Bước đầu nghiên cứu quá trình amoniac hoá từ vỏ cây phế liệu nguyên liệu giấy

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của các loại vỏ cây thông Loại vỏ cây Chất chiết xuất lignin cellulose Bảng 1.2: Thành phần hoá học của các thành phần trong vỏ cây thông cellulose Lignin

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực tập và nghiên cứu tại Trung tâm thí nghiêm thực hành – Trường đại học Lâm Nghiệp cho đến nay khóa luận đã cơ bản hoàn thành Nhân dịp này cho phép tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo TS Nguyễn Thị Minh Nguyệt người đã tận tình giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn cũng như động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong khoa chế biến lâm sản đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ về mặt kiến thức cũng như tinh thần trong thời gian thực hiện đề tài

Mặc dù đã có sự cố gắng rất nhiều nhưng do kiến thức và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy rất mong được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 14 tháng 5 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Vũ Thị Đông

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, các ngành khoa học công nghệ đang trên đà phát triển mạnh, một trong các ngành đó có ngành Chế Biến Lâm Sản nói chung và ngành sản xuất giấy-bột giấy nói riêng cũng phát triển, đã góp một phần vào lớn vào sự phát triển chung của ngành kinh tế quốc dân

Khi nhu cầu sử dụng gỗ và các sản phẩm từ gỗ của con người ngày một tăng theo số lượng và chất lượng Nhu cầu của con người được đáp ứng dần

về mọi mặt của đời sống xã hội, đồng hành với nó là lượng phế thải, thải ra ngoài môi trường với trữ lượng lớn Các loại phế liệu ở ngành công nghiệp cả ngành nông nghiệp như: Các nhà máy sản xuất giấy-bột giấy, nhà máy sản xuất ván nhân tạo, ván dăm, ván ghép thanh, xưởng mộc, xưởng xẻ rơm rạ, trấu, vỏ cà phê ngày một tăng

Nhất là vỏ cây nguyên liệu cho ngành sản xuất giấy – bột giấy là một trong những loại phế thải lớn trong ngành Chế Biến hóa học, việc nghiên cứu

và tận dụng lượng phế thải này đang được các cấp các ngành quan tâm Bởi nguồn phế thải này chưa được sử dụng một cách triệt để và chưa có phương pháp xử lý ưu việt nào Do đó việc nghiên cứu đưa ra những phương pháp xử

lý mới, không những mang lại hiệu quả kinh tế mà còn góp phần vào giải quyết vấn đề môi trường trong ngành Chế Biến Lâm Sản

Vỏ cây được hình thành từ các tổ hợp tế bào, có chức năng bảo vệ thân cây và dẫn truyền chất dinh dưỡng để nuôi cây Từ các công trình nghiên cứu

về cấu tạo các thành phần hoá học của vỏ cây, đều khẳng định rằng cấu tạo,thành phần hoá học của các loại vỏ cây đều khác so với gỗ (1)

Nghiên cứu Zưtkov và các cộng sự (2) cho thấy thành phần hoá học của các loại cây khác nhau trong cùng một loại cây cũng có sự khác nhau đáng kể

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của các loại vỏ cây thông

Loại vỏ cây Chất chiết xuất lignin cellulose

Bảng 1.2: Thành phần hoá học của các thành phần trong vỏ cây thông

cellulose Lignin Tro Chất chiết

Bảng 1.3: Thành phần hoá học của các phần trong vỏ cây thông

Thành phần hoá học Phần trong Phần ngoài

Cellulose trong vỏ cây cũng như trong gỗ thành phần đó chính là các polime Theo một số tài liệu khác thì hàm lượng cellulose trong vỏ cây thông biến đổi từ 16,6 – 37,0 (%) Các giá trị khác nhau phụ thuộc vào phương pháp xác định

Theo nghiên cứu thành phần các axít amin trong vỏ cây thông Từ kết qủa nghiên cứu cho thấy hàm lượng các amin biến đổi từ 36,8 – 80,0 mg/g (12)

Trong vỏ cây cũng có một số loại vitamin đó là viatmin C Vào mùa

Qua một sổ tài liệu nghiên cứu trên cho thấy, trong hàm lượng vỏ cây thông nói riêng và vỏ các loại cây khác nhau nói chung, có hàm lượng các chất hữu cơ có ích và hàm lượng các chất này tương đối cao

Hiện nay trên thế giới các nhà khoa học đã tập chung nghiên cứu tận dụng nguồn phế thải này theo hai hướng

+ Sử dụng toàn bộ vỏ cây

+ Sử dụng các thành phần hoá học có trong vỏ cây

Hướng tận dụng toàn bộ vỏ cây hiện nay đang được tập chung nghiên cứu nhiều hơn

M.V.E.Fanov và các cộng sự đã nghiên cứu hỗn hợp (vỏ cây, mùn vụn, gỗ) bằng persunphat amoni trong môi trường amoniac ở điều kiện nhiệt độ thường và ủ trong từ 1-5 ngày sản phẩm thu được chứa từ 1,5-12 % hàm lượng N2 liên kết và được sử dụng làm phân bón, rất tốt cho đất, có khả năng tăng trưởng cho một số loại cây như Khoai Tây, lúa Mạch

M.B.E.Fanov và các cộng sự đã nghiên cứu công nghệ xử lý vỏ hạt Hướng Dương bằng oxy trong môi trường amoniac, để thu được sản phẩm có chứa từ 3-8 % hàm lượng N2, gần tương đương với sunphat amoni Khi sử dụng sản phẩm này có thể làm tăng sản lượng lúa Mạch lên thêm 18,6 % Trong nước, đã tận dụng được nguồn phế liệu từ nông nghiệp như rơm rạ bằng phương pháp ủ với vôi bột và phân lân ở điều kiện thích hợp trong vòng 10-15 ngày, sản phẩm đem bón ruộng rất tốt cho cây và đất Tận dụng vỏ trấu

