Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của bột xenlulozơ từ rơm rạ cho sản xuất xenlulozơ tan

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ECF Elementally chlorine free Công nghệ tẩy trắng bột giấy không sử dụng clo nguyên tố TCF Totally chlorine free Công nghệ tẩy trắng bột giấy không sử dụ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan trong quá trình thực hiện Luận văn, các thực nghiệm đƣợc tiến hành một cách nghiêm túc, tất cả các số liệu thực nghiệm thu đƣợc là hoàn toàn trung thực, không có sự sao chép từ bất kỳ tài liệu khoa học nào

Tác giả

Nguyễn Đức Hạnh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lê Quang Diễn, người đã chỉ bảo, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt Luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ, giúp đỡ về mọi mặt của các Thầy, Cô giáo, các cán bộ của Viện Kỹ thuật Hoá học, Viện Đào tạo sau đại học, các Phòng ban chức năng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cám ơn sự giúp đỡ của Ban Giám hiệu, Khoa công nghệ sản xuất bột giấy và giấy, Trường Cao đẳng nghề Công nghệ giấy và Cơ điện, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã chia sẻ những khó khăn và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành chương trình học tập của mình

Hà Nội, tháng 8 năm2015

Nguyễn Đức Hạnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Khái quát về công nghệ tẩy trắng bột xenlulozơ [3] 3

1.1.1 Các quy luật cơ bản của quá trình tẩy trắng 3

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tẩy trắng và chất lượng của bột 9

1.1.3 Các giai đoạn của quá trình tẩy trắng 10

1.2 Tẩy trắng bằng dioxit clo 11

1.2 1 Cơ chế hóa học của phương pháp tẩy trắng bằng dioxit clo 12

1.2.2 Các điều kiện và thông số kỹ thuật của quá trình tẩy trắng bột bằng dioxit clo 14

1.2.3 Công đoạn kiềm hóa 19

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Vật liệu 24

2.1.1 Bột xenlulozơ 24

2.1.2 Hóa chất 24

2.2 Phương pháp điều chế dioxit clo cho tẩy trắng 24

2.3 Phương pháp tẩy trắng bột xenlulozơ theo sơ đồ Do-EP-D1 25

2.4 Phương làm giàu xenlulozơ cho chế biến hóa học bằng hydroxit natri 25

2.5 Phương pháp xác định hàm lượng alpha-xenlulozơ trong bột chưa tẩy trắng 26

2.6 Phương pháp xác định hàm lượng alpha-xenlulozơ trong bột tẩy trắng 27

2.7 Phương pháp xác định hàm lượng alpha-xenlulozơ trong bột đã tinh chế 27

2.8 Phương pháp xác định độ nhớt của bột xenlulozơ 27

2.9 Phương pháp xác định hiệu suất bột 28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29

3.1 Phân tích tính chất của bột xenlulozơ chưa tẩy trắng từ rơm rạ 29

3.2 Xây dựng các phương pháp nâng cao chất lượng xenlulozơ từ rơm rạ 29

3.3 Nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ tẩy trắng xenlulozơ bằng dioxit clo 30

3.3.1 Ảnh hưởng của mức dùng dioxit clo đến tính chất của bột xenlulozơ tẩy trắng 30 3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian tẩy tới tính chất của bột 34

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tính chất của bột xenlulozơ tẩy trắng 37

3.4 Nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ làm giàu xenlulozơ 40

3.4.1 Ảnh hưởng của mức dùng kiềm đến tính chất của bột xenlulozơ 40

3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất của bột xenlulozơ 42

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 48

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

ECF Elementally chlorine free

Công nghệ tẩy trắng bột giấy không sử dụng clo nguyên tố

TCF Totally chlorine free

Công nghệ tẩy trắng bột giấy không sử dụng clo và các hợp chất của nó

O Oxygen-alkali deligninfication stage

Công đoạn tách loại lignin bằng oxi trong môi trường kiềm (xư lý kiềm)

Công đoạn tẩy trắng bằng natri hypoclorit

Công đoạn tẩy trắng bằng dioxit clo

Dh High temperature Chlorine dioxide stage,

Công đoạn tẩy trắng bằng dioxit clo ở nhiệt độ cao

DN Chlorine dioxide stage followed by neutralization,

Công đoạn tẩy trắng bằng dioxit clo trong môi trường trung tính

Công đoạn trích ly kiềm

(EO) Alkaline extraction reinforced with oxygen,

Công đoạn trích ly kiềm tăng cường oxi

(EOP) Alkaline extraction reinforced with oxygen and hydrogen peroxide,

Công đoạn trích ly kiềm tăng cường oxi và hydropeoxit

(EP) Alkaline extraction reinforced with hydrogen peroxide,

Công đoạn trích ly kiềm tăng cường hydropeoxit

(OP) Pressurised stage using H2O2 with O2 (low peroxide charge),

Xử lý oxi-kiềm tăng cường hydropeoxit

Tẩy trắng bằng ozon (O3)

AOX Absorbable organic halides,

Hợp chất halogen hữu cơ hấp thụ

ISO International Organization for Stadardization

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các ký hiệu quy ước của các công đoạn tẩy trắng bột giấy 3

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của hệ số Kappa (KF) tới chỉ số AOX 6

Bảng 1.3 Khối lượng clo hoạt tính của một số chất tẩy 7

Bảng 1.4 Đương lượng oxi hóa của một số chất tẩy 7

Bảng 1.5 Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình tẩy trắng bột giấy bằng dioxit clo 15 Bảng 1.6 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ trắng của bột khi tẩy trắng bằng dioxit clo 16 Bảng 3.1.Tính chất của bột xenlulozơ sunfat tiền thủy phân chưa tẩy trắng từ rơm rạ 29

Bảng 3.2 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ nhất 31

Bảng 3.3 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 2 31

Bảng 3.4 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 3 31

Bảng 3.5 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 4 32

Bảng 3.6 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 5 32

Bảng 3.7 Tính chất của bột xenlulozơ tẩy trắng với mức sử dụng dioxit clo khá nhau 32

Bảng 3.8 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 6 34

Bảng 3.9 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 7 35

Bảng 3.10 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 8 35

Bảng 3.11 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 9 35

Bảng 3.12 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 10 36

Bảng 3.13 Tính chất của bột xenlulozơ tẩy trắng với thời gian tẩy trắng khác nhau 36

