong phương pháp bóc vỏ nửa khỏ, các thùng bóc vỏ được chia thành hai khoang gần bằng nhau (hình 3.3). Khoang thứ nhất (theo hướng di chuyển của gỗ) có vách liền, ứên bề mặt vách có gắn các mấu nhọn, chúng có tác dụng cắt vỏ thành các vết cắt. Một lượng nước được cấp vào khoáng và được giữ lại trong khoang nhờ các gờ ngăn ở hai đầu của khoang. Gỗ được làm ướt và bị xây xát vỏ, di chuyển sang khoang thứ hai, là khoang bóc vỏ bằng các mấu gắn trên các thanh dọc theo vách thùng. Nước không được đưa vào khoang này. v ỏ bị bóc ra khỏi gỗ, rơi vào khoảng giữa các thanh gắn mấu và được đưa ra ngoài qua các khc. Mỗi khoang của thùng được lắp đặt ưên một giá đõ và quay fron bằng hệ thống dẫn động riêng. Các loại thùng bóc võ khô thường có các bộ phận bóc vỏ là các gờ gắn trên vách thùng, sử dụng hơi nước hoặc khí nóng để tăng tốc độ bóc vỏ. Ưu điểm khi sừ dụng các loại thiết bị này là tiết kiệm được nước, ít nước thái. Nhược điểm có thể kể đến là năng suất giảm khi bóc vò những loại gỗ có lớp biểu bì khô, do trong trường hợp này vỏ không thấm nước. Ngoài ra còn có các loại thùng bóc vỏ liên hợp, có thể bóc vò bàng các phương pháp khác nhau tùy thuộc vào độ ẩm của gỗ. Thùng bóc vỏ có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn. Loại thùng bóc vỏ hoạt động gián đoạn được sử dụng cho bóc vỏ các loại gỗ mới khai thác, chất lượng thấp và phù hợp với quy mô sản xuất vừa. Thùng hoạt động liên tục phù hợp với các loại gỗ dài (4 - 6 m) và gỗ ngắn (1,2 - 2,2 m). Sử dụng thùng bóc vỏ rất hiệu quả đối với các loại gỗ nguyên liệu dài ngắn khác nhau, đường kính nhỏ và độ cong cao, phù hợp với điều kiện ở nước ta. 50 Hình 3.3. Thùng bóc vỏ gỗ hal khoang. 1 - Khoang làm ẳm (xỗng hoi); 2 - Khoang bóc vó; 3 - Đệm nước (khỗng khl); 4 - Dẫn động quay thùng; 5 - Vách ngăn tự xá. 3.4. CHẬT MẢNH Đề sản xuất bột giấy từ gỗ hoặc tre nứa, hay bột gỗ nghiền từ gỗ, chúng cần được chặt mảnh hoặc cắt thành đoạn có kích thước phù hợp với điều kiện sản xuất. Các tiêu chuẩn chất lượng, thành phần kích cỡ, nguyên tắc giao nhận, bảo quản và tồn trữ, các phương pháp kiểm soát chất lượng dăm mảnh, được quy định bời các Tiêu chuấn ngành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà máy sản xuất. Đối với dăm mảnh xuất khẩu có thể áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế. Thông thường các nhà máy sản xuất bột giấy có các Tiêu chuẩn kỹ thuật riêng, phù hợp với điều kiện sản xuất, công nghệ, trang thiết bị sản xuất hiện có và chất lượng bột yêu cầu. Các chi tiêu chất lượng cùa dăm mảnh bao gồm: kích thước, thành phần kích cỡ, chất lượng bề mặt cẳt. Kích thước dăm mảnh (hình 3.4) được đặc trưng bởi chiều dài, chiều rộng và chiều dày. Dăm mánh yêu cầu phải có kích thước đồng đều, thường là: chiều dài 15 - 25 mm; rộng 5-20 mm; dày 3-5 mm, lượng dăm mảnh hợp quy cách (có kích thước trong phạm vị trên) phải > 90%. Hình 3.4. Hình dạng và kích thước dầm mảnh gỗ. 51 Chiểu dài dăm mảnh là một trong những tính chất quan trọng nhất. Việc quy định chiều dài mang tính chất chấp thuận. Ở mức độ nào đó, dăm mảnh có chiều ngắn sẽ tạo thuận lợi cho dung dịch hóa chất thẩm thấu nhanh hơn và đồng đều hơn. Điều này được biểu hiện tuomg đối rõ rệt trong trường hợp gỗ khô, khi mà hiện tượng thẩm thấu mao quản giữ vai ừò chính. Tuy nhiên, khi chế biến dăm mảnh có kích thước ngắn, vô hình dung các xơ sợi đã bị cắt đứt nhiều, ảnh hưởng không tốt tới độ bền cơ học của bột. Sự ảnh hưởng cùa chiều rộng dăm mảnh tới quá trình sản xuất bột biểu hiện ở mức thấp hơn. Chiều rộng dăm mảnh thích hợp là khi chiều rộng gần bằng chiều dài, về đại lượng có thể lớn hom hoặc bé hơn cả chiều dài. Chiều dày dảm mảnh là yếu tố quan ưọng, khi mà trong quá trình xử lý bằng hóa chất, thẩm thấu khuếch tán diễn ra mạnh hơn so với thẩm thấu mao quản. Trường hợp này diễn ra khi nấu bột bàng dịch nấu, không gây trương nở nguyên liệu nhiều hoặc khi sử dụng dăm mảnh có độ ẩm rất cao. Thành phần kích cỡ được hiểu là hàm lượng dăm mành với các kích thước lớn nhỏ khác nhau. Khi chặt mảnh, ngoài việc thu được phần có kích thước bình thường, không tránh khòi một phần các loại dăm mảnh quá cỡ và mùn vụn. Độ vát là góc cắt so với mặt phẳng dọc theo chiều dài xơ sợi. Độ vát có ý nghĩa rất quan trọng đối với quá trình thẩm thấu mao quản, khi xử lý dăm mảnh bằng nước hoặc dung dịch hóa chất. Ngoài yếu tố tăng năng suất chặt mành và giữ được hình dạng của dăm mảnh khi chặt, độ vát cần thiết của vết cắt còn tăng được thiết diện cùa mao quản, tạo điều kiện thuận lợi cho chất lỏng thẩm thấu tốt hơn vào dăm mảnh, vì vậy để quá trình thấm thấu diễn ra thuận lợi, độ vát cùa dăm mảnh phái tạo được thiết diện của các mao quan lớn nhất. Kích thước cùa dăm mành được xác định theo phương pháp tiêu chuẩn hóa SCAN-CM 40:01. Trong sản xuất bột giấy, để chế biến gỗ trục thành dăm mảnh, người ta sử dụng các loại máy chặt mảnh dạng mâm dao quay, có năng suất và tính năng sử dụng khác nhau (hình 3.5). Các loại máy chặt mảnh nhò của Trung Quốc, Đài Loan có năng suất từ vài đến vài chục m3/h, còn các loại máy chặt mảnh hiện đại có năng suất hàng trăm đến vài ngàn mVh. Các loại máy chặt mảnh nhỏ lại có kích thước nhỏ dễ di chuyển, lắp đặt và vận hành, rất phù hợp với ngành sàn xuất dăm mảnh nguyên liệu giấy của nước ta hiện nay, với hàng ngàn doanh nghiệp trên khắp cả nước, sử dụng nguyên liệu là gỗ kích thước nhò. Các nhà máy lớn như Nhà máy Giấy Bãi Bằng của Tổng Công ty Giấy Việt Nam và Công ty cổ phần Giấy An Hòa, đều sử dụng một máy chặt mảnh hiện đại với gỗ kích thước lớn, cho dăm mảnh nguyên liệu chất lượng cao. 52 Hình 3.5. Các loại máy chặt mảnh gỗ. Các loại máy có số dao ít (3-4 dao) hoạt động gián đoạn, năng suất thấp và khó đáp ứng các tiêu chuẩn về sự đồng nhất kích thước của dăm nên ít được sừ dụng. Các máy chặt mảnh hiện đại phổ biến có tới 10 - 16 dao cắt, một số loại năng suất cao có thể có 25 dao chặt, chúng hoạt động theo nguyên lý liên tục, tóc dao cắt liên tục tiếp xúc với gỗ, định vị được gỗ khi chặt mảnh và đảm bảo dăm mảnh sản xuất ra có chất lượng tốt. Theo phương pháp đẩy gỗ vào mâm dao, các máy chặt mảnh được chia thành hai loại: loại cấp gỗ nghiêng và cấp gỗ ngang. Loại thứ nhất có có máng cấp gỗ nghiêng một góc 45 - 52° so với phương năm ngang và xoay chếch một góc 10 - 30° so với trục của máy. Loại máy này dùng chặt mảnh các loại gỗ trục có chiều dài dưới 3 m. Để chặt mảnh gỗ có chiều dài lớn hơn, người ta sử dụng các loại máy có máng cấp gỗ ngang dưới một góc 38 - 45° so với mặt mâm dao. Các máy này được lắp mâm dao nghiêng, chúng có kết cấu phức tạp, do tài trọng trên trục máy và động cơ tương đối lớn. Trong các máy dạng mâm dao, dăm mảnh sau khi chặt được đưa ra ngoài từ phía iren hoạc xả xuống phía ilưới. Trường hụp dam mảnh được xà lêu plila uên, chúng được xả vào cyclon mảnh, rồi sau đó được đưa sang buồng làm đều và sang sàng chọn. Khi xả xuống phía dưới, dăm mảnh từ khoang chứa được cấp sang buồng làm đều bằng băng tài. Trường hợp này có thể giảm được mất mát dăm mảnh khi sàng chọn, do khi xả xuống dưới dăm mảnh không bị va đập vào các cánh xả như trường hợp xả lên trên. Trong quá trinh chặt mảnh, có tới khoảng 5% dăm mảnh vụn (mùn vụn gỗ) được tạo thành. Một trong những nguyên nhân tạo mùn là do những va đập của dăm mảnh vào thành máy sau khi ra khói dao. Đe khắc phục vấn đề này, phía sau 53 máy có thể lắp đặt một ống dẫn đặc biệt để đưa dăm mảnh ra ngoài theo hướng bắn ra từ khoang chặt. Giải pháp này có thể làm giảm số lượng mùn vụn gỗ tạo thành. Các loại máy chặt mảnh hiện đại có thể gia công gỗ có đường kính lên tới 700 - 1000 mm. Các loại máy có mâm dao nghiêng chặt mảnh tốt hơn, bởi chúng tránh được trường hợp xoay của gỗ kích thước nhỏ trong đường cấp gỗ vào mâm dao. Các yếu tố ảnh hưởng