để làm phân vi sinh Tận dụng vỏ cà phê (15), cũng bằng phương pháp ủ với vôi bột, phân lân, urê ở điều kiện thích hợp trong vòng 3 tháng, tạo ra được được loại phân hữu cơ và hàm lượng nitơ tăng lên gấp 2 lần so với loại phân tốt, hàm lượng kali tăng lên 3 lần, phân lân tăng 1,5 lần Là loại phân vi sinh rất tốt cho đất và sự phát triển của cây

Nghiên cứu của nhóm sinh viên trường ĐH Tây Nguyên đã nghiên cứu

Từ những kết quả nghiên cứu trên cho thấy,nguyên liệu thực vật ít hay nhiều có sự thay đổi khi có tác động của dung dịch Amoniac, đặc biệt là hàm lượng N

dễ phân huỷ trong đất và làm tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng trong đất Chính vì vậy việc tận dụng được lượng phế liệu đem lại nguồn lợi rất lớn cả

về môi vấn đề bảo vệ môi trường và tiết kiệm được chi phí cho các doanh nghiệp

Được sự đồng ý của khoa Chế Biến Lâm Sản – Trường Đại Học Lâm Nghiệp, bộ môn Khoa Học Gỗ, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Bước đầu nghiên cứu quá trình Amoniac hoá từ vỏ cây – phế liệu nguyên liệu giấy”

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu sử dụng có hiệu quả nguồn phế thải vỏ cây

1.2 Mục tiêu, đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định được mức độ ảnh hưởng của dung dịch Amoniac đến hàm lượng các thành phần hoá học trong hỗn hợp vỏ cây (Keo Lai - Bạch Đàn)

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu

Hỗn hợp vỏ cây (Keo Lai – Bạch Đàn)

1.2.3 Nội dung nghiên cứu

- Xác định độ ẩm của hỗn hợp vỏ cây (Keo Lai – Bạch Đàn) trước và sau quá trình Amoniac hoá

- Xác định hàm lượng các chất chiết xuất trong dung môi: Cồn trước và sau quá trình Amoniac hoá của vỏ cây (Keo Lai - Bạch Đàn)

- Xác định hàm lượng các chất tan trong dung dịch NaOH 1%, trước và sau quá trình Amoniac hoá của vỏ cây (Keo Lai - Bạch Đàn)

- Xác định hàm lượng Lignin trước và sau quá trình Amoniac hoá của hỗn hợp vỏ cây (Keo Lai – Bạch Đàn)

- Xác định hàm lượng cenllulose trước và sau quá trình Amoniac hoá của hỗn hợp vỏ cây (Keo Lai – Bạch Đàn)

- Xác định hàm lượng N2

1.2.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa, theo các tài liệu: Kế thừa các kết qủa nghiên cứu trong và ngoài nước về hướng nghiên cứu, nồng độ dung dịch NH3

- Phương pháp thực nghiệm, theo các tiêu chuẩn: Tappi, TCVN

1.2.5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Tận dụng được triệt để lượng phế liệu làm nguồn nguyên liệu tốt cho ngành nông nghiệp vừa không gây ô nhiễm môi trường Kết quả nghiên cứu của đề tài bước đầu làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu và ứng dụng tiếp theo

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về vật liệu có sợi

2.1.1 Cấu tạo gỗ

Gỗ là sản phẩm có nguồn gốc thực vật, là một tổ hợp đa phần về cấu trúc giải phẫu cũng như về phương diện hoá học Cấu tạo gỗ là nhân tố ảnh hưởng đến mọi tính chất của gỗ Cấu tạo và tính chất có liên quan mật thiết với nhau Cấu tạo có thể xem là biểu hiện bên ngoài của tính chất Những hiểu biết về cấu tạo là cơ sở để giải thích bản chất các hiện tượng sản sinh trong quá trình gia công chế biến và sử dụng gỗ

Gỗ do vô số các tế bào cấu tạo nên, các tế bào liên kết với nhau bằng chất pectic, giống như vữa gắn vào các viên gạch

Vách tế bào gỗ là một tổ chức quan trọng của tế bào gỗ,do đó cấu tạo và cấu trúc của tế bào là nhân tố ảnh hưởng đến các tính chất của gỗ Vách tế bào

gỗ chủ yếu là do cellulose và lignin tạo nên

Sườn cellulose do nhiều phân tử cellulose (C6H10O5)n, liên kết lại thành chuỗi cellulose Nhiều chuỗi cenlulose liên kết thành mixencellulose, nhiều các mixen liên kết thành bó, vô số các bó mixen cùng với lignin tạo thành vách tế bào

Vách tế bào được chia làm ba phần: Màng giữa, vách sơ sinh, vách thứ sinh Ba phần này khác nhau chủ yếu là do hàm lượng lignin nhiều hay ít

- Màng giữa: Là phần nằm giữa hai tế bào cạnh nhau, được cấu tạo bằng chất pectic mà thành phần cơ bản là acid tetra galaturonic Màng giữa là một lớp màng mỏng có mức độ hoá gỗ cao

- Vách sơ sinh: Hình thành cùng với sự hình thành của tế bào gỗ, vách sơ sinh mỏng do cellulose, mixencellulose, lignin Vách này mỏng nằm ở phía ngoài, có mức độ hoá gỗ cao Trong vách sơ sinh thì các mixencellulose sắp xếp không có trật tự, nên không có tác dụng quyết định đến tính chất của gỗ