Bảng 3.14 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 11 38

Bảng 3.15 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 12 38

Bảng 3.16 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 13 38

Bảng 3.17 Chế độ công nghệ tẩy trắng thứ 14 38

Bảng 3.18 Tính chất của bột xenlulozơ tẩy trắng với nhiệt độ tẩy trắng khác nhau 39

Bảng 3.19 Ảnh hưởng của mức dùng kiềm đến quá trình tinh chế xenluloza 41

Bảng 3.20 Ảnh hưởng của nhiệt độ tinh chế đến tính chất của bột giấy 42

Bảng 3.21 Ảnh hưởng của thời gian tinh chế đến tính chất của bột giấy 43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Độ trắng của bột sunfat gỗ cứng sau tẩy theo chu trình D(EO) và D(EO)D 9

Hình 1.2 Cơ chế phản ứng ôxi hóa lignin bằng dioxit clo 13

Hình 1.3 Cơ chế phản ứng ôxi hóa các cấu trúc không chứa nhóm OH-phenol của lignin dưới tác dụng của dioxit clo 14

Hình 1.4 Cơ chế các phản ứng tạo thành và phân hủy các chất chứa clo 14

Hình 1.5 Sơ đồ các công đoạn tẩy trắng bằng dioxit clo; 15

Hình 1.6 Sơ đồ tạo thành các nhóm “cản” trong quá trình tách loại lignin bằng clo 20

Hình 1.7 Các phản ứng kìm hãm hoạt động của các nhóm “cản” diễn ra trong quá trình kiềm hóa 20

Hình 1.8 Sơ đồ phân hủy và hòa tan polisaccarit dưới tác dụng của kiềm 21

Hình 3.1 Ảnh hưởng của mức dùng clo hoạt tính tới độ trắng và hiệu suất của bột tẩy trắng 33

Hình 3.2 Ảnh hưởng của mức dùng clo hoạt tính tới độ nhớt của bột tẩy trắng 34

Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian xử lý giai đoạn D0 đến độ trắng và hiệu suất của bột tẩy trắng 37

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian tẩy giai đoạn D0 tới độ nhớt của bột tẩy trắng 37 Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến độ trắng và hiệu suất của bột tẩy trắng 39

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt của bột tẩy trắng 40

Hình 3.7 Ảnh hưởng của mức dùng kiềm đến tính chất của bột xenlulozơ 41

Hình 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất của bột xenlulozơ 43

Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian tới tính chất của bột xenlulozơ 44

MỞ ĐẦU

Rơm rạ là nguồn sinh khối lignoxenlulozơ tiềm năng ở nước ta, với diện tích trồng lúa khoảng trên 7 triệu hecta của cả nước Hàng năm có khoảng trên 50 triệu tấn rơm rạ là nguồn phế thải nông nghiệp, có giá trị nhưng hiện nay chưa được khai thác, tận dụng hiệu quả Ở nước ta hiện nay rơm rạ chủ yếu được sử dụng làm thức

ăn cho gia súc, chất đốt và làm phân bón, gây lãng phí và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Những năm gần đây, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, rơm rạ ngày càng thu hút được nhiều nghiên cứu với mục đích sử dụng làm nguyên liệu cho chế biến các sản phầm hữu ích, như bột giấy, ván nhân tạo, vật liệu cách

âm, cách nhiệt, etanol sinh học, …, nhằm khai thác tối đa tiềm năng, tận dụng hiệu quả nguồn nguyên liệu rơm rạ Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào áp dụng công nghệ hiện đại, chế biến sinh hóa học Một trong những hướng có triển vọng là nghiên cứu công nghệ thu nhận xenlulozơ tan, chất cơ sở cho sản xuất các dạng vật liệu và hóa chất khác nhau

Như chúng ta đã biết, xenlulozơ từ rơm rạ có thể thu nhận theo các phương pháp hóa học phổ biến như nấu sunfit hay nấu sunfat, trong đó nấu sunfat tiền thủy phân kết hợp với tẩy trắng và tinh chế (làm giàu) xenlulozơ là công nghệ hiện đại sản xuất xenlulozơ tan từ gỗ, đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới Phương pháp nấu sunfat tiền thủy phân đã được nghiên cứu áp dụng thành công đối với rơm rạ để thu nhận xenlulozơ [4], nhưng để có thể sử dụng cho sản xuất xenlulozơ tan, cần phải nghiên cứu nâng cao chất lượng xenlulozơ

Trước những yêu cầu đó được sự hướng dẫn của TS Lê Quang Diễn tôi tiến

hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của bột xenlulozơ từ

rơm rạ cho sản xuất xenlulozơ tan” Mục tiêu của đề tài là thiết lập được chế độ

công nghệ tẩy trắng và làm giàu bột xenlulozơ từ rơm rạ, để sử dụng cho chế tạo

xenlulozơ tan

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Xác định tính chất của bột xenlulozơ chưa tẩy trắng thu nhận từ rơm rạ theo

phương pháp nấu sunfat tiền thủy phân;

- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ quá trình tẩy trắng bằng dioxit

clo tới tính chất của bột xenlulozơ tẩy trắng;

- Nghiên cứu làm giàu xenlulozơ bằng phương pháp xử lý kiềm

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho xây dựng quy trình công nghệ sản

xuất xenlulozơ tan từ rơm rạ, là tài liệu tham khảo bổ sung cho lĩnh vực hóa học và

công nghệ sản xuất xenlulozơ từ nguyên liệu phi gỗ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về công nghệ tẩy trắng bột xenlulozơ [3]

1.1.1 Các quy luật cơ bản của quá trình tẩy trắng

Quá trình tẩy trắng bột xenlulozơ nói chung là một quá trình phức tạp nhiều công đoạn, sử dụng một số lượng lớn hóa chất, nước và hơi nước, đồng thời cũng

thải ra một lượng nước thải khá lớn, thông thường có độc tố cao và xử lý phức tạp