đến quy cách chất lượng dăm gỗ khi chặt mảnh bao gồm: - Độ nhô cúa dao, góc lắp dao và khoảng cách của chúng trên mâm dao đều ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước của dăm mảnh; - Góc sắc của dao: góc sắc của dao ảnh hưởng đến độ dày của dăm mảnh. Trong tiỊựgng hợp mọi thông số không đổi, góc sắc của dao càng lớn, độ dày của dăm mảnh càng mỏng. Góc sắc quá lớn cỏ thể gây vỡ dăm mảnh và gây trở ngại cho quá trình cắt. Ngược lại, góc sắc của dao nhỏ, độ dày của dăm mảnh tăng lên. Góc sắc quá nhỏ có thể gây mẻ dao và không tách gỗ thành dăm mảnh được. Góc sắc của dao hợp lý nhất thông thường là khoảng 34 - 42°. Ngoài ra, độ sắc bén của dao cũng là yếu tố ảnh hường không nhỏ tới quá trình chặt mảnh và đảm bảo quy cách của dăm mảnh đạt yêu cầu. Khe hờ giữa dao cắt và dao đế: khoảng cách thích hợp thường vào khoảng 0,3 - 0,5 mm. Khoảng cách quá lớn có thể làm cho phần phía ngoài cùa khúc gỗ không được cắt đứt hoàn toàn, tạo thành nhiều dăm mảnh có chiều dài lớn, ảnh hường đến tỷ lệ dăm hợp quy cách. - Độ ẩm và chất luợng của gỗ: độ ẩm thích hợp của gỗ khi đưa vào chặt mảnh thuờng > 25 - 35%, độ ẩm thấp hom hoặc cao hơn (khi gỗ giòn hoặc gỗ bị đóng cứng vào mùa đông) sẽ tạo thành nhiều dăm mảnh vụn. Khi khúc gỗ quá ngắn sẽ tạo ra nhiều dăm mảnh dạng hình tam giác. Nhìn chung, để đạt được quy cách chất lượng dăm mảnh đồng đều. với cùng một chế độ hoạt động của máy chặt mảnh, cần sử dụng gỗ có các tính chất tương đối đồng nhất. 3.5. SÀNG CHỌN VÀ KIỂM SOÁT CHÁT LƯỢNG DĂM MẢNH Cho dù có sử dụng các loại máy chặt mảnh hiện đại nhất, dăm mảnh thu được vẫn có thành phần không đồng đều về kích cỡ, do sự khác biệt nhau về tính chất của gỗ nguyên liệu, sự di chuyển của gỗ khi chặt mảnh, kết cấu cùa máy chặt mảnh không hoàn thiện hoặc các bộ phận của máy đã khấu hao mạnh,... 54 Kích thước của dăm mảnh đồng đều là điều kiện quyết định cho quá trình tạo bột có chất lượng đồng đều. Tuy nhiên, nhu đã nêu trên, dăm mảnh thu được trong quá trình chặt mảnh không đồng đều về kích thước do nhiều nguyên nhân, vì vậy chúng cần được phân loại, nhằm nâng cao hiệu quả quá trình tạo bột giấy và đáp ứng yêu cầu về chất lượng bột giấy. Độ không đồng đều cùa dăm mảnh về kích thước có thể do nhiều nguyên nhân, chăng hạn: - Chặt mảnh gỗ vào mùa đông (gỗ lạnh) hay gỗ quá khô (độ khô > 70%) sẽ cho nhiều mành nhỏ và mùn vụn gỗ hơn; - Gỗ có nhiều cành nhánh sẽ cho mảnh quá cỡ nhiều hơn; - Gỗ nhỏ cũng cho mảnh nhỏ và mảnh quá cỡ nhiều hơn, bời về nguyên tắc, gỗ nhỏ có tỷ lệ cành nhánh cao hơn. Đề kiểm soát kích cỡ dăm mảnh, người ta thường sử dụng phương pháp sàng chọn và phân loại dăm mảnh như sau: - Mảnh hợp cách (có kích cỡ phù hợp tùy theo yêu cầu sàn xuất của mỗi nhà máy); - Mảnh nhỏ; - Mảnh vụn và mùn vụn gỗ; - Mảnh quá cỡ. Tùy thuộc vào dạng nguyên liệu, yêu cầu của thực tế sàn xuất, mà quy định tiêu chuẩn kích cỡ cho các loại dăm mành nêu trên. Phần mành hợp cách và mảnh nhỏ thường được ưộn với nhau để cấp cho dây chuyền sản xuất. Mảnh vụn và mùn vụn gỗ chiếm khoảng 1 - 3%. Phần này, ngoài mùn vụn gỗ ra, còn chứa vỏ cây còn sót, các tạp chất cứng, nhựa, các mảnh vụn của mấu mắt hoặc các tạp chất, mà khi sử dụng cho sản xuất chúng có thể gây những bât lợi cho quá trình vận hành thiết bị, tuần hoàn đích náu, đồng thời bột sân xuất từ nguyên liệu có chứa phần tạp chất này, sẽ có độ trắng và độ bền cơ học thấp hcm. Ngoài ra, các tạp chất có thể gây bất lựi cho các công đoạn sản xuất khác như thu hồi hóa chất, xử lý nước thải, làm tăng mức tiêu hao hóa chất, năng lượng,... Vì vậy, trong quá trình chặt mảnh và sàng chọn cần giảm tối thiểu lượng dăm mảnh này và tách chúng ra khỏi phần dăm mảnh cấp cho sản xuất. Lượng mảnh quá cỡ có thể chiếm từ 4 - 5% tới 10 - 12%, tùy thuộc vào kết cấu của máy chặt mảnh. Phần dăm mảnh này được sàng chọn và tiếp tục chặt lại thành dăm mảnh hợp cách để sử dụng. 55 Sàng chọn mảnh được thực hiện bằng các loại máy sàng mảnh có kết cấu khác nhau, bao gồm sàng cơ, có bộ phận chính là mặt sàng dưới dạng rây, vi hoặc các thanh răng di động. Ngoài ra, để loại bỏ các tạp liệu không phải gỗ, như chất dẻo, kim loại,..., người ta sử dụng kết hợp các loại thiết bị, như thiết bị thổi khí, nam châm điện từ ,... Sàng rây là loại phổ biến nhất. Các loại sàng rây kiểu chân đế và kiểu treo (hình 3.6) thông dụng, có thể phân loại mảnh thành ba phần: phần mảnh quá cỡ, về nguyên tắc, được đưa đi chặt lại bằng máy chặt mành hoặc máy nghiền; mảnh hợp cách (bao gồm cà mảnh dày và mảnh nhỏ) cấp cho sản xuất và mùn vụn. Nhược điểm của loại sàng này là không phân loại được mảnh dày, trong đó có phần mấu mắt và không giữ lại được một lượng tương đối (tới 3%) mùn vụn nhưng hợp cách. Máng tiếp nhận và bó minh c) Hình 3.6. Sàng rây. a - Kiểu chân đé; b - Kiểu treo; c - Sơ đồ vận hành. 56 Để sàng chọn được mảnh dày, người ta sử dụng các loại sàng kiểu dĩa tròn, kiểu trục và kiểu thanh răng. Sàng kiểu đĩa là sàng có một dàn trục trên đó gắn các đĩa sàng ;ách nhau một khoảng nhất định (hình 3.7). Các đĩa xen kẽ nhau, lồng vào nhau, giữa chúng tạo thành các khe có chiều rộng nhất định. Mành sau khi được cấp vào sàng, bị các đĩa ;uốn theo chiều dọc máy sàng, rơi Hình 3.7. Sàng mảnh gỗ kiểu đĩa của hăng Winbergs (Thụy Điển). vào các khe giữa các đĩa, nếu kích thước dăm mảnh lớn hom chiều rộng khe, chúng sỗ bị loại ra khỏi sàng. Mảnh dày được đưa ra khỏi sàng ở phần cuối của sàng. Sàng kiều đĩa có những nhược điểm như: mảnh có thể bị bào mòn ờ mức độ nào dó, thời hạn sử dụng của các đĩa thường chi 4 - 6 năm, khi cần chọn mảnh theo chiều dày, chúng chi chọn được hai loại mành. Các loại máy thổi khí dùng để loại tạp liệu kích thước tương đối lớn. Chúng tiết kiệm điện năng và đồng thời với các loại tạp liệu còn có thể loại bò được cả mảnh lớn, như mấu mắt to, mảng vỏ, không dùng đuợc cho sản xuất bột. Nâm châm điện từ (còn được gọi là máy dò kim loại) có kết cấu đa dạng, dùng loại bỏ các vật thể kim loại chứa trong dăm mảnh. Mảnh quá cỡ sau sàng chọn được xử lý lại (chặt lại) bằng máy chặt mảnh kiểu thùng, theo phương pháp cắt mảnh theo chiều dọc xơ sợi. Trong các loại máy :hặt mành của hãng Acrovvood Coorporation, cơ cấu dẫn mảnh tới dao cắt có thể làm cho mặt dăm mảnh trượt theo thành đáy thùng và cắm vào dao cắt bằng các ’ánh vét thay cho dao đế Mành quá cã sẽ được xù lý triệt để sau khi đi qua máy. DÔn cạnh đó cũng hình thành một lượng mùn vụn gỗ, chiếm khoảng 2 - 4%. Để xừ lý mảnh quá cỡ, người ta còn sử dụng thiết bị gồm hai trục quay ngược chiều nhau, có bề mặt ép lồi lõm dạng hình chóp, mảnh sau khi đi qua khe lở giữa hai trục bị ép bẹp nhưng không bị biến dạng nhiều. Nhờ các vết nứt tạo hành, chúng có thể dễ dàng thẩm thấu dung dịch khi nghiền hoặc nấu. Nhược điểm ;ùa phương pháp này là mảnh có thể bị nát vụn, do vậy cách xử lý mảnh quá cỡ lày người ta thường tiến hành trước khi cho vào nấu. Trong tất cả các sơ đồ và giải pháp công nghệ sàng chọn mảnh gỗ, nên sử lụng sàng kiểu thanh trục chuyên dụng để tách phần mảnh hợp cách ra khỏi phần nành vụn. Việc sử dụng loại sàng này có thể mang lại những lợi ích sau: 57 - Tăng hiệu quả loại bỏ mảnh vụn chứa nhiều tạp liệu; - Tăng năng suất của toàn bộ hệ thống sàng chọn; - Tăng hiệu suất mảnh hợp cách lên 1,5 - 3%. 