- Vách thứ sinh: Là lớp vách hình thành sau cùng trong quá trình hoá gỗ của tế bào So với màng giữa và vách sơ sinh thì vách thứ sinh là lớp dày nhất Thành phần chủ yếu của lớp này là cellulose và lignin, ở đây các

mixencellulose sắp xếp một các có trật tự và chia làm ba lớp:

+ Lớp ngoài: Lớp này mỏng và nằm sát vách sơ sinh Các

mixencellulose xếp vuông góc với trục dọc của tế bào hoặc nghiêng một góc

từ 70-90o

so với trục dọc của tế bào

+ Lớp giữa: Lớp này nằm kế tiếp lớp ngoài, đây là lớp dày nhất, các mixen của lớp này nằm song song với trục dọc của tế bào hoặc nghiêng một góc từ 15-30o so với trục dọc của tế bào

+ Lớp trong: Lớp này mỏng, nắm sát ruột tế bào, các mixen sắp xếp tương tự lớp ngoài

Cấu trúc của vách tế bào, đặc biệt là sự sắp xếp của các mixen trong vách thứ sinh của lớp giữa là cơ sở khoa học để giải quyết một số tính chất của gỗ và nó có ý nghĩa quan trọng, để giải quyết một số vấn đề trong quá trình gia công, chế biến và sử dụng gỗ

2.1.2 Độ ẩm của gỗ

Độ ẩm là một đại lượng biểu thị hàm lượng nước có trong nguyên liệu sợi thực vật, độ ẩm được tính bằng phần trăm so với khối lượng mẫu khô kiệt thì gọi là độ ẩm tuyệt đối Khi tính bằng phần trăm so với khối lượng mẫu có nước (vỏ nguyên liệu tươi ) thì được gọi là độ ẩm tương đối Trong thực tế thường dùng độ ẩm tuyệt đối

Trong điều kiện thực tế sử dụng, nguyên liệu ở dạng ướt hoặc phơi sấy, ở điều kiện nhất định, trong nguyên liệu luôn có một lượng nước nhiều hay ít Nước trong nguyên liệu tồn tại ở hai dạng: nước tự do và nước liên kết

được Khi tiến hành sấy khô nguyên liệu thì nước tự do thoát ra trước sau đó mới đến nước liên kết thoát ra Nước tự do chỉ ảnh hưởng đến khối lượng của nguyên liệu chứ không ảnh hưởng đến tính chất của gỗ

+ Nước liên kết: Là nước nằm trong vách tế bào của sợi thực vật hay khu vực không định hình của sợi, nó được tồn tại thông qua việc hình thành liên kết hydro giữa các phân tử nước cực tính và gốc (-OH) của cellulose Khi nước hấp thụ vượt quá điểm bão hoà thớ gỗ, lượng nước tăng lên làm cho liên kết hydro với cellulose không được thiết lập tạo thành một bộ phận nước mới gọi là nước tự do Nước liên kết ảnh hưởng tới tất cả các tính chất của gỗ

Độ ẩm của nguyên liệu ảnh hưởng tới mức độ khác nhau đến khả năng thẩm thấu dịch (ngấm hoá chất khi ngâm), chính vì vậy trước khi đi xác định các thành phần các chất tan trong Cồn, dung dịch NaOH 1% và xác định hàm lượng Lignin, cellulose trước quá trình Amoniac hoá và sau quá trình Amoniac hóa, để lấy đó làm căn cứ tính toán Mặt khác khi phân tích tổ thành nguyên liệu, xác các thành phần của nguyên liệu đều phải lấy chuẩn gốc là khối lượng thể tích để tính toán tỷ lệ các chất chứa trong nguyên liệu Về tính chính xác của các phép phân tích hoá học, phụ thuộc vào tính chính xác của việc xác định độ ẩm của nguyên liệu đón vai trò hết sức quan trọng

2.1.3 Thành phần hoá học của sợi thực vật

Như ta đã biết, gỗ là sản phẩm có nguồn gốc thực vật, là một tổ hợp đa phần về cấu trúc giải phẫu cũng như về phương diện hoá học Gỗ được cấu tạo bởi các thành phần hoá học, trong đó cellulose chiếm từ 40-50(%), lignin chiếm 15-17(%), hemicellulose chiếm 20-30 (%), còn lại 1(%) là chất khoáng Cenlulose và lignin là thành phần chính tạo nên vách tế bào

Thành phần cấu tạo nên gỗ chiếm tới 99-99,7(%) các chất hữu cơ với bốn nguyên tố chính là: Cacbon (C), hydro (H), Oxy (O) và Nitơ (N), các chất khoáng của gỗ chỉ chiếm một phần rất nhỏ khoảng 1(%)

Theo nhiều tài liệu đã phân tích, ở các loại gỗ khác nhau thì thành phần các hợp chất hữu cơ cũng khác nhau nhưng tỷ lệ thành phần các nguyên tố là gần xấp xỉ giống nhau

Hàm lượng bình quân Cacbon (C) là 50 %, Hydro (H) là 6,4 %, Oxy (O)

là 42,6 %, Nitơ (N) > 1%

2.2.1 Thành các chất vô cơ trong gỗ

Trong gỗ, ngoài các chất hữu cơ còn có các chất vô cơ Khi đốt cháy hoàn toàn gỗ các chất vô cơ tạo thành tro

Hàm lượng tro trong gỗ có khoảng từ 0,3-1,0 %, khối lượng gỗ hoàn toàn khô Nếu trong gỗ có lẫn tạp chất thì đôi khi hàm lượng tro còn lên tới 2-5 % Hàm lượng tro còn phụ thuộc vào từng vị trí khác nhau của cây; vỏ, lá, rễ cây

có hàm lượng tro nhiều hơn gỗ Hàm lượng tro của vỏ cây đạt tới 6-7 %, lá cây đạt 3,4-4 %, rễ đạt tới 4-5 %, cành nhánh, ngọn cây có nhiều tro hơn thân

và gốc Khi tuổi cây tăng lên thì hàm lượng tro lại giảm đi

Tro là hợp chất của các nguyên tố: K, Na, Mg, Mn, Fe, Si được chia làm hai thành phần chính

