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

thường không lớn nên nồng độ kiềm hoạt tính không đủ để thuỷ phân triglyxerit và các este khác có trong nhựa cây. Cơ chế loại nhựa chủ yếu diễn ra trong quá trình sản xuất bột CTMP là phân tán: Các axít nhựa và axít béo được xà phòng hoá trong giai đoạn thẩm thấu với kiềm và tan vào trong dung dịch, sau khi đạt đến một nồng độ nhất định các hợp chất dạng xà phòng này tạo thành các mixen lôi kéo sự hoà tan các hợp chất nhựa trung tính và không xà phòng hoá được. Nhựa sau đó được loại bỏ khỏi hệ thống nhờ quá trình rửa. Quá trình loại nhựa từ bột CTMP sẽ hiệu quả hơn nếu trong giai đoạn thẩm thấp áp 23 dụng các điều kiện như pH cao hơn, nhiệt độ cao hơn hoặc sử dụng các chất hoạt tính bề mặt như là những tác nhân trợ giúp quá trình phân tán nhựa. Phần lớn bột CTMP được tẩy trắng bằng các quy trình sử dụng perôxit hyđro một hoặc hai giai đoạn. Perôxit thường ít phản ứng với nhựa phân tán mà chỉ phản ứng với các axít nhựa, axít béo không no đã hoà tan vào trong dung dịch. Hàm lượng nhựa trong bột CTMP giảm rất ít qua các giai đoạn tẩy trắng bằng perôxit hyđrô. 1.2.2.2 Xenluylô, lignin, pentozan 1.2.2.2.1 Xenluylô, lignin, pentozan trong quá trình nấu bột theo phương pháp kraft. Khác với nấu theo phương pháp sunphít, những phản ứng hoá học trong quá trình nấu kiềm xảy ra ngay khi còn ở nhiệt độ thấp và sự hoà tan các chất của gỗ đã bắt đầu xảy ra ngay từ thời điểm đầu khi mà kiềm tiếp xúc với dăm mảnh gỗ. Quá trình chủ yếu xảy ra khi nấu xút và nấu sunphát là phản ứng hóa học dị thể trên bề mặt tiếp xúc giữa gỗ và dung dịch nấu. Cơ chế chung của toàn bộ quá trình bao gồm những giai đoạn kế tiếp nhau: + Dung dịch nấu thẩm thấu vào gỗ + Kiềm hoạt tính hấp phụ lên bề mặt phản ứng của dăm gỗ + Xuất hiện những liên kết hóa học giữa kiềm hoạt tính với những cấu tử gỗ. + Thủy phân những liên kết trong tổ hợp chất của gỗ (chủ yếu là trong phân tử lignin). + Hòa tan những sản phẩm của phản ứng bằng khuếch tán. Những hiện tượng xảy ra trong quá trình nấu cho thấy: theo tiến triển của giờ nấu đầu tiên khi mà nhiệt độ gần 100 0C thì trong cả hai phương pháp trên đã có 6- 8% các chất của gỗ chuyển vào trong dung dịch, nhưng thực tế lignin chưa bắt đầu hoà tan. Ở giờ nấu thứ 3 khi nhiệt độ nấu là 160 0C thì trong trường hợp nấu sunphát đã hoà tan được gần 60% lignin và hiệu suất bột là 45%. Sự hoà tan lignin tăng dần theo nhiệt độ nấu, nhưng càng về cuối quá trình nấu sự hoà tan lignin giảm dần và rất chậm[8]. Tốc độ chuyển hydratcacbon và đặc biệt là pentozan vào dung dịch thực tế như nhau đối với nấu xút và nấu sunphát. Một thời điểm rất đặc biệt là sự phân huỷ 24 pentozan (nói chính xác hơn là sự phân huỷ những chất tạo rucruron) xảy ra trong kiềm bắt đầu từ giờ nấu thứ ba. Trật tự tác dụng của kiềm với những cấu tử chủ yếu của gỗ trong quá trình nấu xút và nấu sunphát có thể xảy ra theo sơ đồ sau: Đầu tiên xảy ra sự phá huỷ hêmixenluylô dễ thuỷ phân, sau đó đến phá huỷ lignin, cuối cùng là phá huỷ hêmixenluylô khó thuỷ phân và xenluylô. Nhưng thực tế tất cả những quá trình trên xảy ra trồng lên nhau ở mức độ khá cao (đặc biệt là trong quá trình nấu sunphát) và không thể phân chia danh giới rõ ràng theo thời gian nấu. Trong quá trình nấu bột theo phương pháp kraft gần 90% lignin, 60% hêmixenluylô, 15% xenluylô bị hòa tan trong quá trình nấu đối với gỗ thông (Pinus sylvestris) và gỗ bulô (Betula pedula/B. pubescens) với hiệu suất bột là 47% và 53% [10]. Sơ đồ cân bằng các chất hữu cơ của gỗ trong quá trình nấu bột kraft cho sản xuất bột tẩy trắng Gỗ thông Xcăng-đi-na-vi (Pinus silvestris) nấu theo phương pháp kraft tới trị số kappa 27, tổng hiệu suất bột 47%. Thành phần hoá học của gỗ và hiệu suất được đưa ra trong bảng 1.5[7]. Gỗ (100 %) Các chất trích ly (<5 %) Bột chưa tẩy trắng (45-55 %) % + Xenluylô 40-45 + Hêmixenluylô 25-35 + Lignin 20-30 + Các chất trích ly < 5 % + Xenluylô 65-75 + Hêmixenluylô 20-30 + Lignin < 5 Các hợp chất hữu cơ (5 %) Bột tẩy trắng (40-50 %) % + Xenlulo 70-80 + Hemixenlulo 20-30 Dịch