3.6. RỬA MẢNH VÀ LÀM ĐỀU ÁM Mảnh sau sàng chọn có thể được rửa bằng hệ thống rửa mảnh, để tách bỏ tạp chất cơ học lần cuối, đồng thời làm cho độ ẩm của mảnh đồng đều trước khi bảo quản, tồn trữ và cấp cho nấu. Ở nước ta, dăm mảnh nguyên liệu có thể được chế biến tại nhiều doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ, rồi được cung cấp cho nhà máy sản xuất, vì vậy chất lượng và độ ẩm của chúng khó đồng đều. Ngoài việc kiểm soát chất lưựng theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, chúng cần được sàng chọn lại, rửa và làm đều ẩm. Dăm mảnh sau sảng chọn Hình 3.8. Sorđồ công nghệ dảy chuyền rừa mảnh. 58 Hệ thống rửa mảnh hiện đại của Metso (hình 3.8) bao gồm các thiết bị chính, như khoang rửa (1) có cơ cấu bánh cào mành, vít tải vắt nước (2), băng tải mảnh (3), các thiết bị tách cặn và xừ lý nước rửa, bể chứa nước cấp cho rửa mảnh. Theo dây chuyền này, dăm mảnh sau sàng chọn được cấp vào khoang rửa, sau đó được đưa sang vít tải để vẳt nước, rồi qua băng tải chuyển đến bãi chứa. Nước rữa từ vít tải và bâng tải mành cùng với cặn được thu gom tại bể lọc (4), rồi được đưa sang bể lắng (5), sau đó được thu gom vào bể chứa (6), rồi phối trộn vófi nuớc mới để cấp cho rửa mảnh. Cặn (cát, bẩn, tạp chất khác) được tách bàng thiết bị (7), rồi đưa đi xử lý. 59 Phần 4 PHƯƠNG PHÁP NÁU KIỀM 4.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM cơ BÀN VÈ NÁU BỘT GIÁY Bản chất của quá trình sản xuất bột giấy từ nguyên liệu thực vật bằng phương pháp nấu là tách xơ sợi xenlulozơ ra khỏi các chất khác, như lignin, hemixenlulozơ, các chất nhựa, chất béo, tannit,..., liên kết với xenlulozơ trong mô thực vật, bằng các tác nhân hóa học nào đó. Do thành phần chù yếu trong nguyên liệu thực vật cần tách khỏi hay còn gọi là xenlulozơ là lignin, nên thuật ngữ nấu bột cũng đồng nghĩa với tách loại lignin (tiếng Anh là deligniíication). Cho đến nay, có các khái niệm và thuật ngữ cơ bản được sử dụng nhu sau: Nấu bột giấy là quá trình xử lý nguyên liệu có quy cách chất lượng nhất định, trong thiết bị chuyên dụng (nồi nấu), bằng dung dịch hóa chất ở nhiệt độ và áp suất cao, để thu được huyền phù bột xơ sợi, sau đó được xử lý thành bột có chất lượng nhất định, sử dụng cho sản xuất giấy. Như đã nêu trên, nấu bột xenlulozơ, sử dụng cho sản xuất hóa chất và vật liệu, hay còn gọi là xenlulozơ tan, cũng được tiến hành tương tự nấu bột giấy. Sự khác biệt biểu hiện ờ các chế độ công nghệ nấu và xử lý bột sau nấu, tùy thuộc vào mức chất lượng bột xenlulozơ cần đạt. Mức tách loại lignin phản ánh lượng lignin bị phân hủy, hòa tan và tách ra khỏi nguyên liệu khi nấu, hay từ bột giấy chưa tầy trắng khi tẩy trắng. Đại lượng này có thể biểu thị bằng tỷ lệ giữa lượng lignin bị tách loại so với lượng lignin ban đầu, thường có đom vị đo là %. Dịch nấu là dung dịch các hóa chất sử dụng cho nấu bột giấy. Dịch trắng là dịch nấu mới được pha chế, chuẩn bị cấp cho nấu bột. Dịch xanh là (lung dịch các hóa chát Ihu dưực từ quá irìnli thu hòi hóa cliái, sau khi hòa tan các chất vô cơ nóng chảy vào nước. Sau khi xút hóa và lắng, lọc, dịch xanh sẽ chuyển hóa thành dịch trắng. Đây là dung dịch hóa chất được tái sử dụng để nấu bột. Dịch đen là phần chất lỏng thu được sau khi nấu bột. Thành phần chủ yếu của nó bao gồm các hóa chất còn dư của dịch nấu ban dầu, các sản phẩm hòa tan và phân hủy nguyên liệu, đồng thời một lượng nhỏ các xơ sợi nhò chưa được loại bỏ. Tên gọi cùa các loại dung dịch nêu trên tuomg ứng với màu của chúng mà ta quan sát được. 60 Tỳ dịch hay môđun nấu là tỷ lệ giữa thể tích dịch nấu (tính bằng m3) và khối lượng của nguyên liệu mang nấu (khô tuyệt đối tính bằng tấn). Hiệu suất bột (%) là tỷ lệ giữa khối lượng bột giấy thu được so với nguyên liệu ban đầu. Quá trình nấu bột giấy (bột hóa, bột bán hóa, bột hiệu suất cao) bao gồm các công đoạn chính, là cấp nguyên liệu và dịch nấu, tăng ôn (gia nhiệt tới nhiệt độ nhất định), bảo ôn (duy trì ở nhiệt độ nhất định trong một khoảng thời gian nhất định) và dỡ bột. 4.2. KHÁI QUÁT LÝ THUYÉT NÁU KIỀM Nấu kiềm là phương pháp sản xuất bột hóa phổ biến nhất hiện nay, được hiểu là phuơng pháp xử lý nguyên liệu bằng dung dịch hydroxit natri ở nhiệt độ và áp suất cao, trong các thiết bị chuyên dụng. Bột giấy được làm theo phương pháp xử lý bằng kiềm từ thời Trung Hoa cổ đại. Các bản quyền đầu tiên về phucmg pháp sản xuất bột giấy bằng phương pháp nấu xút, được cấp vào những năm 1853 - 1854, còn nhà máy quy mô đầu tiên được xây dựng tại Mỹ vào năm 1860. Từ đó đến nay, công nghệ nấu kiềm liên tục được cài tiến. Có thể nói hiện nay phương pháp nấu kiềm đã đạt sự hoàn thiện, khẳng định được tính ưu việt kể cả về mặt kinh tế lẫn môi truờng. Ở quy mô công nghiệp, ban đầu, trong chu trình thu hồi kiềm sau khi nấu, nguời ta đã sử dụng NaiCOỉ để bổ sung vào dịch đen khi đốt, nhằm bù đắp cho lượng kiềm đã tiêu hao trong quá trình nấu. Năm 1879, một kỹ sư người Đức là Dalh đã đưa ra sáng kiến sử dụng Na2SƠ4 có giá thấp hơn, để thay cho Na2CCb. Nhờ đó, dịch nấu tái sử dụng ngoài NaOH ra còn chứa một lượng Na2S đáng kể, hợp chất này đã nâng cao hiệu suất và chất lượng bột thu được. Xuất phát từ đó, phương pháp mới này có tên là nấu sunfat. Cũng từ đó đến nay, nấu kiềm, mà chủ yếu là nấu sunfat đã ừở thành công nghệ phổ biến sản xuất bột hóa. Hiện nay, hàng năm hôt sunfat chiếm trên 65% tổng sản lương bôt giấy trên toàn thế giới. Nấu sunfat là phương pháp sản xuất có hiệu quả kinh tế cao, cho phép sử dụng tất cả các loại nguyên liệu khác nhau, kể cả các loại nguyên liệu có hàm lượng nhựa cao và sản xuất ra bột có chất lượng cao. Tùy thuộc vào thành phần của dịch nấu mà nấu kiềm được phân loại thành hai phương pháp là nấu xút, khi dịch nấu chi chứa đom thuần hydroxit natni (có thể bổ sung chất trợ nấu) và nấu sunfat, khi ngoài hydroxit natri ra, trong thành phần chính cùa dịch nấu còn có thêm sunfua natri. Trên thực tế thành phần dịch nấu công nghiệp phức tạp hom nhiều, chứa nhiều thành phần khác nhau, nhưng với hàm lượng thấp hom nhiều so với các thành phần chính đã nêu trên. Hiện nay, nấu xút ít phổ biến hom và thường chi áp dụng ờ quy mô nhỏ để sản xuất bột bán hóa. 61 Ở nước ta, bột giấy sunfat được sản xuất từ năm 1984 tại Nhà máy Giấy Bãi Bằng - Phú Thọ, thuộc Tổng Công ty Giấy Việt Nam, do Thụy Điền xây dựng và đã trở thành một điển hình công nghiệp không chi cùa ngành giấy. Hiện nay, sau khi Công ty c ổ phần Giấy An Hòa đi vào hoạt động từ cuối năm 2011, với công suất thiết kế 130 ngàn tấn/năm, sản lượng bột giấy sunfat có thể đạt gần 200 ngàn tấn năm, chiếm gần 50% tổng sản lượng bột giấy của cả nước. Vì vậy, có thể nói sản xuất bột giấy sunfat là lĩnh vực có quy mô lớn và giữ vai trò quan ứọng ứong công nghiệp giấy. 4.2.1. Tính chất của dịch nấu kiềm, các khái niệm cơ bản Nhu đã nêu trên, trong công nghiệp, dịch nấu kiềm có thành phần tương đối phức tạp. Dịch trắng nấu xút chứa thành phần chính là hydroxit natri và một lượng nhỏ cacbonat natri. Thành phần hoạt tính của dịch trăng nấu sunfat là NaOH và NaĩS. Ngoài ra, do trong quá trình thu hồi hóa chất, phản ứng xút hóa và khừ sunfat natri diễn ra không hoàn toàn, mà trong dịch trắng nấu sunfat còn có các muối cacbonat natri và sunfat natri, một lượng nhỏ các hợp chất lưu huỳnh của natri, như thiosunfat, polysuníiia, aluminat, silicat,... Sự có mặt của các hợp chất này liên quan tới các phản ứng diễn ra trong quá trình thu hồi hóa chắt. Trong dịch nấu xút, hydroxit natri phân ly theo phuơng trình sau: NaOH «- Na+ + OH' và thành phần hoạt tính là hydroxyl anion. Tương tự, trong dịch nấu sunfat, cùng với sự phân ly của NaOH, diễn ra thủy phân Na2S theo phương trình phản ứng sau: Na2S + H20 <-> NaOH + NaSH và sự phân ly của hydrosunfua natri vừa được tạo thành theo phương trình sau: NaSH «- Na+ + SH~ Vì vậy, các phần tử hoạt tính của dịch nấu sunfat là anion hydroxyl và anion hydrosunủia. Chúng là các thành phần tham gia trực tiếp vào các phản ứng phân hủy các thành phần của nguyên liệu (gỗ hoặc phi gỗ). Thành phần dịch nấu kiềm được quy ước đánh giá theo một số chỉ tiêu, trong đó hàm lượng của các muối natri được biểu thị bằng một đơn vị tương đương, thường là đơn vị Na2Ơ (đôi khi theo đơn vị NaOH). Đom vị của chúng được quy đổi như sau: đv NaOH = đv Na2Ơ. 1,29 và