+ Phần tan trong nước: Chiếm từ 10-25 % trong đó thành phần chủ yếu

là Cacbonat của Natri và Kali chiếm tới 60-70 %

+ Phần không tan trong nước: Chiếm từ 70-95 %, trong đó gần một nửa

là muối Cacbonat Canxi, phần còn lại là muối của Photphoric Silic và các loại muối khác không tan trong nước

2.2.2 Thành phần các chất hữu cơ trong gỗ

2.2.2.1 Các thành phần cấu trúc của gỗ

Cellulose, lignin, hemicellulose là thành phần cấu tạo nên vách tế bào gỗ, trong đó cellulose và lignin là hai thành phần cơ bản nhất cấu tạo nên vách tế bào Hàm lƣợng của nó thay đổi theo từng loại gỗ khác nhau

Cellulose là hợp chất cao phân tử, có cấu tạo mạch thẳng, nhiều phân tử cellulose tạo nên chuỗi cellulose, nhiều chuỗi cellulose hợp thành các

mixencellulose, nhiều chuỗi mixen tạo thành bó mixen cùng với lignin cấu tạo nên vách tế bào

Ngày nay khi khoa học kĩ thuật ngày một phát triển, có công nghệ chế tạo cellulose từ thực vật, bông vải có hàm lượng cellulose lên tới 90 %, trong

gỗ có tới gần một nửa, trong rơm rạ có từ 3-4 %

Lignin trong gỗ

Lignin là thành phần thứ hai, (sau cellulose) cấu tạo nên vách tế bào Khi muốn tách cellulose hoặc lignin ra khỏi sợi thực vật thì ta phải hoà tan cellulose hay lignin

- Khi muốn lấy lignin thì dùng acid H2SO4 nồng độ 72% hoạc acid HCl nồng độ 41 %, để hoà tan cellulose, còn lại là bã lignin

- Khi cần lấy cellulose thì dùng phương pháp xử lý sợi thực vật bằng dung dịch xút nóng hay bisunfit canxi Ca(HSO3), Lignin hoà tan trong chất

đó

Lignin có màu nâu sẫm, thuộc loại cacbua vòng cao phân tử Thành phần cấu tạo của lịgnin rất phức tạp, hiện nay cũng vẫn chưa có công thức cụ thể để xác định Lignin có ba nhóm chính là: OCH3 ,OH, C6H5 Khi lignin được tách

ra để nghiên cứu khác với trạng thái liên kết sợi thực vật Do đó công thức

C42H32(OH)5(OCH3)5 được nhiều người công nhận

Trong quá trình nhiệt phân gỗ, sản vật dầu gỗ không tan là do lignin hình thành nên, còn dầu gỗ tan là do cellulose và hemicellulose hình thành nên.Trong gỗ hàm lượng lignin chiếm từ 17-30%

Lignin có tính chất kém ổn định hơn cellulose, chính nhờ tính chất này,

mà người ta lợi dụng để loại bỏ lignin trong công nghệ sản xuất giấy-bột giấy

và tơ nhân tạo Việc loại bỏ lignin càng triệt để bao nhiều thì độ trắng của giấy-bột giấy càng trắng

Lignin có đặc điểm là dễ bị phenol và các chất khác nhuộm màu Do vậy trong công nghệ sản xuất giấy-bột giấy, muốn kiểm tra hàm lượng lignin còn nhiều hay ít người ta thường lợi dụng tính chất này

- Với phenol (C2H5OH) nhuộm lignin thành màu xanh lục

- Octodihydroxibenzin C6H4(OH)2 nhuộm màu lignin thành màu xanh

- Methadihydroxibenzin C6H4(OH)2 nhuộm màu lignin thành màu tín hồng

- Phenyllamin C6H5NH2 nhuộm màu lignin thành màu vàng

Khi công nghệ chế tạo giấy ngày càng hiện đại đã thực hiện được việc tẩy trắng lignin một cách triệt để và màu của lignin đồng màu với màu của cellulose, do đó nâng cao được tỷ lệ lợi dụng lên gần 80%, làm thay đổi được phương pháp sản xuất giấy

Hemicellulose

Tương tự cellulose, hemicellulose là hợp chất của polysaccarit tạo nên vách tế bào Hemicellulose kém ổn định hơn cellulose, dưới tác dụng của acid thì hemicellulose dễ bị phân huỷ Hemicellulose tan trong kiềm và không tan trong nước, hàm lượng hemicellulose trong gỗ lá kim cao hơn trong gỗ lá rộng

Hemicellulose trong vách tế bào vừa có tác dụng như cellulose và thực hiện chức năng cơ học, giống như tinh bột là loại thức ăn dự trữ trong cây Trong quá trình hoạt động mạnh mẽ nhất của đời sống thực vật Hemicellulose bị phân giải thành các monosaccarit để tạo thành cơ thể thực vật

2.2.2.2 Các chất chiết xuất của gỗ

Các chất chiết xuất là những chất hữu cơ có thể lấy ra từ gỗ, nhờ các dung môi hữu cơ, cực tính và vô cực Các chất chiết xuất không chứa trong vách tế bào, mà chỉ nằm giữa các tế bào, trong ống dẫn nhựa, trong ruột tế bào, tia gỗ, lỗ thông ngang của gỗ lá kim và gỗ lá rộng, đôi khi chúng còn

thấm qua vách tế bào Thành phần các chất chiết xuất rất nhỏ nhưng thành phần của chúng rất đa dạng Chất chiết xuất bao gồm: nhựa cây, tanin, chất béo, dầu, chất màu, tinh bột