Một công đoạn của quá trình tẩy trắng được hiểu là một lần xử lý bột, trong một hệ thống thiết bị, với quy trình công nghệ riêng và đặc thù, khác biệt so với những lần xử lý khác, trong đó tính chất của bột được thay đổi từ độ trắng thấp hơn tới độ trắng cao hơn Để biểu thị các công đoạn tẩy trắng bằng các chất tẩy tương ứng người ta sử dụng rộng rãi các ký hiệu được trình bày trong bảng sau (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các ký hiệu quy ước của các công đoạn tẩy trắng bột giấy

sử dụng

Ký hiệu

Kiềm hóa oxi hóa tăng cường oxi và hydro

peoxit

NaOH + O2 + H2O2 EOP

Tẩy trắng bằng hydro peoxit ở nhiệt độ cao H2O2 + NaOH Pht

Ở quy mô công nghiệp, tẩy trắng được tiến hành trong các tháp tẩy có cấu tạo khác nhau, tùy theo mục tiêu của từng công đoạn Nhìn chung, trình tự tiến hành các công đoạn trong một chu trình tẩy trắng tương tự nhau

Sự lựa chọn hệ thống thiết bị là một bài toán khó và được giải quyết trên cơ sở quy trình công nghệ và mục tiêu về độ trắng của bột Công nghệ hiện đại tẩy trắng bột hóa hiện nay thường thực hiện ở nồng độ trung bình, được thống nhất là nồng

độ 9-13%, chỉ duy nhất tẩy trắng bằng clo là còn áp dụng với nồng độ bột thấp 5%) Nồng độ cao được hiểu là nồng độ >20%, có thể lến tới 35-40% (như trường

(3-hợp tẩy trắng bằng ozon)

Một chu trình tẩy trắng được hiểu là một trình tự các công đoạn liên tục kế tiếp nhau, được sắp xếp theo một thứ tự nhất định, với hệ thống thiết bị liên hợp và quy trình công nghệ thích hợp, đảm bảo đạt được mục tiêu của quá trình tẩy trắng Các chu trình tẩy trắng hiện đại bao gồm nhiều công đoạn, có rửa bột giữa các công đoạn, sử dụng đồng thời nhiều hóa chất và áp dụng đồng thời các điều kiện công nghệ khác nhau Về nguyên tắc, có thể tẩy trắng bột hóa hay bột hiệu suất cao bằng một công đoạn, nhưng trong trường hợp đó mức tiêu hao hóa chất tẩy sẽ rất lớn và không thể đạt được độ trắng tối đa Sự cần thiết phải áp dụng chu trình tẩy trắng nhiều công đoạn chủ yếu liên quan đến đặc điểm hóa-lý học của quá trình tẩy

Để phân hủy triệt để các thành phần phi xơ sợi trong bột (lignin chẳng hạn), cần phải sử dụng các hóa chất tẩy có tính chất hóa học khác nhau, mà điều kiện phản ứng tối ưu của chúng với lignin thông thường lại rất khác nhau, vì vậy nếu sử dụng kết hợp sẽ ít hoặc không có hiệu quả Bên cạnh đó, các sản phẩm phân hủy lignin, là những hợp chất hóa học hoặc không tan hoặc ít tan trong nước, tốc độ khuếch tán chậm, chúng sẽ hoặc là cản trở phản ứng của các hóa chất tẩy với lignin hoặc sẽ trực tiếp phản ứng với hóa chất tẩy, hậu quả là làm giảm tốc độ phản ứng và/hoặc tăng tiêu hao hóa chất tẩy, vì vậy sau một thời gian xử lý nhất định, cần tiến hành

xử lý bột bằng nước (tức rửa) hoặc dung dịch kiềm, rồi tiếp tục tẩy để nâng cao hiệu quả của quá trình Mặt khác, về mặt mặt công nghệ và thiết bị, tẩy trắng bột được tiến hành ở nồng độ cao, trong các tháp tẩy với năng suất lớn, hoạt động liên tục,

không có cơ cấu khuấy trộn bột, thời gian tẩy trắng để đạt độ trắng cần thiết thường kéo dài, mà kích thước của thiết bị hạn chế, vì vậy cần chia quá trình tẩy trắng thành nhiều công đoạn, mỗi công đoạn tiến hành trong một thiết bị

Về thực chất diễn biến của các quá trình, tẩy trắng được xem như là sự tiếp tục của quá trình nấu Sự khác biệt cơ bản được thể hiện ở chỗ tách loại lignin được tiến hành trong điều kiện ôn hòa hơn, so với khi nấu và sử dụng các chất tẩy có tính chọn lọc khác nhau Tuy nhiên, công nghệ hiện đại sản xuất bột sunfat đều áp dụng công đoạn tách loại lignin bằng oxi, vì vậy sự khác biệt giữa quá trình tẩy trắng với công đoạn này là không lớn lắm Do đó, sự phân biệt giữa tách loại lignin bằng oxi với tẩy trắng cũng chỉ mang tính tương đối

Tính chọn lọc của chất tẩy được hiểu là khả năng của nó chỉ tập trung tác dụng vào các thành phần cần tách bỏ hoặc biến đổi của bột giấy, mà không hoặc ít gây ảnh hưởng (tác dụng phụ) tới thành phần là xơ sợi (cacbohydrat) Như đã nêu trên, thành phần cần tách loại trong bột là lignin và một số tạp chất khác Thực tế cho thấy, chỉ cần tách loại hết lignin cũng đủ để đạt độ trắng cần thiết cho bột, song chất lượng của bột sẽ cao hơn nếu khi tẩy có thể loại bỏ được cả các chất tannit và các chất mang màu khác

Tùy thuộc vào dạng chất tẩy được sử dụng, mà các phương pháp (công nghệ) tẩy trắng được phân chia như sau:

- Công nghệ tẩy tắng sử dụng clo nguyên tố và các muối hypoclorit;

- Công nghệ tẩy trắng không sử dụng clo nguyên tố (ECF);

- Công nghệ tẩy trắng không sử dụng clo và các hợp chất của clo (TCF) Trên cơ sở đó, hiện nay có 04 dạng chu trình (sơ đồ) tẩy trắng đang được áp dụng:

- Các chu trình tẩy trắng sử dụng clo nguyên tố ở công đoạn đầu tiên;

- Các chu trình tẩy trắng chỉ sử dụng chất tẩy là dioxit clo (ECF);