ngược lại: đv NaíO = đv NaOH. 0,775. Kiềm hoạt tính là lượng NaOH trong nấu xút, hoặc tổng lượng (NaOH + NaĩS) ữong nấu sunfat. Tồng lượng kiềm hoạt tính và muối cacbonat (NaOH + Na2CƠ3) khi nấu xút (NaOH + NaỉS + Na2CCh) hay khi nấu sunfat, gọi là tổng kiềm chuẩn được, còn giá trị (NaOH + l/2Na2S) được gọi là kiềm hiệu dụng. 62 N&s Độ sunfua =NaOH + N a ,s (%); NaOH Độ xút hóa =NaOH +N aiC O i(0/o); , ... NaĩS Mức thu hòi = ------- —— —— (%). Na,s + NaiSO. Như vậy, theo các chi tiêu và tính chất nêu ừên, dịch trắng nấu sunfat có ba thành phần: - Kiềm hoạt tính: NaOH và Na2S; - Tồng kiềm chuẩn được: NaOH + Na2S + Na2CC>3; - Tổng kiềm: toàn bộ các hợp chất của natri. Trong thực tế, độ sunfiia có thể dao động trong khoảng 25 - 40%, với công nghệ hiện đại, độ xút hóa thông thường 75 - 85% và mức thu hồi có thể đạt 95 - 99%. Mức dùng kiềm (mức sử dụng kiềm) là lượng kiềm hoạt tính (tính bàng % so với nguyên liệu khô tuyệt đối) cần cấp cho nấu. Trong thực tế, mức dùng kiềm thường vào khoảng 18 - 22%. Tỳ dịch là tỳ lệ giữa khối lượng của nguyên liệu khô tuyệt đối (tính bằng tấn) và khối lượng chất lỏng (bao gồm dịch nấu và nước chúa ữong nguyên liệu, tính bằng m3). Trong thực tế, tỷ dịch nấu thường vào khoảng từ 1:3 đến 1:8. Nấu sunfat gián đoạn đối với nguyên liệu gỗ thường áp dụng tỷ dịch 1:4, còn nấu liên tục thường được tiến hành với tỳ dịch 1:3. Tàn kiềm là lượng kiềm hoạt tính còn lại trong dịch đen sau nấu, được xác định bàng phương pháp chuẩn độ. Trong một số tài liệu hoặc thực tiễn sản xuất, có thể gặp một số sự khác biệt nhất định trong việc sử dụng các khái niệm ừên. Chẳng hạn, ở các nhà máy của Mỹ lioạc vùng Seadlnavia, người ta blẻu thị độ sunfua bàng tỹ số cùa suntua nam trên tổng kiềm (chứ không phải kiềm hoạt tính). Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch trắng sử dụng cho nấu thường dao động trong khoảng ặo - 120 kg/m3. Khi tiến hành nấu, sau khi cấp dịch trắng vào nồi nấu, dịch nấu được pha loãng bằng một phần dịch đen tái sử dụng và nước chứa trong nguyên liệu, khi đó nồng độ kiềm hoạt tính giảm xuống còn 30 - 40 kg/m3. Với nồng độ đó (tương ứng 1 - 2 mol/1), dịch nấu có độ pH ban đầu tương đối cao (khoảng 13 - 14). Trong quá trình nấu, kiềm tác dụng với các thành phần của nguyên liệu và tạo thành các hợp chất tan trong dịch đen. Khi gần kết thúc nấu, nồng độ kiềm hoạt tính giảm chỉ còn khoảng 3 - 5 kg/m3, tức giảm gần 10 lần so 63 với nồng độ ban đầu, nhưng pH của dung dịch (dịch đen) chi thay đổi không đáng kể, vẫn ờ mức khoảng 12 - 13. Nguyên dọ là sự có mặt của một lượng lớn các muối natri khác nhau được tạo thành từ các axit vô cơ yếu và các axit hữu cơ trong dung dịch vào thời điểm kết thúc nấu, tạo thành một dung dịch đệm, nhờ vậy mà pH của dịch nấu sau khi kết thúc nấu vẫn tương đối cao, thậm chí kể cả khi toàn bộ lượng kiềm hoạt tính trong dịch nấu đã bị tiêu hao cho các phản ứng với các chất hữu cơ của nguyên liệu. Các muối natri của các axit yếu có trong dịch trắng (muối sunfua, cacbonat và suníit) bị thủy phân một phần tạo thành các muối axit: Na2S + H20 «-» NaOH + NaSH; Na2C03 + H2O <-► NaOH + NaHC03; Na2S 03 + H2O «-> NaOH + NaHS03 Mức độ thủy phân của các muối này phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ cùa chúng và sự có mặt của ion hydroxyl tự do trong dung dịch. Khi pH ~ 12, sunfua natri gần như bị thủy phân hoàn toàn thành hydrosunfua, trong khi đó ion bicacbonat xuất hiện trong dung dịch với số lượng đáng kể chi khi pH = 10. Với pH = 8, trong dung dịch xuất hiện hydrosunfua và axit cacbonic tự do. Khi có một lượng dư NaOH trong dung dịch, sự thủy phân cùa các muối nêu trên diễn ra tương đối khó khăn hơn. Trong điều kiện nấu kiềm, tất cả các thành phần của nguyên liệu đều tham gia vào phàn ứng với các tác nhân của dịch nấu ờ một mức độ nào đó, các sản phẩm phân hủy bao gồm phần lớn là lignin, một phần polysaccarit và các chất trích ly tan vào dung dịch và hình thành dịch đen. Tổng cộng có tới trên dưới 50% nguyên liệu ban đầu bị hòa tan. số lượng và thành phần các sàn phẩm phân hủy phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ nấu. Khi nấu, kiềm bị tiêu hao cho các phản ứng với lignin, hòa tan polysaccarit, trung hòa các axit hữu cơ chứa trong nguyên liệu và các ôxy axit tạo thành từ p o ly saccai it tio n g q u á trin h náu, các p h ả n ứn g vớ i các ch ất trích ly, đ ồ n g th ờ i m ộ t phần kiềm bị hấp phụ trên bề mặt xơ sợi. Chi có khoảng 25% tổng lượng kiềm hoạt tính tiêu hao cho hòa tan lignin, còn lại tiêu hao cho các phản ứng phụ nêu ừên. Tổng thề, ờ cuối quá trình nấu, trong dịch đen chỉ còn lại 65 - 80% sunfua natri và một lượng nhỏ NaOH. 4.2.2. Cơ chế hóa học các phản ứng của các thành phần nguyên liệu với dịch nấu kiềm Khác với nấu sunfit, khi nấu kiềm các phản ứng hóa học diễn ra mạnh hơn ngay khi nhiệt độ của quá trình còn tương đối thấp. Sự biến đổi và hòa tan các 64 thành phần cùa nguyên liệu được bắt đầu gần như ngay từ thời điểm nguyên liệu tiếp xúc với dịch nấu. Diễn biến của quá trình nấu xút và nấu sunfat cũng có sự khác biệt tuomg đối lớn, có thể thấy qua một trường hợp nấu xút và nấu sunfat ờ cùng một nồng độ và mức dùng kiềm hoạt tính, chế độ nhiệt như nhau: - Tốc độ hòa tan của lignin cao hơn nhiều trong trường hợp nấu sunfat, tốc độ hòa tan cùa hydrat cacbon gần như nhau; - Với hàm lượng lignin tương đương, bột sunfat có hiệu suất cao hơn so với nấu xút, do thời gian nấu ngắn hơn và vì vậy tác dụng của kiềm đối với hydrat cacbon cũng được hạn chế; - Khi nấu sunfat, ngoài kiềm hoạt tính ra, sunfua natri cũng tham gia phản ứng và bị tiêu hao, các phản ứng diễn ra mạnh nhất ờ giai đoạn đầu của quá trinh nấu, giảm dần vào giai đoạn cuối. Tổng tiêu hao lưu huỳnh vào khoảng 1 - 1,5% so với nguyên liệu. Phản ứng của lưu huỳnh với lignin nâng cao độ tan của lignin so với khi nấu xút. Lignin tan trong dung dịch sau khi nấu xút được gọi là lignin kiểm, là một hỗn hợp các hợp chất thơm. Các hợp chất cao phân từ chiếm 70 - 80% lignin kiềm, chúng có thể kết tủa bằng axit dưới dạng bột màu nâu. Phần còn lại cùa lignin kiềm không tủa được bằng axit và là các hợp chất thấp phân tử hay còn được gọi là "lignin tan". Khối lượng phân tử trung bình của lignin kiềm vào khoảng 1000 - 3000. Để hòa tan lignin của nguyên liệu vào dung dịch, cần phải phá hủy các liên kết của nó với hemixenlulozơ và các thành phần khác của nguyên liệu, tiến hành phản ứng phân hủy các đại phân tò lignin có cấu trúc không gian bằng kiềm, tạo các nhóm chức ưa nước trong lignin, làm tăng khả năng hòa tan của nó. Trong quá trình nấu kiềm, song song với các phản ứng phân hủy lignin là phản ứng ngưng kết lignin, diễn ra đồng thời mang tính “chạy đua” với phản ứng phân hủy và cản trở sự hòa tan lignin. Vì vậy, chế độ nấu phải đáp ứng được mức độ phân hủy lignin cần thiết và hạn chế được sự ngưng kết của nó. Cần phải nói rằng, cho đến nay cơ chế hóa học tách loại lignin vẫn chỉ được được đưa ra trên cơ sở nghiên cứu các hợp chất mô phỏng lignin, bởi đây là hợp chất có cấu tạo phức tạp và không giống nhau đối vói từng loại nguyên liệu, thậm chí trong từng phần của một cá thể thực vật. Vì vậy, có thể nói, các phản ứng hóa học chỉ mang tính tham khảo, mặc dù chúng đã được chứng minh là đủ cơ sờ và có tính thuyết phục, phản ánh được trạng thái và chuyển hóa lignin trong quá trình nấu kiềm. Có thể khái quát các quá trinh chuyển hóa lignin như sau: Các phản ứng chính của lignin trong quá trình nấu kiềm là các phản ứng dị thể, diễn ra theo cơ chế thế nucleophin SnI. Khi nấu xút, nucleophin duy nhất là anion hydroxyl OH“. Dưới tác dụng của hydroxit natri, các nhóm metoxyl bị tách 65 loại, tạo thành phenolat và metanol. Hàm lượng các nhóm metoxyl trong gỗ chiếm khoảng 16 -17/0 đối với cây lá