Theo phương pháp trích ly thì các chất chiết xuất được chia làm ba nhóm:

- Chất bay hơi cùng với hơi nước gọi là dầu thơm

- Các chất tan trong dung môi hữu cơ là các chất nhựa

tạo thành phức chất làm cho Fe3+ không ngừng tách ra từ hệ axit và bề mặt kim loại Để duy trì bề mặt cân bằng nó không ngừng phải tạo ra Fe3+

từ đó làm cho công cụ cắt gọt không ngừng bị ăn mòn

Các chất chiết xuất còn ảnh hưởng đến khả năng trang sức bề mặt gỗ, các chất chiết xuất như dầu, nhựa có thể tạo ra các vết ố trên bề mặt sản phẩm, gây khó khăn trong quá trình trang sức bề mặt Chất chiết xuất còn ảnh hưởng tới quá trình đón rắn của keo, trong quá trình sản xuất ván nhân tạo, gây ảnh hưởng đến cường độ dán dính, làm giảm chất lượng sản phẩm

Trong công nghệ sản xuất giấy – bột giấy, các chất chiết xuất làm giảm quá trình thẩm thấu hoá chất trong nguyên liệu và làm giảm chất lượng của bột

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Vật liệu nguyên cứu

3.1.1 Tìm hiểu ban đầu về nguyên liệu

12 tuổi có thể cao tới 8m, có đường kính 20 cm, ưu được ánh sáng , chịu được khô hạn, sống được ở nhiệt độ bình quân năm 20-300

C, lượng mưa trung bình từ 1000-1750mm, cây chịu được đất nghèo dinh dưỡng, sống được cả ở đất cát và đất thịt nặng Có khả năng tái sinh hạt và chồi cao Do vậy đây là loại cây đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng của con người và mang lại hiệu quả kinh tế cao

Số lượng khai thác Keo Lai ở tỉnh Lâm Đồng, có sản lượng bình quân khoảng 50.000 m3 / năm trong đó có từ 40 – 60 % gỗ có đường kính dưới 10

cm Chính vì vậy mà gỗ Keo lâu nay được dùng chủ yều để sản xuất giấy chiếm khoảng 80 % Phần còn lại làm củi hoặc gỗ Keo được sử dụng cho ngành chế biến gỗ nhưng chưa cao Vì vậy, nguyên liệu cho ngành sản xuất giấy hiện nay là rất lớn, vấn đề đặt ra hiện nay việc loại bỏ vỏ cây trong quá trình sản xuất là rất cấp bách hiện nay đang được các ngành, quan tâm Cần dùng phương pháp xử lý nào vừa đem lại hiệu quả kinh tế vừa không gây ô nhiễm môi trường trong ngành Chế Biến Lâm Sản nói chung và ngành sản xuất giấy – bột giấy nói riêng

Bạch đàn

Bạch Đàn có xuất sứ từ nước Úc, thuộc họ thực vật Sim (Myrtaceac), thuộc chi (Eucalyptus) Có ít hơn 70 loài, mọc ở các vùng đồng bằng có mực nước cao ngang mực nước biển, cho đến các vùng bình nguyên cao nguyên Ở Việt Nam chỉ du nhập khoảng 10 loài như: Bạch Đàn Đỏ, Bạch Đàn Trắng, Bạch Đàn Liễu, Bạch Đàn Tranh, nhưng chỉ phổ cập khoảng 3-4 loài và được trồng rộng rãi ở các nước nhiệt đới và ở Việt Nam nói riêng Bạch Đàn

có khả năng sinh trưởng nhanh, thích hợp nhất ở vùng đất có phù sa bồi tụ, thích hợp vừa ở vùng đất chua phèn Như vậy Bạch Đàn thích hợp nhất ở vùng Tây Ninh (87%), còn lại là ở các vùng Bình Dương, Bình Phước, Đồng Nai (46%), Nhiệt độ thích hợp từ (18-32)0C, lượng mưa trung bình từ 1400-

1800 mm/năm, độ cao so với mực nước biển từ 100-300m

Trong chương trình trồng rừng mới 5 triệu ha rừng của chính phủ Theo

Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, đã đưa cây Bạch Đàn là một trong những cây trồng rừng sản xuất, làm vùng cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất giấy-bột giấy Bởi vì ngoài đặc điểm sinh trưởng nhanh, gỗ Bạch Đàn còn có hàm lượng cellulose khá cao Cây Bạch Đàn ở 7 năm tuổi

có hàm lượng cellulose là 48,1 (%), có chiều dài sợi từ 0,6-1,4 (mm), hiệu suất bột của Bạch Đàn 7 năm tuổi là 48 (%)

Theo chương trình trồng rừng mới 5 triệu ha của Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, trong năm 2010 Việt Nam sẽ có 2 triệu rừng phòng hộ, rừng đặc dụng, 3 triệu ha rừng sản xuất, rừng sản xuất hay rừng kinh tế được trồng để tạo nguồn nguyên liệu cho ngành giấy (diện tích rừng cho ngành này

1 triệu ha), gỗ làm ván nhân tạo 400.000 ha, và ngành đồ mộc và nhu cầu khác là 200.000 ha Để thực hiện được chương trình này thì mỗi năm phải trồng mới 200.000 ha rừng, nhưng nay mới chỉ thực hiện được 100.000 ha mỗi năm