- Các chu trình tẩy trắng sử dụng ClO2 và H2O2 với mức dùng tối ưu (mild ECF);

Các chu trình TCF

Tính hợp lý của sơ đồ tẩy trắng trước hết được đánh giá bằng hiệu quả kinh tế

và môi trường của quá trình tẩy trắng Sơ đồ TCF là sơ đồ tẩy trắng có chi phí cao, giá thành của bột sản xuất theo công nghệ này thông thường cao hơn 30-50$ so với

sơ đồ ECF

Hiệu quả môi trường của các chu trình tẩy trắng sử dụng clo và các hợp chất của clo được đánh giá bằng chỉ số AOX (halogen hữu cơ hấp phụ, phản ánh lượng các hợp chất clo tạo thành trong quá trình tẩy trắng Tính tương đối, chỉ số AOX (kg/tấn bột) có thể tính theo công thức thực nghiệm Hermgard sau:

(0,07 0,1).  2  5 

D H C AOX

trong đó:

C - mức tiêu hao clo nguyên tố (kg/tấn, tính theo đơn vị clo hoạt tính);

H - mức tiêu hao muối hypoclorit (kg/tấn, tính theo đơn vị clo hoạt tính);

D - mức tiêu hao dioxit clo (kg/tấn, tính theo đơn vị clo hoạt tính)

Ở đại đa số các nước có nền công nghiệp giấy phát triển, người ta quy định giới hạn chỉ số AOX trong khoảng 0,25-0,50 kg/tấn

Đồng thời, các chu trình tẩy trắng còn được đánh giá bởi hệ số Kappa (KF), là

tỉ lệ giữa mức dùng chất tẩy (tính theo đơn vị clo hoạt tính hoặc OXE) và trị số Kappa (K) của bột mang tẩy, được tính theo công thức sau:

KF = G/K, Trong đó: G - mức dùng chất tẩy (% so với bột khô tuyệt đối);

Chỉ số thứ hai để đánh giá mức độ thân thiện môi trường của sơ đồ tẩy trắng,

là nhu cầu oxi hóa học (COD) của nước thải của nhà máy COD của các sơ đồ tẩy trắng tiên tiến thường vào khoảng 30-40 kg/tấn bột Giải pháp hiệu quả nhất để

giảm COD là áp dụng công đoạn tách loại lignin bằng oxi trong môi trường kiềm và tái sử dụng hợp lý nước thải của quá trình tẩy

Khi tẩy trắng nhiều công đoạn với các chất tẩy khác nhau trong mỗi công đoạn Để xác định mức dùng chung của các chất tẩy trên một đơn vị khối lượng bột, trên mỗi đơn vị Kappa, cần sử dụng một đơn vị chung của chất tẩy Khi tẩy trắng chỉ sử dụng chất tẩy là clo và các hợp chất của clo, đơn vị chung là đơn vị clo hoạt tính Hệ số chuyển đổi từ các chất tẩy trong trường hợp này được xác định theo đương lượng oxi hóa của chúng (Bảng 1.3)

Bảng 1.3 Khối lượng clo hoạt tính của một số chất tẩy

Trong các chu trình tẩy trắng hiện đại, ngoài các chất tẩy là clo và các hợp chất clo ra còn có các chất tẩy khác như hydro peoxit, ozon, oxi, …, đơn vị chất tẩy trong các trường hợp này là đương lượng oxi hóa (OXE), là khối lượng của một chất cho 1 mol điện tử khi bị khử, thực chất là số đương lượng oxi hóa trong 1 kg chất oxi hóa (Bảng 1.4) Trong cột cuối cùng là số đương lượng oxi hóa chất tẩy trong 1 kg so với số đương lượng oxi hóa của clo trong 1 kg clo

Bảng 1.4 Đương lượng oxi hóa của một số chất tẩy

Như đã nêu trên, quá trình tẩy trắng là một chu trình nhiều công đoạn Tùy thuộc vào loại bột và mục tiêu, ở mỗi một công đoạn người ta có thể sử dụng một hoặc nhiều chất tẩy khác nhau Lý do chính phải tiến hành nhiều công đoạn, là vì thông thường độ trắng tối đa của bột chỉ đạt được khi sử dụng nhiều chất tẩy khác nhau, mà điều kiện tác dụng của chúng đối với các thành phần cần tẩy bỏ hoặc cần biến tính của bột lại tương đối khác nhau Vì vậy cần phải chia ra nhiều công đoạn Công đoạn đầu tiên của chu trình tẩy trắng được xem là công đoạn tách loại lignin, bởi lượng lignin còn lại trong bột chủ yếu được tách loại trong công đoạn này Trong công đoạn này, độ trắng của bột có thay đổi, nhưng chưa nhiều

Sau công đoạn tách loại lignin là các công đoạn tăng trắng (tăng độ trắng) tiếp theo bằng dioxit clo hoặc các chất tẩy khác chứa clo hoặc oxi Mặc dù về bản chất không có sự khác biệt nhiều, song mức độ tách loại lignin ở các công đoạn sau thấp hơn và độ trắng của bột thay đổi rõ rệt sau mỗi công đoạn còn lại này Các công nghệ tẩy trắng hiện đại ngày càng ứng dụng rộng rãi là các chất tẩy là oxi, hydro peoxit, ozon, peraxit, còn hypoclorit thì bị loại bỏ hoàn hoàn

Thông thường, bột được rửa (bằng nước hoặc bằng dung dịch NaOH) và vắt nước sau mỗi công đoạn tẩy trắng, nhằm tách bỏ các sản phẩm phản ứng, điều chỉnh lại điều kiện tiến hành cho công đoạn kế tiếp và nâng cao hiệu quả tẩy trắng

Việc áp dụng một sơ đồ công nghệ tẩy trắng, hoặc sử dụng các chất tẩy nào đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: dạng bột (bột sunfat, bột xút hay bột sunfit, chúng được sản xuất từ nguyên liệu nào), chất lượng ban đầu của bột, độ trắng cần thiết phải đạt, trang thiết bị sẳn có và giá cả của các hóa chất