kim, 25 - 27% đối với cây lá rộng, còn trong lignin kiềm tương ứng là 13 - 14% và 17 - 18%. Nhờ phản ứng tách loại nhóm metoxyl, tạo thành các nhóm phenol hydroxyl tự do, dễ dàng phản ứng với ĩ ,’aOH tạo thành phenolat. Lignin dưới dạng phenolat hòa tan vào d|óh đen: Ru, -OCH3 + NaOH — CH3OH + -ONa Phenolat hay: O H ONa Như đã nêu trẽn, sự khác biệt của nấu sunfat so với nấu xút là sự có mặt của sunfua natri trong môi trường phản ứng. Nhờ phản ứng thủy phân, trong dịch nấu luôn tồn tại hai nuđeophin là 0H~ và HS~. So với ion hydroxyl, anion hydrosunfua là nucleophin mạnh hơn, nó làm cho lignin bị phân hủy mạnh hom và hạn chế được phản ứng ngưng kết. Phản ứng của anion hydrosunfua với lignin tạo thành các hợp chất hóa học của lưu huỳnh với lignin có cấu tạo khác nhau. Ở nhiệt độ cao, từ các nhóm metoxyl của lignin tạo thành metylsunfua theo phương trinh phản ứng sau: RLig-OCH3+ NaSH — CH3SH + R,.ig-ONa và metylsunfua có thể bị ôxy hóa thành dimetylsunfua. Các hợp chất này có mùi khó chịu, một phần được thải ra môi trường theo khí thài. Lưu lượng của chúng có thể đạt gần 4 kg/1 tấn bột thành phầm. N h ư đ ă b iết, m ục đ ích củ a quả trin h nấu hộ t hóa là tách loại lignin. T uy nhiên, cùng với các phàn ứng tách loại và hòa tan lignin, diễn ra các phản ứng không theo mong muốn, đó là hòa tan polysaccarit. Tổn thất xenlulozo có thể đạt khoảng trên dưới 10% so với khối lượng ban đầu trong nguyên liệu. Có khoảng 75% glucomannan bị hòa tan, còn xylan bị phân hủy khoảng 45 — 50%. Kể cả khi nấu sunfat và nấu xút, lượng kiềm chủ yếu (tới 75%) bị tiêu hao cho phản ứng với các ôxy axit hình thành từ polysaccarit, chi có khoảng 25% tiêu hao cho hòa tan lignin. Trong quá trình nấu kiềm, giữa kiềm và polysaccarit diễn ra các tương tác sau: 66 - Trương nờ, gây ra những biến đổi lý học trong vách tế bào thực vật; - Các polysaccarit bị hòa tan mà không bị biến đổi về cấu tạo hóa học; - Xà phòng hóa các nhóm axetyl; - Phản ứng bào mòn (peeling) các mắt đầu chuỗi có tính khử; - Phản ứng ổn định (stopping), nhờ đó các polysaccarit biến đổi thành dạng )ền vững trong môi trường kiềm; - Phân hủy (thủy phân kiềm) các liên kết p-glucozit. Tương tác giữa kiềm và polysaccarit đuợc bắt đầu từ quá trình hydrat hóa :ác nhóm hydroxin và trung hòa các nhóm cacboxyl của các axit uronic, nhờ đó mà >olysaccarit bị trương nở mạnh. Bản thân các polysaccarit có khối lượng phân tử hấp, chúng có thể bị trương nờ vô hạn và hòa tan trong dịch đen mà không bị biến tổi về mặt cấu tạo. Hiện tượng này diễn ra trong giai đoạn tăng nhiệt độ và cả rong bất kỳ giai đoạn nào của quá trình nấu. Ờ cuối quá trình nấu, khi pH của dịch nấu giảm xuống còn khoảng 12, các >olysaccarit bị hòa tan (chủ yếu là xylan và glucomannan) có thể năng kết bám lên >ề mặt xơ sợi. Hiện tượng này được gọi là “hấp phụ hemixenlulozơ”, diễn ra mạnh ìhờ phân hủy các mạch nhánh cùa polysaccarit. Các phàn ứng chù yếu của polysaccarit, ảnh hường đến hiệu suất và tính chất :ùa bột hóa, bao gồm: - Phản ứng bào mòn các mắt đầu chuỗi chứa nhóm cacbonyl; - Phàn ứng ổn định cấu trúc polysaccarit dưới tác dụng cùa kiềm; - Phản ứng thủy phân kiềm các liên kết ^-glucozit. Phản ứng thủy phân kiềm các liên kết (3-glucozit chi diễn ra ở nhiệt độ cao >150°) và làm giảm bậc trùng hợp của polysaccarit. Tại các vị trí tách chuỗi >olysaccarit, xuất hiện các mắt đầu chuỗi mới có tính khử, rồi chúng lại bị tách loại bào mòn). Phản ứng này là nguyên nhân chủ yếu làm giảm khối lượng phân tử của »olysaccarit trong quá trình nấu kiềm, được bắt đầu ngay ở nhiệt độ duới 100 °c. Trong dung dịch kiềm, các mằt đầu chuôi đã tách loại khỏi polysaccarit tiếp ục biến đổi theo các hướng khác nhau, tạo thành sản phẩm cuối cùng là các axit lưu cơ (ôxy axit), lacton, axit focmic và các hợp chất thấp phân tử khác. Tác dụng của kiềm nóng đối với hemixenlulozơ phụ thuộc vào tính chất của iên kết giữa các monome và dạng các nhóm thế. Do bậc trùng hợp thấp, 'lucomannan bị phân hủy mạnh, nên hàm luợng của chúng trong bột xenlulozơ thu tược không vượt quá 6 - 7%. Xylan thường là một polysaccarit phức tạp. Các nạch nhánh chứa nhóm arabinozơ liên kết với mạch chính bởi liên kết 1 - 3 . Dưới ác dụng của kiềm, chúng bị đồng phân hóa thành các đom vị cấu trúc bền kiềm là ixit metasacarinic. Vì thế arbinozo và nhóm axit glucuronic có thể bị hòa tan chỉ 67 khi ờ nhiệt độ cao nhờ thủy phân kiềm. Đặc điểm này cho phép bảo tồn đuợc xylan dưới tác dụng của kiềm, vì thế bột sunfat thường có hàm lượng xylan tương đối cao (8-10% ). Trong quá trình nấu kiềm, xenlulozơ được lignin bảo vệ tránh phân hủy kiềm, vì vậy chi bị phân hủy vào thời điểm kết thúc nấu, làm cho độ nhớt, bậc trùng hợp của bột giảm, một phần xenlulozơ bị hòa tan, hiệu suất bột giảm. Ngoài lignin và polysaccarit bị hòa tan ra, trong quá trình nấu kiềm còn diễn ra các phản ứng phụ sau: - Tách loại các nhóm metoxyl từ lignin, tạo thành metanol. Một phàn metanol còn lại trong dịch đen, một phần bay hơi cùng với khí thài. Hiệu suất metanol phụ thuộc vào dạng nguyên liệu: gỗ lá kim cho khoảng 7 kg/tấn, còn gỗ lá rộng cho khoảng 8 kg/tấn nguyên liệu. - Tách loại các nhóm axetyl từ hemixenlulozơ, tạo thành axit axetic, chứa trong dịch đen dưới dạng muối natri, vì vậy không bị bay hơi theo khí thải. Ngoài ra còn một số axit dễ bay hơi khác, chiếm khoảng 5% khối lượng nguyên liệu gỗ mềm, đối với gỗ cứng lượng axit dễ bay hơi có thể thu được có thể gấp hai lần. - Tecpen thu được từ khí thải chi trong truờng hợp nấu gỗ mềm. Lượng tecpen có thể đạt từ 1 - 2 kg đến 10 kg/tấn bột thành phẩm. - Các chất nhựa và chất béo bị xà phòng hóa và tan trong dịch đen dưới dạng các hợp chất xà phòng (các muối natri của axit béo và axit nhựa). Hiệu suất xà phòng phụ thuộc vào hàm lượng các chất trích ly trong nguyên liệu và tỷ lệ giữa axit béo và axit nhựa. Khi nấu nguyên liệu gỗ cứng, ta chỉ thu đuợc các axit béo với hiệu suất không cao. Trong dịch đen, các hợp chất xà phòng tạo thành dung dịch keo. Khi lắng lâu dịch đen, dưới tác dụng của các chất điện ly, các chất xà phòng kết tụ với nhau và nhờ sự khác biệt về tỷ trọng, chúng nổi lên trên bề mặt dung dịch. Tuyển nổi xà phòng là công đoạn kéo dài và không bao giờ tách triệt để được chúng. Vì thế, hiệu suất của xà phòng sunfat (nếu có) luôn luôn thấp hom theo lý thuyét. Bằng cách đun nóng và xứ lý bằng axit, từ xà phòng suníat người ta thu được dầu talo thô (hỗn hợp các axit béo và axit nhựa). Tỷ lệ các axit này trong dầu talo khoảng 50:50, ngoài ra, dầu talo còn chứa 12 — 18% các chất trung tính, trong đó có các chất có giá trị như sterin với hiệu suất khoảng 3% so với xà phòng sunfat thô. Ngoài các sản phẩm phụ nêu trên, nấu suníat còn tạo thành các hợp chất của lưu huỳnh, chủ yếu là: - Metylsuníua (CH3SH): khoảng 1 kg/tấn; - Dimetylsuníủa (CH3SCH3): khoảng 3 kg/tấn; 68 - Dimetyldisunfua (CH3SSCH3): khoảng 0,3 kg/tấn; - Hydrosunfua (H2S): khoảng 0,1 kg/tấn. Hỗn hợp các sản phẩm này có tên là sunfan, thu được từ “khí giả” và khí thải phóng đinh sau khi kết thúc nấu, có mùi khó chịu, ức chế hô hấp. Lượng sunfan thu đuợc tỷ lệ thuận với độ sunfiia của dịch nấu. 4.2.3. Các yếu tố công nghệ cần kiểm soát trong quá trình nấu kiềm Các yếu tố công nghệ được hiểu là các biến số của quá trình, mà sự thay đổi giá trị của chúng có ảnh hưởng lớn đến tốc độ tách loại lignin, hiệu suất và tính chất cùa bột. Các yếu tố công nghệ của quá trình nấu kiềm bao gồm: nhiệt độ, nồng độ ban đầu và mức dùng kiềm hoạt tính, độ sunfiia của dịch trắng, quy cách chất lượng và dạng nguyên liệu. 4.2.3.1. Nhiệt độ nấu Cũng như nấu sunfit, theo sự thay đồi nhiệt độ, quá trình nấu kiềm có thể chia làm ba giai đoạn: - Tăng ôn, tức nâng nhiệt độ từ nhiệt độ ban đầu sau khi cấp dịch nấu vào nồi nấu đến nhiệt