Cả nước mỗi năm chỉ khai thác khoảng 4 triệu m3

gỗ nguyên liệu từ rừng trồng, nhưng nguồn nguyên liệu này chủ yếu dùng để sản xuất giấy và bột giấy, ván nhân tạo, dăm gỗ xuất khẩu Nguồn nguyên liệu Keo Lai và Bạch Đàn là rất lớn, nếu được sử dụng làm nguyên liệu đề sản xuất hàng mộc thì có thề thay thế một các đáng kể cho nguyên liệu rừng tự nhiên, góp phần thúc đẩy công nghệ chế biến phát triển mạnh và vững chắc Do gỗ rừng trồng có chu kỳ khai thác ngắn nên đường kính cây gỗ không lớn, nó ảnh hưởng đến tỷ

lệ thành khí trong sản xuất gỗ xẻ

Vì vậy, Keo Lai và Bạch Đàn là nguồn liệu chính cho ngành công nghệ sản xuất giấy-bột giấy Khi lượng nguyên liệu cung cấp cho ngành sản xuất giấy-bột giấy nhiều như vậy thì lượng vỏ cây được loại ra trong quá trình sản xuất cũng nhiều Vấn đề được đặt ra hiện nay là sử dụng phương pháp xử lý nào để tận được lượng lớn nguồn phế thải vỏ cây một cách triệt để, đem lại lợi ích kinh tế và góp phần giải quyết vấn đề môi trường Đây là vấn đề đang được quan tâm hiện nay trong ngành Chế Biến Lâm Sản nói chung và ngành sản xuất giấy-bột giấy nói riêng

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Chuẩn bị mẫu

Hỗn hợp vỏ Keo Lai và Bạch Đàn được trộn theo tỷ lệ 1:1 về khối lượng hỗn hợp vỏ, được nghiền nhỏ, kích thước dăm phù hợp với đường kính dăm (0,5 < D < 1) Trộn hỗn hợp đều và dùng phương pháp tứ phân để lấy ngẫu nhiên phần dăm mẫu dùng cho thí nghiệm

3.2.2 Chuẩn bị nguyên liệu

- Vỏ cây – phế liệu nguyên liệu giấy, hỗn hợp vỏ cây (Keo Lai - Bạch Đàn) ở trên Rừng thực nghiệm tại trường Đại Học Lâm Nghiệp

- Vỏ cây sau khi đã lấy về đem rửa sạch, làm nhỏ, phơi cho ráo nước, đem sấy ở nhiệt độ từ (45 – 50) 0

C

học trước amoniac hoá Ngâm dăm trong dd NH(2%),(4%),(6%), 20 ngày 3

Rửa dăm đến môi trường trung tính

e

Lượng nitơ

Chất chiết xuất tan trong cồn ứng với 3 cấp nồng độ

Chất tan trong NaOH 1% ứng với 3 cấp nồng độ

Lượng lignin ứng với

3 cấp nồng độ

Lượng cellulose ứng với 3 cấp nồng

độ

Lượng nitơ ứng với

3 cấp nồng độ

3.2.3 Phương phỏp xỏc định hàm lượng ẩm của nguyờn liệu sợi thực vật

Nội dung phương phỏp

Cõn khoảng 1g mẫu (độ chớnh xỏc 10-4g), lấy 2 mẫu làm đồng thời,cho

vào cốc thớ nghiệm (cốc đó được sấy khụ kiệt), đưa cốc cú mẫu thử vào tủ

sấy, mở nắp cốc và sấy ở nhiệt độ (102 + 2)0C trong thời gian 3h rồi lấy ra,

đưa vào bỡnh hỳt ẩm để làm nguội, sau khi để nguội khoảng 30 phỳt đem ra

khỏi bỡnh hỳt ẩm cõn sấy lấy khối lượng Sau đú lại đưa vào tủ sấy tiếp trong

1h Qỳa trỡnh cứ tiếp tục như vậy cho đến khi khối lượng khụng đổi thỡ dừng

lại (khối lượng giữa hai lần cõn liờn tiếp chờnh lệch nhau khụng quỏ 0,5 %)

Cụng thức xỏc định:

Gọi hàm lượng ẩm của mẫu là W(%) thỡ W được xỏc định theo cụng thức

sau:

Trong đú

m1: khối lượng mẫu và cốc trươc khi sấy

m2: khối lượng mẫu và cốc sau khi sấy

m: khối lượng khụ tuyệt đối của cốc chịu nhiệt

Hệ số khụ của mẫu được tớnh theo cụng thức:

Xác định độ ẩm sau quá trình Amoniac

Xác

định hàm l-ợng Lignin ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng xenlulo ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng các chất tan trong NaON 1% ứng với 3 cấp nồng độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng Lignin ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng xenlulo ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng các chất tan trong NaON 1% ứng với 3 cấp nồng độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng Lignin ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng xenlulo ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng các chất tan trong NaON 1% ứng với 3 cấp nồng độ của dung dịch

NH3

Xác

định hàm l-ợng Lignin ứng với

3 cấp nồng

độ của dung dịch

NH3

Trong tất cả các phương pháp phân tích hoá học tiếp theo, các giá trị của phép phân tích tính theo lượng mẫu khô tuyệt đối đều được nhân với hệ số khô tuyệt đối (Kk)

3.2.4 Xác định lượng các chất chiết xuất tan trong dung môi hữu cơ

Các dung môi hữu cơ được sử dụng là dung môi chiết xuất thường là các dung môi có khả năng hoà tan tốt các acid nhựa, acid béo, các chất màu, chất chát các hợp chất trung tính có trong thành phần nguyên liệu dễ thu hồi, ít độc hại, dễ tìm kiếm

Cồn, ete, hỗn hợp cồn – benzen là những dung môi thường được sử dụng để xác định hàm lượng các chất chiết xuất trong nguyên liệu sợi thực vật Trong đề tài này em sử dụng Cồn làm dung môi hữn cơ tham gia vào quá trình chiết xuất