Độ trắng cuối cùng của bột tẩy trắng được tăng dần theo từng công đoạn thẩy trắng, có hạn mức và thông thường không bao giờ thỏa mãn yêu cầu đối với nhà máy sản xuất bột tẩy trắng Do đó, trong đại đa số trường hợp, một chu trình tẩy trắng bao gồm 3-5 công đoạn Độ trắng tối đa có thể đạt được gọi là “trần” độ trắng

và phụ thuộc vào nguyên liệu gỗ, phương pháp nấu bột, chu trình tẩy trắng và các điều kiện công nghệ

Mức dùng hoá chất tẩy trong một công đoạn thường dựa trên mục tiêu đạt độ trắng dưới trần vì mục đích kinh tế Nếu để đạt trần độ trắng cao hơn mà phải cần thêm công đoạn, thì sẽ phải nghĩ đến giải pháp sử dụng hóa chất tẩy mới hoặc là thay đổi chế độ công nghệ

Ngoài ra, như đã trình bày trên, vai trò của các công đoạn rửa bột giữa các công đoạn tẩy cũng rất quan trọng Chẳng hạn, với một mức dùng dioxit clo, sẽ trở nên hiệu quả hơn, nếu mức dùng này được chia nhỏ, từ một lên hai công đoạn với công đoạn kiềm hóa ở giữa Sự kết hợp của các công đoạn nhỏ có tính axit và kiềm

có ảnh hưởng tích cực tới hiệu quả tẩy trắng, cho độ trắng của bột cao hơn với cùng một mức tiêu hao hóa chất Hình 1.1 minh họa sự thay đổi độ trắng của bột sunfat

gỗ cứng có trị số Kappa ban đầu là 12 đv, theo sơ đồ tẩy trắng một công đoạn kết hợp kiềm hóa và hai công đoạn kết hợp kiềm hóa

Hình 1.1 Độ trắng của bột sunfat gỗ cứng sau tẩy theo chu trình D(EO)

và D(EO)D

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tẩy trắng và chất lượng của bột

Khi sử dụng bất kỳ chất tẩy nào cũng cần phải tuân thủ các điều kiện tối ưu nhằm thúc đẩy các phản ứng của chất tẩy với lignin và các tạp chất khác, đồng thời giảm được các phản ứng phá hủy của chất tẩy đó đối với phần cacbohydrat

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của bột tẩy trắng bao gồm:

- Quy cách chất lượng của bột chưa tẩy;

- Thời gian xử lý của các công đoạn tẩy;

- Bản chất và nồng độ chất tẩy;

- Nhiệt độ của quá trình;

- Nồng độ huyền phù bột;

- pH môi trường tẩy;

- Phương thức và mức độ trộn khuấy bột với các chất tẩy;

- Phương pháp và mức độ rửa bột sau mỗi công đọan;

- Chất lượng nước sử dụng

Trong số các yếu tố trên thì pH là yếu tố quan trọng nhất khi sử dụng hầu hết các loại chất tẩy khác nhau Yếu tố quan trọng nữa là chất lượng bột ban đầu, bởi chính những tính chất của xenluloza trong bột ban đầu quyết định đến khả năng phản ứng và trạng thái của nó trong quá trình tẩy

1.1.3 Các giai đoạn của quá trình tẩy trắng

Tẩy trắng là một quá trình nhiều giai đoạn Tùy thuộc vào loại bột và mục đích tẩy trắng, ở mỗi giai đoạn người ta có thể sử dụng một hoặc nhiều chất tẩy khác nhau Sở dĩ như vậy là vì thông thường độ trắng tối đa của bột chỉ đạt được khi sử dụng nhiều chất tẩy khác nhau, mà điều kiện tác dụng của chúng đối với các thành phần cần tẩy bỏ hoặc cần biến tính của bột lại tương đối khác nhau Vì vậy điều kiện tiến hành quá trình của mỗi công đoạn cũng rất khác nhau

Về nguyên tắc, công đoạn đầu tiên của chu trình tẩy trắng, là công đoạn tách loại lignin, tức là lượng lignin còn lại trong bột chủ yếu được tách loại trong công đoạn này Hiện nay tại một số nhà máy clo phân tử vẫn được sử dụng làm chất tách loại lignin Công nghệ tẩy trắng bột giấy tiên tiến đang phát triển theo xu hướng giảm sử dụng chất tẩy là clo phân tử và hướng tới hoàn toàn không sử dụng clo phân tử làm chất tẩy Bước đầu trong tiến trình giảm sử dụng clo phân tử là việc thay thế bằng dioxit clo, hay tiên tiến hơn là sử dụng ôxi, đó là áp dụng công nghệ

xử lý ôxi-kiềm Đối với một số loại bột có thể sử dụng hydro peroxit và ozon

Sau công đoạn tách loại lignin là các công đoạn tẩy trắng (tăng độ trắng) tiếp theo bằng dioxit clo và các chất tẩy chứa ôxi khác Trong các công nghệ hiện đại, ôxi, hydroperoxit và ozon ngày càng được ứng dụng rộng rãi là các chất tẩy trắng sau công đoạn tách loại lignin Nhiều nơi người ta sử dụng các peraxit, còn hypoclorit và clo phân tử thì gần như bị loại bỏ hoàn hoàn

Thông thường, bột được rửa (bằng nước hoặc bằng dung dịch NaOH) và vắt nước sau mỗi công đoạn tẩy trắng nhằm tách bỏ các sản phẩm phản ứng, điều chỉnh điều kiện tiến hành quá trình cho công đoạn kế tiếp và nâng cao hiệu quả tẩy trắng Việc ứng dụng một sơ đồ công nghệ tẩy trắng, hoặc sử dụng các chất tẩy nào

đó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: loại bột (bột sunphat hay sunphit, được sản xuất từ nguyên liệu nào), chất lượng ban đầu của bột, độ trắng cần thiết, trang thiết bị sẳn

có và giá thành các hóa chất

1.2 Tẩy trắng bằng dioxit clo

Dioxit clo được sử dụng rộng rãi để tẩy trắng bột xenluloza, đặc biệt là bột

sunfat Độ trắng của bột sau tẩy có thể đạt 87-90% ISO

Tẩy trắng bằng dioxit clo được phát triển nhanh do một số nguyên nhân sau:

- Nhu cầu ngày một tăng về thay thế clo trong các sơ đồ tẩy trắng truyền thống

bằng một chất tẩy hiệu quả và ít ảnh hưởng đến môi trường hơn;