độ tối đa. Gia nhiệt có thể tiến hành liên tục hoặc dừng giữa chừng (gọi là bào ôn giữa), để đảm bảo cho nguyên liệu được thấm ướt tốt. - Bào ôn, tức là giữ ở nhiệt độ tối đa trong một thời gian nhất định. - Dỡ bột, kéo theo nhiệt độ và áp suất giảm, có thể tới áp suất thường. Nấu sunfat được tiến hành ở nhiệt độ tối đa trong khoảng 160 - 180 °c (tương ứng với áp suất trong nồi nấu 0,8 - 1,0 MPa), tùy thuộc vào dạng nguyên liệu và chất lưựng bột cần đạt. Trong khoảng nhiệt độ nêu trên, để đạt được cùng một hiệu suất bột, cứ tăng nhiệt độ lên 10 °c thì có thể giảm thời gian bảo ôn xuống hai lần, còn khi nấu xút, thời gian nấu có thể giảm thậm chí gấp ba lần, cho dù thời gian nấu xút thường kéo dài hơn do quá trình tách loại lignin diễn ra chậm. T ùy thuộc vàu loại b ộ t tliu đ u ự c, thời g ian u áu có thẻ dnu đ ộ n g tro n g m ột khoảng rộng, từ một đến vài giờ. Khi nấu gỗ cứng, nhiệt độ nấu thường không vượt quá 170 °c, vì nếu nấu ớ nhiệt độ cao hơn, hiệu suất bột có thể giảm rõ rệt. Hệ số H (H-factor) là chi số của quá trình nấu, đặc trưng cho mối liên hệ giữa thời gian và nhiệt độ nấu: H = [ K . d r Jo Có thể tính hệ số H như sau: Vẽ biểu đồ nhiệt độ nấu (khúc tuyến nấu) và biểu đồ tương quan giữa hằng số vận tốc và thòi gian nấu (hình 4.1), khi đó hệ số H là phần diện tích (không đơn vị) dưới đường cong của hàm K = f(ĩ) tính từ thời 69 điểm ban đầu đến khi kết thúc nấu. Như vậy, nếu tiến hành hai mẻ nấu theo các chế độ nhiệt khác nhau, nhưng có hệ số H như nhau, thì kết quả thu được (hiệu suất bột, mức tách loại lignin) sẽ tuơng đương nhau. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các thông sổ công nghệ khác (như nồng độ ban đầu và mức dùng kiềm, độ sunfua, loại nguyên liệu, quy cách chất lượng nguyên liệu) cũng phải tương đương nhau. Thời gian (h) Hình 4.1. Tương quan giữa nhiệt độ, hằng số vận tốc tương đối và thòi gian nắu. Điều khiển quá trình nấu sunfat theo hệ số H là phương pháp tương đối phổ biến trong công nghiệp. Nếu biết trước thời gian nấu cần thiết ờ một nhiệt độ TI nào đó, thì có thể xác định được thời gian nấu ờ một nhiệt độ T2 như sau: tìm các giá trị hằng số tương đối Kti, K t ĩ và tính thời gian nấu, với điều kiện hệ số H bằng nhau, khi đó: Ngoài ra, nhiệt độ còn có ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng bột. Khi tăng nhiệt độ cao hơn 180°c, hiệu suất của bột sẽ giảm nếu cần thu bột có hàm lượng lignin như nhau. Do polysaccarit bị thủy phân kiềm, nên độ nhớt và độ bền cơ học cùa bột bị giảm ở thời điểm nấu sớm hom, so với khi bảo ôn ở nhiệt độ thấp hơn. Vì vậy xu hướng trong công nghiệp là giảm nhiệt độ nấu, nhằm thu được bột có độ nhớt thấp hơn và độ bền cơ học cao hơn. 4.2.3.2. Nồng độ vả mừc dùng kiềm hoạt tính Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch nấu và mức dùng kiềm là các yếu tố quan trọng quyết định tốc độ nấu. Trong quá trình nấu, nồng độ kiềm trong dịch giảm 8 70 - 10 lần, do chúng bị tiêu hao cho trung hòa các axit hữu cơ tạo thành khi phân hủy các thành phần của nguyên liệu. Lượng kiềm hoạt tính cần thiết để phân hủy lignin và kết hợp với các sản phẩm có gốc axit được gọi là mức dùng kiềm theo lý thuyết. Trên thực tế, không thể tiến hành nấu theo mức dùng kiềm theo lý thuyết, bời ừong điều kiện như vậy sẽ không bao giờ đạt mức độ tách loại lignin theo dự định. Ngoài ra với nồng độ kiềm thấp, có thể xảy ra hiện tượng lignin sẽ bám kết trên bề mặt xơ sợi. Vì vậy, cằn tiến hành nấu với một mức dùng kiềm cao hơn so với theo lý thuyết. Lượng kiềm dư so với lý thuyết này sỗ là dung môi hòa tan các sản phẩm phân huỷ các thành phần của nguyên liệu trong quá trình nấu. Mức dư kiềm chiếm khoảng 10 - 15% của mức dùng kiềm đối với bột có trị số Kappa cao và có thể chiếm tới 40% đối với bột có trị số Kappa thấp. Vói hiệu suất bột trong khoảng 40 - 48%, bằng cách tàng mức dùng kiềm gấp hai lần sẽ giảm 'được thòi gian nấu xuống hai lần mà vẫn đạt được hiệu suất tương đương. Song song với với tác dụng thúc đẩy tách loại lignin, tăng mức dùng kiềm có thể làm polysaccarit bị phân hủy và hòa tan nhiều hơn. Mối liên hệ giữa nồng độ kiềm hoạt tính ban đầu và mức dùng kiềm, tỷ dịch được mô tả bằng phương trinh sau: trong đó: A - mức dùng kiềm hoạt tính (% so với nguyên liệu khô tuyệt đối); C0- nồng độ kiềm ban đầu (g Na20/lít); \) - tỷ dịch (m5 dịch trên 1,0 tấn nguyên liệu khô tuyệt đối). Trong điều kiện sản xuất, để điều chình tốc độ nấu không thể chi thay đổi nồng độ và mức dùng kiềm, do quá trình nấu gián đoạn hay liên tục đều diễn ra với một tỳ dịch cố định. Vì vậy, cần tăng mức dùng kiềm đồng đều trong suốt thời gian nấu. Để đạt được cùng một hiệu suất bột, khi duy trì mức dùng kiềm cố định, tăng n à n g độ từ 30 đ ến 60 g/1 v à từ 60 đốn 90 g/1 BC giảm đư ợ c 1/2 thời gian nấu T rong thực tiễn sản xuất, nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch nấu ờ vào khoảng 40 - 60 g/1 (tính theo đom vị NaỉO). Khi nấu, người ta bổ sung vào nồi nấu một lượng dịch đen để tăng nồng độ kiềm trong dịch nấu, duy trì tỷ dịch cần thiết và tiểt kiệm nước, hóa chất. Luợng dịch đen cần bổ sung phụ thuộc vào nồng độ kiềm trong dịch trắng và độ ẩm của nguyên liệu ban đầu, chiếm khoảng 20 - 25% tổng lượng dịch nấu, tùy thuộc vào chất lượng cần thiết của bột. Khi nấu gián đoạn, nồng độ kiềm trong nồi sau khi bổ sung thêm dịch đen phụ thuộc vào phương pháp gia nhiệt. Khi gia nhiệt gián tiếp, nồng độ kiềm có thể 71 nằm trong khoảng trị số nêu trên, còn khi gia nhiệt trực tiếp thì nồng độ ban đầu phải cao hom do dịch sẽ được pha loãng bằng nước ngưng từ hơi. Như vậy, mức dùng kiềm, nồng độ kiềm trong dịch nấu, nhiệt độ bảo ôn và thời gian nấu là những thông số công nghệ cỏ mối liên hệ chặt chẽ với nhau, cỏ ảnh hường quyết định tới quá trình nấu. Từ những mối liên hệ nêu trên của các yếu tố công nghệ, ta có Nguyên tắc điều chình quá trình nấu thứ nhất (để thu được bột có hiệu suất và tính chất tương đương): - Khi sử dụng dịch nấu cỏ nồng độ kiềm hoạt tính cao, cần giảm nhiệt độ bảo ôn hoặc giảm thời gian nấu; - Khi muốn kéo dài thời gian nấu, cần giảm mức dùng kiềm và nhiệt độ nấu; - Với nhiệt độ bảo ôn cao, cần giảm mức dùng kiềm hoặc giảm thời gian nấu. 4.2.3.3. Độ sunfua của d|ch trắng Cũng như các yếu tố công nghệ nêu trên, độ sunfiia của dịch nấu có ảnh hường lớn đến quá trình nấu sunfat. Các ion hydrosunfua tạo thành nhờ phân ly sunfiia natri, tham gia vào các phản ứng với lignin, thúc đẩy sự hòa tan lignin, mà hầu như không ảnh hưởng đến tốc độ hòa tan polysaccarit. Vì vậy thời gian nấu giảm so với nấu xút với mức tách loại lignin tương đương. Tính theo lý thuyết, tiêu hao lưu huỳnh cho phản ứng với lignin vào khoảng 10 kg/tấn nguyên liệu gỗ khô tuyệt đối. Quy đổi sang kiềm hoạt tính tương đương với 2% NaỉO so với gỗ khô tuyệt đối. Vỉ vậy, nếu tiến hành nấu với mức dùng kiềm 20% Na2 0 , độ sunfua tối thiểu cần thiết là: (2/20). 