Hàm lượng các chất chiết xuất tan trong dung môi hữu cơ cồn (theo TC: T-5m-59)

Để xác định hàm lượng các chất tan trong dung môi cồn, ta tiến hành chiết xuất mẫu thí nghiệm trong bộ thiết bị soslet Kết quả được xác định bằng sự chênh lệnh khối lượng của mẫu trước và sau khi chiết xuất

Nội dung phương pháp

Cân khoảng từ 2-5 (g) mẫu dăm trong điều kiện thường, chính xác đến

10-4g, gói mẫu vào giấy lọc (giấy lọc đã biết trước khối lượng), cho giấy lọc vào thiết bị soslet theo quy chuẩn (đầu trên của gói giấy lọc phải cách đầu trên của ống nhỏ từ 1-1,5(cm), gói giấy chứa mẫu không quá to để có thể lấy ra một cách dễ dành khi kết thúc quá trình chiết xuất Đổ vào thiết bị soslet dung môi chiết xuất là cồn, tuỳ theo dung tích của bộ soslet và lượng mẫu cần phân tích mà lượng dung môi nhiều hay ít Thường thì từ 1-2 lần chảy tràn qua thiết

bị soslet Đặt bộ thiết bị soslet lên bếp đun trực tiếp và nối hệ thống với ống ngưng lạnh, điều chỉnh nhiệt độ chiết xuất sao cho thời gian giữa hai lần chiết xuất từ 10-15 phút Thời gian chiết xuất lại phụ thuộc vào số lần chiết xuất

Để chiết xuất triệt để lượng chất tan thì số lần chiết xuất cho một mẫu thí nghiệm không ít hơn 70 lần chảy tràn Sau khi kết thúc quá trình chiết xuất,mẫu được lấy ra và để khô và sấy ở nhiệt độ 103 + 2 0C cho đến khi khối lượng không đổi

Công thức xác định:

Hàm lượng các chất chiết xuất được tính theo công thức sau:

Trong đó:

m : khối lượng mẫu và giấy lọc sấy đến khối lượng không đổi

m1: khối lượng mẫu và giấy lọc trước khi chiết xuất

g : khối lượng mẫu khô kiệt (không có giấy lọc)

Hệ số chiết xuất : KCX

Người ta thường dùng hệ số chiết xuất (KCX) trong dung môi Cồn để làm hệ số tính toán cho các giá trị khác trong quá trình phân tích các thành phần hoá học trong nguyên liệu

3.2.5 Xác định hàm lượng các chất hoà tan trong dung dịch NaOH 1% (TC:T-4 os-59)

Dung dịch NaOH 1% có thể hoà tan những chất hoà tan trong nước nóng, nước lạnh, lignin, hexozan và pentozan, acid nhựa, những chất hoà tan này là những chất chiết xuất bằng dung dịch NaOH 1% Căn cứ vào kết quả xác định các chất chiết xuất này, ở chừng mực nhất định có thể dự đoán được mức độ biến chất hoặc mục gỗ do gỗ bị tác động của ánh sáng, nhiệt độ, oxy hoá hoặc bị côn trùng phá hoại Căn cứ vào kết quả thực nghiệm, lượng chất chiết xuất của gỗ mục bằng 4,8 lần so với gỗ tốt, bằng 2,7 lần so với gỗ

bị mục từng phần Điều này cho thấy nguyên liệu càng biến chất nghiêm trọng thì hàm lượng các chất chiết xuất tan trong dung dịch NaOH 1% càng nhiều

Nội dung phương pháp

Cân 2g mẫu chính xác đến 10-4 g cho vào bình tam giác V= 250 ml Cho 100 ml nước cất vào trong bình tam giác, nối bình với ống ngưng lạnh, đun sôi trên bếp trong vòng 1h (khi giọt nước đầu tiên chảy bắt đầu tính thời gian) Trong quá trình đun cứ 10, 15, 30 phút lắc bình một lần Kết thúc quá trình đun, bình tam giác được làm nguội,sau đó lọc bã qua phễu lọc màng xốp

đã xác định khối lượng Dùng 200ml nước cất nóng để chuyển bá từ bình tam giác sang phễu lọc màng xốp, sau đó cứ tiếp tục rửa bằng nước cất nóng cho đến khi nào đạt trung tính là được (PH= 6,5-7,0) Sấy phễu lọc và bá trong tủ sấy ở nhiệt độ 103 + 2 0C cho đến khối lượng không đổi

Công thức xác định:

Hàm lượng các chất chiết xuất trong dung dịch NaOH 1% được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

G : khối lượng mẫu khô kiệt trước khi chiết xuất

G1 : khối lượng mẫu khô kiệt sau khi chiết xuất

3.2.6 Xác định hàm lượng Lignin (TC: T-13 os-54)

Người ta thường xác định hàm lượng Lignin theo phương pháp trực tiếp, sau khi nguyên liệu đã loại các chất chiết xuất và polysaccarit bằng phương pháp thuỷ phân acid Có rất nhiều phương pháp xác định hàm lượng Lignin, một trong nhiều phương pháp thông dụng, đơn giản nhất là xác định hàm lượng lignin bằng acid H2SO4 nồng độ 72%