- Dioxit clo có khả năng tẩy trắng hầu như tất cả các loại bán thành phẩm xơ sợi tới độ trắng cao mà không làm thay đổi đáng kể độ bền cơ học của chúng;

- Những năm gần đây hàng loạt các phương pháp điều chế dioxit clo có hiệu

quả kinh tế cao đã ra đời cho phép phương pháp tẩy tắng bằng dioxit clo chiếm ưu

thế so với tẩy trắng bằng hypoclorit;

- Lượng các hợp chất hữu cơ chứa clo tạo thành khi tẩy trắng bột bằng dioxit không lớn và mức độ độc hại của chúng cũng thấp hơn;

- Dioxit clo có thể được dùng làm chất tẩy độc lập của một công đoạn tẩy

riêng biệt, dùng kết hợp với clo hoặc được sử dụng trong các công đoạn kết thúc nhằm nâng cao độ trắng của bột Việc sử dụng dioxit clo làm chất tách loại lignin có thể làm giảm hàm lượng các chất nhựa trong bột sau tẩy, đặc biệt là khi tẩy trắng

bột gỗ cứng, đảm bảo bột có độ trắng và hiệu suất cao

- Hiện nay dioxit clo là chất tẩy chứa clo có tính chọn lọc cao nhất và ảnh hưởng của nó đối với xenluloza là thấp nhất

- Dioxit clo là một chất ôxi hóa mạnh Điện thế ôxi hóa-khử của nó ít bị thay

đổi trong một phạm vi trị số pH tương đối rộng Tính chất này cho phép tiến hành tẩy trắng bằng dioxit không những trong môi trường kiềm, mà cả trong môi trường axit (pH =3-6), tương ứng với dung dịch dioxit clo tự nhiên Nhiệt độ tẩy trắng có thể tăng lên tới 80-90 oC mà không gây ảnh hưởng đến tính chất của bột, điều này ảnh hưởng tốt đến độ trắng của bột và giảm thời gian tẩy

1.2 1 Cơ chế hóa học của phương pháp tẩy trắng bằng dioxit clo

Cơ chế hóa học của các phản ứng tách loại lignin và tẩy trắng bằng dioxit clo đến nay còn chưa được nghiên cứu đầy đủ

Dioxit clo là chất electrophin, phản ứng rất nhanh với các cấu trúc chứa nhóm hydroxin phenol tự do, song lại phản ứng chậm với các hợp chất no mạch thẳng Vì vậy, tác động của ClO2 lên xenluloza đã bị ôxi hóa trước đó, chẳng hạn sau khi bột qua xử lý ôxi-kiềm, là rất yếu Tính ôxi hóa mạnh của dioxit clo được tạo ra nhờ phân tử kém bền vững và sự có mặt của ion clo với hóa trị +4

Về mặt lý thuyết, dioxit clo có thể bị khử hoàn toàn theo cơ chế phản ứng sau:

ClO2- + 3H+ + 2e- → HClO + H2O (b)

Giai đọan đầu diễn ra khi pH >7, hai giai đoạn sau được xúc tác bởi axit, vì vậy trong môi trường kiềm dioxit clo bị khử theo phương trình phản ứng (a)

Trong dung dịch kiềm của dioxit clo luôn tồn tại một cân bằng ôxi hóa-khử sau: 2ClO2 + 2OH- = ClO3- + ClO2- + H2O (d)

Trong môi trường axit dioxit clo bị khử hoàn toàn, khi cộng tất cả các phản ứng (a, b, c) Anion clorit rất bền vững trong môi trường trung tính và môi trường kiềm, và để cho chúng trở thành một phần tử ôxi hóa hiệu quả, cần bổ sung vào dung dịch một ít axit Trong trường hợp này phần tử phản ứng sẽ là axit clorơ (HClO2), chứ không phải ion clorit

Trong môi trường kiềm axit clorơ tạo thành bị khử theo các phản ứng (b) và (c) Axit hypocloric là sản phẩm trung gian tạo thành khi axit clorơ bị khử, có điện thế ôxi hóa khử cao hơn so với axit clorơ, vì vậy có thể khử axit này thành dioxit clo theo phương trình sau:

HClO + 2HClO2 → 2ClO2 + Cl- + H+ + H2O (e)

Ngoài ra, trong môi trường axit, clorit bị phân hủy tạo thành axit hypocloric theo phương trình sau:

Như vậy, trong môi trường axit, tham gia các phản ứng ôxi hóa có dioxit clo, axit clorơ, hypocloric và clo

Khi dioxit clo tác dụng với lignin, các vị trí có mật độ điện tử cao, các nhóm cấu trúc etylen cộng hợp bị tấn công, nhờ đó diễn ra các phản ứng tách loại các nhóm metyl, phá hủy vòng thơm, phản ứng clo hóa làm các mạch nhánh bị tách ra, đồng thời diễn ra thủy phân các liên kết ete alkylaryl và tạo thành các o-, p-quinon (hình 1.2)

Hình 1.2 Cơ chế phản ứng ôxi hóa lignin bằng dioxit clo

Các cấu trúc có nhóm OH-phenol tự do là các cấu trúc có khả năng phản ứng cao nhất Phản ứng của dioxit clo với các cấu trúc không chứa nhóm OH-phenol diễn ra tương tự (hình 1.3), song với vận tốc chậm hơn

Trong môi trường axit tạo thành các cấu trúc chứa clo (hình 1.4)

Hình 1.3 Cơ chế phản ứng ôxi hóa các cấu trúc không chứa nhóm OH-phenol của lignin dưới tác dụng của dioxit clo

Hình 1.4 Cơ chế các phản ứng tạo thành và phân hủy các chất chứa clo

Khi dioxit tác dụng với các polisaccarit các nhóm aldehit bị ôxi hóa thành các nhóm COOH Quá trình ôxi hóa diễn ra đối với cả các nhóm bán axetal đầu chuỗi, cũng như với các nhóm aldehit tạo thành trong đại phân tử xenluloza khi nấu bột Trong môi trường axit dioxit clo không tác dụng với các nhóm OH Tính chất này quyết định khả năng chọn lọc cao của dioxit clo đối với các polisaccarit