100 = 10%. Đối với nguyên liệu là gỗ cứng, ảnh hường có lợi của Na2 S được biểu hiện ngay cả khi độ sunfua của dịch nấu thấp, độ sunfua khoảng 5% đã có thể thúc đẩy mạnh quá trình nấu và cải thiện tính chất của bột so với nấu xút. Công nghệ nấu sunfat hiện đại sử dụng dịch nấu có độ sunfua 25 - 40%, thường là 25%. Khi nấu xút và nấu sunfat, để đạt được cùng một mức tách loại lignin tương đương, sự có mặt của sunfiia natri trong dịch nấu sunfat làm giảm được thài gian nấu, tăng hiệu suất bột, nhờ khả năng bảo vệ polysaccarit và thúc đẩy quá trình hòa tan lignin. Ngoài ra, các chi số độ bền cơ học của bột sunfat cũng cao hom so với nấu xút. Ở cùng một điều kiện nấu sunfat, tăng độ sunfiia của dịch nấu sẽ giảm được hàm lượng lignin trong bột thu được, tàng hiệu suất và một số tính chất cơ học của bột như độ dài đứt, độ bền uốn và độ bền nén. Mặc dù vậy, tăng độ sunfiia của dịch nấu cũng kéo theo một số bất lợi, như: - Lượng các hợp chất metylsunfua dễ bay hơi tăng; 72 - Tăng khả năng ăn mòn thiết bị của dịch nấu; - Bột thu được có màu sẫm hơn. Một trong những giải pháp công nghệ khắc phục vấn đề khí thải là ôxy hóa dịch trắng (chứa Na2S) bằng không khí hoặc ôxy có bổ sung xúc tác, khi đó Na2S bị ôxy hóa thành các muối polysuníua hoặc tiosunfat theo phương trình sau: 3S2- + 02 + H2O — 40H- + S2S2- Đây cũng là cơ sở của phương pháp nấu sunfat biến tính hay còn gọi là phương pháp nấu sunfat bồ sung polysuníua làm chất trợ nấu. Các ion polysunfiia có thể ôxy hóa các mắt đầu chuỗi tính khử của polysaccarit hoặc lignin và bị khử thành HS“. Trường hợp thứ nhất chúng kìm hãm quá trình tách trùng hợp polysaccarit, trường hợp thứ hai chúng thúc đẩy quá trinh phân húy lignin. Cà hai trường hợp đều mang lại lợi ích đáng kể cho quá trình nấu. 4.2.3.4. Dạng nguyên liệu và chất lưựng nguyên liệu Khác với nấu sunfit, nấu kiềm cho phép sử dving tất cả các dạng nguyên liệu khác nhau. Mặc dù vậy, chùng loại nguyên liệu cũng gây ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình nấu. Khi nấu kiềm, dăm mảnh nguyên liệu được thẩm thấu nhanh hom và đều hơn. Mặc dù vậy, thẩm thấu dọc theo chiều dài xơ sợi vẫn diễn ra nhanh hơn nhiều so với theo chiều ngang, vì thế mà chiều dày của dăm mảnh là yếu tố quan trọng. Khi tăng chiều dày dăm mành gỗ lên gấp hai lần, thời gian thẩm thấu có thề kéo dài gấp bốn lần. Khi cần thu bột có hiệu suất tương đương, tăng chiều dày dăm mảnh có thề làm cho hiệu suất bột tốt sau sàng chọn giảm và hiệu suất bột sống tăng, v ề tính chất cơ - lý học, với chi số chiều dài đứt tương đương, tăng chiều dày dăm mảnh sẽ làm giảm độ bền xé của bột. Nguyên do là với dăm mảnh có độ dày lớn, lignin của lớp ngoài và lớp trong cùa dăm mảnh bị tách loại không đồng đều, trong khi lớp ngoài bị phân hủy mạnh thì lớp trong có thể còn nguyên. Sự phân hủy mạnh của lớp ngoài ảnh hường lớn đến polysaccarit, vỉ vậy độ nhớt và độ bền cơ học cùa bột sản xuất từ dăm mảnh có độ dày lón thường thấp hơn. Chiều dày tối ưu của dăm mành là 3 - 5 mm (sản xuất ra dăm mảnh mỏng hom không kinh tế). Nhờ có các vết nứt nhỏ mà dăm mảnh trong sản xuất thường được thẩm thấu nhanh hơn 50 với dăm mảnh thu được ờ điều kiện phòng thí nghiệm. Đối với những loại gỗ nguyên liệu có sự khác biệt về thành phần gỗ, phần gỗ lõi và dác gỗ dễ thấm dịch hom, nhưng hiệu suất bột từ gỗ lõi thấp hơn 1,5 - 3,0% so với bột từ dác gỗ, do phần gỗ lõi chứa các thành phần ngoài xenlulozơ nhiều hơn. Với những đặc điểm trên, để thu được bột chất lượng tốt, yêu cầu chung đối với dăm mảnh nguyên liệu là: - Có độ dày đồng đều ( 3 - 5 mm); 73 - Tỷ lệ dăm mảnh có chiều dài 15 - 25 nun phải > 90%; - Tỷ lệ mùn vụn và dăm mảnh nhỏ (dạng que diêm) phải ở mức thấp nhất có thế; Nấu sunfat có thể cho phép sử dụng dăm mảnh có tỷ lệ “mục” cao hơn so với nấu sunfit. Ngoài ra, khi sản xuất bột hóa không quan trọng độ bụi (chẳng hạn bột kraft cho sàn giấy bao bì, cactong), có thể sử dụng gỗ chưa bóc vỏ. Trong trường hợp này, mức dùng kiềm phải cao hom, khoảng 0,4% Na20 trôn 1% vỏ. Bột sản xuất ra có độ bụi cao hom và độ bền cơ học thấp hơn. Ngoài quy cách chất lượng nguyên liệu dăm mảnh ra, dạng nguyên liệu cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình nấu. Lignin của gỗ cứng dễ bị tách loại hơn so với gỗ mềm. Nấu gỗ mềm thường được tiến hành với mức dùng kiềm và nhiệt độ thấp hơn. Mặc dù vậy, các chi số độ bền cơ học của bột sunfat gỗ cứng có thể đạt tương đương bột gỗ mềm, ngoại trừ độ bền đứt. Thông thuòmg, bột sunfat gỗ cứng có độ bền đứt thấp hơn 20 - 30% so với bột gỗ mềm. Bên cạnh đó, hiệu suất bột sunfat gỗ cứng thông thường cao hơn so với gỗ mềm, nếu sử dụng dăm mảnh có quy cách chất lượng tương đương nhau. Sự khác biệt về hiệu suất bột liên quan đến hàm lượng lignin và hemixenlulozơ của hai dạng nguyên liệu khác nhau. 4.2.3.5. Các yếu tố khác Các yếu tố khác, như bổ sung dịch đen cho nấu, sự có mặt của các hợp chất khác không phải là kiềm hoạt tính, cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình nấu. Bổ sung dịch đen vào thành phần dịch nấu là giải pháp công nghệ phổ biến trong công nghiệp, nhàm tận dụng hóa chất, tiết kiệm nước, đồng thời nâng cao hàm lượng chất khô của dịch đen sau khi nấu, nhờ đỏ tiết kiệm được tiêu hao nhiệt cho chưng bốc dịch đen khi thu hồi. Thực tế cho thấy, bổ sung 50 - 60% dịch đen (so với tổng lượng dịch nấu) thúc đẩy quá trình nấu và giảm tỳ lệ bột sống. Tỷ lệ dịch đen cao hơn sỗ cho tác dụng ngược lại. Sự có mật cùa tiosuníat natri ơong dịch nấu làm cho bột dược náu chin lót hơn. Bẽn cạnh đó, các hợp chất khác như polysunfiia natri, antraquinon cũng có ảnh hường rất tốt tới quá trinh nấu. Các phương pháp sử dụng các chất trợ nấu này sẽ được trinh bày ờ phần sau. 4.3. KỸ THUẬT NÁU SUNFAT GIÁN ĐOẠN 4.3.1. Thiết bj nấu gián đoạn Nấu sunfat gián đoạn được tiến hành trong các nồi nấu chuyên dụng, chế tạo từ thép thông thường. Khi sản xuất bột xenlulozơ sử dụng cho sản xuất vật liệu hay 74 giấy cách điện, nấu sunfat được tiến hành theo phương pháp tiền thủy phân bàng axit, vì vậy trong trường hợp đó nồi nấu được chế tạo từ vật liệu lưỡng kim. Các loại nồi nấu gián đoạn hiện nay phổ biến là nồi nấu kiểu đứng hình trụ cỏ sức chứa 200 - 400 m3. Kiểu dáng của chúng tương đối đa dạng, khác nhau bời hình dạng cùa phần miệng và phần đáy nồi. Phần đáy nồi có dạng hình chóp, còn phần miệng nồi có dạng hình chóp hoặc hình bán cầu (hình 4.2). Nga và các nước Liên Xô cũ sử dụng các loại nồi nấu gián đoạn sức chứa 110, 125, 140, 160 và 200 m3. Các nước khác có các loại nồi sức chứa 85, 100, 125, 135, 160, 200, 225,..., 400 m3. Đường kính nồi 3,4 — 4,8 m, chiều cao 12 - 18 m. Các nồi nấu đều có lớp cách nhiệt, thành nồi có độ dày 75 - 100 mm. Ngoài ra, đa số nồi nấu có sức chứa < 100 m3 thường là nồi cầu, sứ dụng ờ quy mô sản xuất vừa và nhò, chù yếu áp dụng công nghệ nấu xút. Ưu điểm cùa các nồi nấu lớn là năng suất cao và tiết kiệm nhiệt, chiếm ít diện tích mặt bằng, tỷ trọng chi phí xây dựng và lắp đặt thấp. Hình 4.2. Một số dạng nồi nấu suníat gián đoạn kiểu đúng. Ở nuớc ta, Nhà máy Giấy Bãi Bằng hiện sử dụng ba nồi nấu kiểu đứng sức chứa 140 m3, có hộ thống tuần hoàn dịch và gia nhiệt gián tiếp, sử dụng nhiệt khép kín do Thụy Đién cung cấp và một nồi nầu sức chứa tương đương do Việt Nam thiét kế chế tạo. Các nồi nấu hiện đại có hệ thống tuần hoàn dịch nấu và gia nhiệt gián tiếp (hình 4.3). Nắp của các nồi nấu hiện đại là dạng phăng hoặc hình cầu với cơ cấu làm kín dạng bán cầu và có hệ thống điều khiển tự động, cho phép nồi hoạt động với áp suất vận hành tới 1,2 MPa và nhiệt độ 180 °c. Thành nồi nấu (ố) được phủ một lớp cách nhiệt (7), đảm bảo ổn định nhiệt cho dăm mảnh và dịch nấu (73), đồng thời an toàn cho quá trình vận hành. Gia nhiệt dịch nấu và dăm mảnh tới nhiệt độ cần thiết theo quy trình công nghệ, được thực hiện bằng bộ trao đổi nhiệt dạng ống chùm (/2), tại đó hơi quá nhiệt được sử 75 dụng để đun nóng dịch tuần hoàn, được rút liên tục qua lưới rút dịch ỤO). Đẻ đáp ứng yêu cầu gia nhiệt, cần lẳp đặt bộ trao đổi nhiệt phù hợp, sao cho diện tích bề mặt ừao đổi nhiệt vào khoảng 1 -1 ,5 m2/l m3 nồi nấu. nhiệt Hình 4.3. Nồì nấu gián đoạn kiểu đúng có hộ thống tuàn hoàn dịch nẳu. Tuần hoàn dịch nấu được thực hiện bằng bơm (4), với động cơ điện (3), qua hệ thống đường rút (P) và ống chuyển (8). Lưới rút dịch có mắt kích thước 5 - 8 run. Sau khi đun nóng trong trao đổi nhiệt, dịch nấu được cấp vào đường ống cấp (14), qua các vòi phun dịch (16) phía trên đinh nồi và cấp dịch từ dưới đáy nồi, với 76 tý lệ khoảng 2/3 lượng dịch cấp vào phía trên và 1/3 xuống dưới đáy nồi. Quá trình này được điều khiển tự động