Dụng cụ và hoá chất thí nghiệm

- Bình tam giác

Nội dung phương pháp

Cân 1g mẫu có độ chính xác 10-4g, cho mẫu vào bình tam giác dung tích

250 ml, đổ vào bình chứa mẫu 15ml acid H2SO4 nồng độ 72% (có khối lượng riêng 1,64 g/ml) Dùng đũa thuỷ tinh khuấy đều dung dịch và mẫu trong thời gian 2,5-3h Sau đó hỗn hợp lignin và ạcid được đổ sang bình tam giác 500ml, rửa bình tam giác nhỏ bằng 200ml nước cất, nước rửa được đổ vào bình chứa dung dịch acid và lignin Lắp bình tam giác vào hệ thống ngưng lạnh, rồi đặt lên bếp điện đun Đun sôi nhẹ dung dịch trong 1h (khi giọt nước đầu tiên chảy thì bắt đầu tính thời gian) Đưa ra khỏi bếp làm nguội sau đó đổ lignin và dung dịch acid vào phễu lọc màng xốp, rửa bằng nước cất nóng (trong quá trình có sự trợ giúp của bơm hút chân không), lọc đến khi đến môi trường trung tính là được Đưa vào sấy ở nhiệt độ 103 + 2 0C cho tới khối lượng không đổi

Công thức xác định:

Hàm lượng lignin được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

m : khối lượng của phễu lọc

g :khối lượng mẫu khô tuyệt đối

KCX: Hệ số chiết xuất

3.2.7 Xác định hàm lượng cellulose (TC: T-210 os-70)

Có rất nhiều phương pháp xác định hàm lượng cellulose, trong đó phương pháp đơn giản và chính xác hơn cả là phương pháp xác định hàm lượng cellulose bằng hỗn hợp dung dịch acid HNO3 và dung dịch C2H5OH, hoà dung dịch theo tỷ lệ 1:4 Phương pháp Kiursher- Hofft

Pha dung dịch acid HNO3 và C2H5OH theo tỷ lệ 1:4

Nội dung phương pháp

Cân 1g mẫu có độ chính xác 10-4

g, cho vào bình tam giác có dung tích 250ml, cho thêm vào 25ml hỗn hợp dung dịch acid HNO3 và C2H5OH (pha theo tỷ lệ 1:4), đặt bình vào nồi nước(lượng nước trong nồi phải nhiều hơn lượng dung dịch trong bình tam giác), đưa lên bếp lắp vào hệ thống ngưng lạnh, đun trong 1h (khi giọt nước đầu tiên chảy thì bắt đầu tính thời gian) Cứ

1h lấy bình ra và đổ dung dịch vào phễu lọc sao cho lượng mẫu rơi vào phễu lọc màng xốp là ít nhất Sau đó lại đổ tiếp 25ml hỗn hợp dung dịch acid HNO3 và C2H5OH vào bình tam giác, và đưa lên bếp, lắp vào hệ thống ngưng lạnh, đun trong 1h Cứ tiếp tục làm như vậy trong 3-4 lần Sau đó đổ mẫu ra phễu lọc màng xốp, lọc bằng nước cất nóng cho đến môi trường trung tính Đem sấy mẫu và phễu lọc trong tủ sấy, ở nhiệt độ 103 + 2 o

C, đến khi khối lượng không đổi thì dừng lại

Công thức xác định:

Hàm lượng cellulose được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

m1: khối lượng phễu lọc và mẫu sấy đến khối lượng không đổi

m: khối lượng của phễu lọc

g: khối lượng mẫu khô tuyệt đối

Để tính toán chính xác hàm lượng cenlulose tinh khiết thường phải tính đến lượng pentozen còn sót lại trong cenlulose Vì vậy hàm lượng cenlulose thường được nhân thêm với hệ số chuyển đổi:

Được xác định theo công thức sau:

K=(100-P)/100 Trong đó :

P : Hàm lượng pentozen còn sót lại trong cellulose

3.2.8 Xác định hàm lượng Nitơ: TCVN 5255:2009

Dụng cụ và hoá chất

Dung dịch H2SO4 0,1 N dùng để chuẩn độ với dung dịch thu được

Nội dung phương pháp xác định hàm lượng Nitơ tổng

Cân 1-2 g mẫu đã nghiền nhỏ cho vào bình Kiedalia, thể tích từ 50-100

ml, cho vào bình 100 ml dung dịch H2SO4 đậm đặc, 1ml HCl (60%), 0,2 g ZnSO4 Hỗn hợp được ổn định trong điều kiện nhiệt độ thường ít nhất 30 phút, sau đó đóng nắp bình, đun nóng bình trong tủ hút, nhiệt độ được làm nóng lên dần dần (không để dung dịch quá sôi) Sau 2-3 h dung dịch được làm nguội và cho thêm vào dung dịch một vài giọt HCl và tiếp tục được làm nóng Quá trình làm nóng cứ được tiếp tục như vậy cho đến khi dung dịch trong bình có màu xanh nhạt hoặc không có màu Dung dịch được làm nguội và đổ sang bình định mức thể tích 100 ml, thêm nước tinh khiết vào đến vạch định mức và lắc đều Dùng pipét lấy 10 ml dung dịch trong bình định mức cho vào bình chưng, trong bộ thiết bị chưng Kiedalia Rửa pipét bằng nước lạnh một vài lần với thể tích nước rửa là 10 ml, thêm vào bình chưng ba giọt chất chỉ thị màu và 10 ml nước tinh khiết, thêm vào dung dịch thu được 5,5 ml dung

dịch NaOH (40%) Bình chứa dung dịch đƣợc nối với hệ thống hoá hơi Trong bình thu dung dịch, đổ 25 ml dung dich HBO3 và 4 giọt chất chỉ thị màu GROAK, chƣng cất hỗn hợp cho đến khi thu đƣợc toàn bộ dung dịch

NH3 (thể tích chƣng thu đƣợc không quá 75 ml) Dung dịch thu đƣợc trong bình đem chuẩn độ với dung dich H2SO4 0,1N cho đến khi đổi màu từ màu xanh sang màu đỏ tím