1.2.2 Các điều kiện và thông số kỹ thuật của quá trình tẩy trắng bột bằng dioxit clo

Động học của quá trình cho thấy, các yếu tố ảnh hưởng đến tẩy trắng bột bằng dioxit clo bao gồm: pH của bột dịch, nhiệt độ và thời gian xử lý, nồng độ bột, mức dùng dioxit clo và hàm lượng clo phân tử trong dịch tẩy

Dựa vào cơ chế phản ứng mà người ta sử dụng ClO2 để tách loại lignin (các phản ứng (hình 1.2), (hình 1.3) và tăng trắng, tức làm mất mầu các nhóm mang mầu (phản ứng hình 1.4) Công đoạn tách loại lignin thường được ký hiệu là Do, còn các công đoạn tăng trắng -D1, D2, D3,…

Hình 1.5 Sơ đồ các công đoạn tẩy trắng bằng dioxit clo;

a - công đoạn Do ; b - công đoạn D1 (D2, D3,…) 1- Bơm ; 2- Tháp tẩy ; 3- Máy rửa kiểu ép ; 4- Máy trộn ; 5- Cột hấp thụ

Bảng 1.5 Các thông số công nghệ cơ bản của quá trình tẩy trắng bột giấy

1.2.2.1 Ảnh hưởng của trị số pH tới quá trình tẩy trắng bằng dioxit clo

Trị số pH đóng vai trò quan trọng trong quá trình tẩy trắng bằng ClO2 Trên bảng 1.6 cho thấy sự ảnh hưởng của pH (4,2; 6,2; 8,0), nhiệt độ và thời gian tẩy đến

độ trắng của bột, khi tẩy trắng bột sunphat (có độ trắng ban đầu là 72%), mức dùng ClO2 0,6% so với bột khô tuyệt đối

Bảng 1.6 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến độ trắng của bột khi

tẩy trắng bằng dioxit clo

độ nhớt và bậc trùng hợp của xenlulozơ chỉ bị giảm không đáng kể, độ bền cơ học của bột được bảo toàn ở mức của bột chưa tẩy trắng Trong môi trường kiềm (pH=10-11) tác dụng của dioxit clo đối với các polisacarit tăng rõ rệt, độ nhớt của xenlulozơ có thể giảm xuống tới 50% Vì vậy tẩy trắng trong môi trường axit chiếm

ưu thế hơn, kể cả về phương diện giảm mức tiêu hao dioxit clo cho các phản ứng phụ Khi pH=4 các phản ứng thủy phân ClO2 diễn ra chậm đến mức trong vòng 3 giờ lượng tiêu hao ClO2 chỉ vào khoảng 10%, trong khi đó khi pH=7 có tới 90% ClO2 bị phân hủy thành clorit và clorat (khi không có xenlulozơ) Khi có xenlulozơ diễn ra quá trình sau:

ClO2 + xenlulozơ = HClO2 + xenlulozơ ôxi hóa

Khi pH tăng cao hơn 7, phản ứng này diễn ra càng mạnh hơn, và dioxit clo tấn công cả xenlulozơ, lignin và các chất nhựa Độ nhớt của xenlulozơ giảm và khả năng hòa tan của nó trong kiềm cũng tăng

1.2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý tới quá trình tẩy trắng bột giấy bằng dioxit clo

Nhiệt độ hợp lý nhất của công đoạn tách loại lignin bằng ClO2 là 50oC Giảm nhiệt độ dưới 50oC quá trình tách loại lignin diễn ra với tốc độ chậm Nhiệt độ cao hơn 50oC không ảnh hưởng nhiều tới quá trình tách loại lignin, song có thể làm giảm độ nhớt của bột Trong thực tế sản xuất, nhiệt độ tẩy có thể tăng một cách dễ dàng do trong dây chuyền sản sản xuất có các công đoạn xử lý ô xy kiềm (EO hoặc EOP) và rửa bột nóng

Khi tẩy trắng bột bằng dioxit clo theo sơ đồ D-E-D, nhiệt độ tối ưu là 70-75o

C Tẩy trắng trong khoảng nhiệt độ này có thể đạt được độ trắng tối đa mà vẫn giữ được độ bền cơ học của bột

Tăng nhiệt độ lên đến 70-80 oC làm giảm thời gian tẩy và tăng độ trắng của xenlulozơ, tuy nhiên nếu như tẩy trong môi trường axit không ảnh hưởng đến các chỉ số chất luợng của xenlulozơ, thì trong môi trường kiềm độ nhớt và bậc trùng hợp của xenlulozơ bị giảm rõ rệt Xét một cách tổng thể, tẩy trắng bằng dioxit clo ở nhiệt độ cao hơn 75oC là không hiệu quả

75% lượng dioxit clo cần thiết cho tẩy trắng bị tiêu hao trong vòng 5-10 phút

kể từ khi bắt đầu quá trình Vì vậy, thời gian xử lý của công đoạn tách loại lignin (Do) thường chiếm 40-60 phút Thời gian này đủ để kết thúc quá trình tách loại lignin, được kiểm soát theo chỉ số Kappa của bột

Trong các công đoạn tẩy trắng bằng dioxit clo tiếp theo, độ trắng của bột chủ yếu tăng nhanh trong vòng 10 phút đầu tiên Sau đó độ trắng của bột vẫn tiếp tục tăng chậm, thậm chí trong vòng 4 giờ xử lý tiếp theo Song, kéo dài quá trình tẩy quá 3 giờ là không hiệu quả, bởi lợi ích thu được từ việc tăng độ trắng của bột khi

đó không bù đắp được những chi phí liên quan đến việc kéo dài quá trình

1.2.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ bột tới quá trình tẩy trắng bằng dioxit clo

Dioxit clo được sử dụng dưới dạng dung dịch có nồng độ ổn định, vì vậy khi

bổ sung vào bột dịch ít gây ảnh hưởng đến nồng độ bột Để tiết kiệm hơi nước cần thiết để cho đun nóng bột dịch, tẩy trắng bằng dioxit clo thường được tiến hành với nồng độ bột 10-12% Không nên tẩy bột có nồng độ cao (20-30%) vì do ít nước, khi nhiệt độ tăng sẽ tạo thành pha khí ảnh hưởng đến quá trình vận hành