bằng van (75) và các dụng cụ đo lường. Năng suất của bơm phải đáp ứng 10 - 15 lần tuần hoàn dịch trong suốt quá trình nấu hay 1/10 dung tích nồi nấu ưong 1 phút. Sau khi kết thúc nấu, bột được dỡ ra khỏi nồi qua đường ống tháo (/), nhờ van (2) đóng mở tự động. Toàn bộ cơ cấu điều chinh quá trình nấu được trang bị dụng cụ kiểm tra và điều khiển tự động, theo dõi ưên màn hình máy tính. Một số bộ phận quan trọng nhất được trang bị cơ cấu vận hành trực tiếp, đề phòng trường hợp hệ thống điều khiển gặp sự cố. 4.3.2. Trình tự tiến hành một mẻ nấu sunfat gián đoạn Các thao tác chính khi vận hành thiết bị nấu gián đoạn cho một mẻ nấu bao gồm các bước lần lượt sau: - Chuẩn bị cho mẻ nấu: Kiểm tra hệ thống thiết bị nấu; hệ thống cấp nguyên liệu, cấp hoi, nước, dịch nấu và hệ thống tiếp nhận bột sau nấu (bể phóng). Thao tác này có thể chiếm 5 - 1 0 phút. - Cấp nguyên liệu (30 - 60 phút): Dăm mảnh nguyên liệu được cấp vào nồi từ bunke dăm mành, bằng băng tải, vít tải hay bộ nạp khí nén. IChi dăm mảnh được cấp vào miệng nồi, chúng có thể được nén bằng cách xông hơi bời thiết bị nén hơi được lắp trên miệng nồi hoặc được thấm ướt bằng dịch nấu từ hệ thống phun dịch tuần hoàn từ trên xuống, hay kết hợp cả hai phuơng pháp nêu trên, nhằm tạo cho dăm mảnh có độ ẩm nhất định, chúng trờ nên nặng hom và có thể được sắp xếp ưong nồi với mật độ cao hom mức thường 10 - 15% và có thể đạt 0,35 - 0,45 m3 nén trên 1 m3 nồi nấu. Sau khi nguyên liệu được cấp đủ (được xác định bằng hệ thống định lượng điều khiển tự động), có thề tiến hành xông hơi mảnh, khi đó hơi bão hòa được cấp từ phía dưới nồi, để nâng cao hiệu quà thẩm thấu dịch nấu cùa dăm mảnh. - Cấp dịch nấu (30 - 40 phút): Sau khi cấp đủ nguyên liệu vào nồi, tiến hành cấp dịch nấu qua hệ thống bơm tuần hoàn dịch vào nồi. Với mẻ nấu đầu tiên, người ta chi cấp dịch trắng (NaOH và Na2S) và nước nóng với khối lượng cần thiết, dựa trên mức dùng kiềm hoạt tính và tỷ dịch nấu. Với các mẻ nấu tiếp theo, người ta cấp dịch nấu bao gồm dịch trấn g và một lượng dịch đen thay cho nước. Dịch đen cấp cho nấu là dịch đen thu hồi từ công đoạn rửa bột. Nhiệt độ của dịch nấu khi cấp vào nồi thường vào khoảng 50 - 60 °c đối với dịch trắng và 60 - 80 °c đối với dịch đen. Trinh tự cấp dịch đen và dịch trắng vào nồi được áp dụng theo nhiều cách khác nhau. Hợp lý nhất là trình tự, khi mà 77 trước tiên cấp vào nồi một ít dịch đen, sau đó cấp hết lượng dịch trắng cần thiết và cuối cùng cấp lượng dịch đen còn lại vào nồi. Với trình tự như vậy, ữong hệ thống ống dẫn không còn sót dịch tráng, tổng lượng kiềm hoạt tính cần thiết được cấp vào nồi và mức độ trộn lẫn của dịch đen và dịch trắng là tương đối cao. Một số nhà máy lại cấp dịch trắng trước rồi dịch đen sau hay trộn đều hai loại tnrớc khi cho vào nồi. Trên thực tế, lượng dịch đen cấp cho nấu có thể giao động trong khoảng 20 - 50% tổng lượng dịch nấu. Tổng lượng chất lỏng ứong nồi phụ thuộc vào điều kiện tuần hoàn dịch và phương pháp trao đồi nhiệt. Trung bình, đối với nồi nấu có tuần hoàn dịch cưỡng bức và trao đổi nhiệt gián tiếp, tồng lượng chất lỏng trên 1 mJ nồi thông thường quy ước là 0,45 - 0,55 m3 (kể cả lượng nước chứa trong nguyên liệu). Lượng dịch trắng thông thường chiếm 0,25 - 0,3 thể tích nồi nấu. Nếu tính cả lượng nước chứa trong nguyên liệu và nước ngưng khi xông hơi mảnh, tỳ dịch sau khi cấp dịch trắng vào khoàng 1: (2,2 - 2,5). Lượng chất lòng còn lại cần cấp sao cho đạt tỳ dịch cần thiết 1 :(3,8 - 4,5) được bổ sung bằng dịch đen. Mức dùng kiềm hoạt tính cho mỗi mẻ nấu phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu và quy cách chất lượng bột cần đạt. Khi tính toán chi tính lượng kiềm chứa trong dịch trắng, còn lại trong dịch đen bổ sung (khoảng 5 — 8 g/1 theo đv Na2Ơ) không tính đến. Tiêu hao kiềm hoạt tính cho một mẻ nấu có thể tính theo công thức sau: a = (A.880)/b kg Na2Ơ hoặc NaOH trên 1 tấn bột khô giỏ (có độ ẩm -12%), trong đó a là mức dùng kiềm hoạt tính trên 1 tấn bột; A là mức dùng kiềm hoạt tính so với nguyên liệu khô tuyệt đối (tính bằng % Na20 hoặc NaOH); b là hiệu suất bột (%). - Gia nhiệt ( 2 - 6 h): Sau khi cấp đủ nguyên liệu và dịch nấu, nồi nấu được đóng kín và bắt đầu gia nhiệt bằng cách tuần hoàn dịch nấu qua trao đổi nhiệt. Quá trình gia nhiệt được tiến hành theo chế độ công nghệ áp dụng. Giai đoạn gia nhiệt tới nhiệt độ tối đa (160 - 170 °C) được gọi là tăng ôn. Duy trì ở nhiệt độ tối đa trong khoảng thời gian nhất định gọi là bảo ôn. Đối với các nhà máy hiện đại và quy mô, toàn bộ quá trình tăng ôn, bảo ôn và các thao tác khác được kiểm soát bằng hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất. Để gia nhiệt, hơi nước (áp suất khoảng 1,2 MPa) được cấp vào thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống tuần hoàn dịch được khởi động, dịch nấu được rút ra khỏi nồi qua lưới rút dịch, qua trao đổi nhiệt, được đun nóng và cấp trờ lại nồi nấu (2/3 được cấp vào phía trên nồi nấu, 1/3 được cấp vào phía dưới nồi), rồi lại được rút ra khỏi nồi. Cứ như vậy, bơm tuần hoàn dịch đảm bảo một vòng tuần hoàn của dịch nấu tối thiểu trong vòng 5 - 1 0 phút và 12 - 15 lần tuần hoàn dịch trong 78 1 giờ, nhờ đó dịch nấu được đun nóng tới nhiệt độ tối đa (160 - 170 °C), tương ứng với áp suất trong nồi khoảng 0,8 - 1,2 MPa. Trong thời gian tảng ôn, các sản phẩm khí khác nhau được hình thành (metanol, metylsuníủa, tecpen, ...), chúng tạo thành một áp suất dư trong nồi, nhung nhiệt độ của hơi khí trong nồi nấu không tương ứng với nhiệt độ của hơi nước bão hòa ờ cùng áp suất, cũng vì thế trong thực tể người ta thường gọi là “khí %ià ” (tức không phải hơi nước bão hòa). Đe duy tri được nhiệt độ của hỗn hợp hơi khí trong nồi tương đưcmg với nhiệt độ của hơi nước bão hòa, khi nhiệt độ đạt khoảng 110 - 120 °c, người ta tiến hành xả khí “giả” từ từ, tới khi đạt nhiệt độ tối đa. Xả khí già có thể tiến hành liên tục hoặc luân phiên tùy thuộc vào quá trình nấu. Khí già được thu gom trong một hệ thống trao đồi nhiệt để thu hồi và tận dụng nhiệt, đồng thời thu sản phẩm phụ. - Bảo ôn Sau khi gia nhiệt đến nhiệt độ tối đa, ngừng cấp hơi cho cho trao đổi nhiệt, trong khi đó hệ thống tuần hoàn dịch nấu vẫn tiếp tục hoạt động tới khi kết thúc nấu, nồi nấu được giữ ở nhiệt độ này trong khoảng thời gian quy định theo chế độ nấu (khoảng 0,5 -2 giờ). Một nhiệt lượng không đáng kể bị tổn thất, được bù đắp bằng nhiệt lượng sinh ra từ các phàn ứng hóa học. Thời điểm kết thúc bảo ôn được xác định theo thời gian quy định. Thông thường, ưong suốt quá trình nấu người ta không tiến hành phân tích mẫu hay thừ nghiệm gì khác đối với bột và dịch nấu. - Dỡ bột Thông thường bột sau nấu được dỡ ra khỏi nồi bằng phương pháp phóng bột ờ áp suất cao hoặc áp suất thấp. Phóng bột được tiến hành vào thiết bị gọi là bể ohóng, là một thiết bị chịu ap tương tự nồi nấu, nhưng có súc chứa gấp khoảng ba lần một nồi nấu. Phía dưới bể có cơ cấu khuấy. Khi tiến hành phóng bột, trong bể phóng phải có một lượng bột hoặc một lượng dịch đen nhất định, không tiến hành phóng bột vào bể rỗng. về nguyên tắc, đường ống phóng bột kết nối 2 - 4 nồi nấu với một bề phóng. Với sức chứa của nồi nấu 110 - 140 m3, đường kính cùa đuờng ống phóng bột phải > 250 - 300 mm. Đầu của đường ống này được lắp với bề phóng theo đường tiếp tuyến cùa đường kính phần miệng bể phóng. Khi bột được phóng vào bể, hơi khí được thu gom vào hệ thống thu gom và tận dụng nhiệt, bột được giữ lại trong bể. Đối với phương pháp phóng bột ở áp suất thấp, sau khi kết thúc thời gian bảo ôn, người ta tiến hành xả khí từ phía trên nồi nấu hay còn gọi là phóng đinh, tới khi áp suất trong nồi giảm từ 0,8 - 1,2 MPa xuống còn 0,4 - 0,5 MPa. Thời gian phóng đinh có thề kéo dài từ khoảng 10 phút đến hàng giờ, tùy thuộc vào thể tích 79