1.2.2.4 Ảnh hưởng của mức dùng chất tẩy và hàm lượng clo phân tử trong dung dịch ClO 2

Mức dùng dioxit clo trong công đoạn tách loại lignin được xác định bởi hệ số kappa (KF), là tỉ số giữa mức dùng clo hoạt tính cho công đoạn tách loại lignin đầu tiên của quá trình tẩy trắng với trị số Kappa của bột chưa tẩy trắng

Thông thường tẩy trắng bột nồng độ 10-14% bằng dioxit clo được thực hiện với hệ số Kappa 0,15-0,20 Trong giới hạn KF trên, lượng các hợp chất độc hại chứa clo tạo thành là tối thiểu và đảm bảo các điều kiện tẩy trắng tối ưu nhất

Khi sử dụng dioxit clo trong các công đoạn cuối của quá trình tẩy trắng các loại bột xenluloza khác nhau, tương quan về mức dùng ClO2 trong các công đoạn tẩy có ý nghĩa quan trọng Tăng độ trắng của bột khi tăng mức dùng ClO2 ở cả hai công đoạn D1 và D2 có một giới hạn gọi là “ngưỡng của độ trắng”, sau mức này thì

độ trắng hầu như không tăng được nữa Để đạt độ trắng cần thiết với điều kiện tiết kiệm và sử dụng hiệu quả dioxit clo, mức dùng trong các công đoạn D1 và D2 phải bằng nhau (tính theo đơn vị ClO2) Ngoài ra, lượng clo dư thừa trong nước thải phải tăng từ công đoạn D1 sang D2 tương ứng từ 1,0-1,5 đến 2,0-2,5 kg/tấn (tính bằng đơn vị ClO2) Chỉ khi có một lượng clo dư trong nước thải mới đảm bảo được quá trình ôxi hóa triệt để các nhóm cacbonyl thành các nhóm cacboxyl và độ trắng của bột được ổn định

Chất lượng của dung dịch ClO2 sử dụng cho tẩy trắng càng cao, nếu nồng độ clo trong đó càng thấp Hầu như tất cả các dung dịch ClO2 đều chứa một lượng clo nào đó, vì vậy chúng có mầu vàng cam và mùi của clo Khi hàm lượng clo không vượt quá 10% tổng lượng clo hoạt tính trong dung dịch ClO2, thì sự có mặt của clo

không gây ảnh hưởng đến quá trình tẩy Lượng clo phân tử trong các dung dịch ClO2 tinh khiết nhất không vượt quá 0,5 g/lít

1.2.3 Công đoạn kiềm hóa

Kiềm hóa là công đoạn riêng biệt của quá trình tẩy trắng, xử lý bột xenlulozơ bằng các dạng dung dịch của hydroxit natri Đây là công đoạn kế tiếp công đoạn clo hóa Mục đích của kiềm hóa là trung hòa lượng clo dư thừa và tẩy rửa các hợp chất hữu cơ chứa clo (clolignin) ra khỏi bột Sau khi rửa, bột sẽ mất mầu vàng cam và trở thành trắng Ngoài ra kiềm hóa còn được sử dụng để tinh chế bột dùng cho chế biến hóa học

Các phương pháp kiềm hóa bao gồm:

- kiềm hóa đơn thuần (E) (xử lý bột bằng dung dịch NaOH thuần túy);

- kiềm hóa tăng cường hydroperoxit (EP);

- kiềm hóa tăng cường ôxi (EO);

- kiềm hóa tăng cường ôxi và hydroperoxit (EOP)

1.2.3.1 Cơ chế hóa học của quá trình kiềm hóa

Tất cả các chu trình tẩy trắng sử dụng các hợp chất chứa clo đều dựa trên sơ đồ truyền thống bao gồm hai công đoạn clo hóa-kiềm hóa Tức kiềm hóa là công đoạn bắt buộc sau công đoạn tẩy trắng bằng clo và dioxit clo

Khi xử lý bột bằng clo và dioxit clo, ngoài các phản ứng phân hủy làm giảm phân tử lượng của lignin, còn diễn ra các phản ứng của các nhóm “cản” (hình 1.6) Các cấu trúc chứa các nhóm cản không những có thể hòa tan trong điều kiện tách loại lignin trong môi trường axit, mà còn tạo ra một rào cản, cản trở quá trình ôxi hóa bột dịch trong các công đoạn tẩy trắng tiếp theo Vì vậy, để tăng hiệu qủa tẩy trắng cần phải loại bỏ “rào cản” này Do vậy, cần tiến hành quá trình thủy phân clolignin bằng tác dụng của kiềm, qua đó có thể phá hủy các nhóm “cản”, tăng khả năng háo nước của lignin nhờ thủy phân và tạo ra các nhóm OH mới trong vòng thơm

Như vậy, kiềm hóa không những có ý nghĩa lớn trong việc tách bỏ các chất hữu cơ ra khỏi bột dịch, mà còn tăng khả năng phản ứng của lignin Việc tách bỏ

còn khả năng phản ứng của lignin tăng cũng đồng nghĩa với việc khôi phục lại vận tốc phản ứng ban đầu của nó trong các công đoạn tẩy trắng tiếp theo

Lƣợng kiềm dùng cho công đoạn kiềm hóa đƣợc phân bổ nhƣ sau: 30% NaOH tiêu hao cho các phản ứng tạo thành các muối tan của natri với các axit hữu cơ mạch thẳng hoặc axit thơm, 30% tạo thành NaCl từ các phản ứng thủy phân các chất chứa clo trong bột, lƣợng còn lại (khoảng 40%) cho các phản ứng thủy phân các axit cacboxylic tạo thành cacbonat natri Các phản ứng này đều kích hoạt lignin để chuẩn bị cho quá trình ôxi hóa tiếp theo Một lƣợng nhỏ NaOH tiêu hao cho tạo thành các muối của natri với các axit hữa cơ không tan còn lại trong bột, chúng tạo

ra độ pH cao cần thiết cho quá trình tách rửa lignin ra khỏi xenlulozơ

Hình 1.6 Sơ đồ tạo thành các nhóm “cản” trong quá trình

tách loại lignin bằng clo

Hình 1.7 Các phản ứng kìm hãm hoạt động của các nhóm “cản”

diễn ra trong quá trình kiềm hóa