đen (40-50 %) % + Aliphatic axit 40-50 + Lignin 35-45 + Hợp chất hữu cơ 10-15 25 Bảng 1.5 Thành phần hoá học của gỗ và hiệu suất Gỗ, (%) So với bột, (%) So với gỗ, (%) Xenluylô 39 88,5 34,5 Glucomannan 17 33,0 5,6 Xylan 8 60,0 4,8 Chất trích ly 8 5,0 0,4 Lignin 28 6,0 1,7 Tổng 100 47,0 * Tác dụng của kiềm với lignin Lignin kiềm hay alkalylicnin trong kiềm đen nấu xút chính là sản phẩm hoà tan lignin của gỗ và là hỗn hợp của những hợp chất hữu cơ mạch vòng với khối lượng phân tử và kích thước hạt rất khác nhau. Gần 70-80% lignin kiềm nằm trong kiềm đen là ở dạng keo hoà tan và có thể bị kết tủa khi bị oxy hoá. Phần còn lại gần 20- 30% gọi là sản phẩm lignin hoà tan, hạt của nó có kích thước nhỏ hơn và không bị kết tủa khi thay đổi pH của dung dịch. Khi tác dụng của NaOH với lignin sẽ xảy ra hàng loạt sự chuyển hoá: + Tạo ra phenonat do sự tác dụng của kiềm với nhóm hydroxyl tự do chứa phenol. + Phản ứng phân huỷ liên kết ete để tạo ra những nhóm hydroxyl mới chức phenol và làm giảm khối lượng phân tử của lignin. + Phản ứng phân huỷ liên kết cacbon-cacbon + Phản ứng phân hoá lignin để tạo ra những hợp chất có phân tử lượng nhỏ + Phản ứng đa tụ lignin để tạo ra liên kết C-C mới và làm cho phân tử lignin lớn lên. * Tác dụng của kiềm với hêmixenluylô và xenluylô Dưới tác dụng của kiềm cùng với các phản ứng chuyển lignin vào dung dịch thì polysaccarit của gỗ và trước hết là hêmixenluylô dễ thuỷ phân cũng bị phân hoá bằng thuỷ phân và oxy hoá. Sản phẩm của quá trình phân hoá này là những axit hữu cơ và chủ yếu là oxyaxit. Oxyaxit có thể tồn tại trong kiềm dưới dạng dị vòng-dạng lacton. Dưới tác dụng của dung dịch nấu, hêmixenluylô sẽ bị phân huỷ. Quá trình phân huỷ hêmixenluylô xảy ra theo bốn loại phản ứng hoá học: 26 + Tách nhóm axetyl ra khỏi polysaccarit (polysaccarit đã một phần bị axetyl hoá). + Epime hoá (đồng phân hoá) mắt xích mono có nhóm khử trong phân tử hêmixenluylô (mắt xích cuối cùng của phân tử). + Thuỷ phân liên kết glucozit bằng kiềm + Đứt liên kết hoá học giữa hêmixenluylô và những cấu tử khác của gỗ. 1.2.2.2.2 Xenluylô, lignin, pentozan trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ (CTMP), kiềm nóng, kiềm lạnh. Những hiện tượng vật lý và hoá học xảy ra trong qúa trình xử lý dăm mảnh với xút trong kiềm nóng: + Quá trình thẩm thấu xút vào gỗ + Quá trình trích ly các chất hữu cơ từ gỗ + Quá trình trương nở vật lý của mảnh gỗ Phương pháp nấu kiềm (phương pháp hoá học), tác nhân tác dụng lên các thành phần của gỗ là kiềm hoạt tính để tạo thành các sản phẩm trung gian. Các sản phẩm này sẽ tách ra khỏi xenluylô trong quá trình nấu và tẩy rửa. Kiềm tác dụng với lignin tạo thành lignin kiềm có màu từ màu vàng sang đến màu nâu tối. Kiềm tác dụng lên hêmixenluylô tạo thành các sản phẩm là axit hữu cơ, chủ yếu là các oxít axit do quá trình oxy hoá các sản phẩm hydratcacbon trong polyme của chúng. Kiềm tác dụng lên các hydratcacbon khác, chủ yếu là tác dụng lên các nhóm andehyt kết quả tạo thành các axit hoặc các oxít axit. Trong phương pháp sản xuất bột cơ học, kiềm lạnh hay kiềm nóng, kiềm tác dụng lên các thành phần của nguyên liệu ôn hoà hơn so với phương pháp nấu kiềm (nồng độ kiềm thấp, nhiệt độ và áp suất phản ứng thấp hơn). Do đó tác dụng chủ yếu của kiềm là làm trương nở nguyên liệu, làm yếu các liên kết giữa các cấu tử trong nguyên liệu, phản ứng và hoà tan một phần không đáng kể các hợp chất phi xenluylô như lignin, hêmixenluylô, chủ yếu hòa tan các chất trích ly. 27 Hình 1.9 Sơ đồ minh họa sự phân tách các vùng của tế bào gỗ trong quá trình sản xuất các loại bột cơ học khác nhau. Bột cơ học (RMP) không có quá trình xông hơi hay thẩm thấu hóa chất trước khi nghiền, áp lực nghiền từ 3 ÷ 5 bar và nhiệt sinh ra trong quá trình nghiền có thể đạt đến nhiệt độ 140 0C để tách xơ sợi. Chất lượng bột rất thấp và tiêu tốn rất lớn năng lượng, vì bản chất của quá trình là dùng năng lượng nghiền để tách xơ sợi nên phá vỡ một phần hoặc cắt ngắn tế bào xơ sợi. Trong quá trình sản xuất bột theo phương pháp nhiệt cơ (TMP) dăm mảnh trước khi nghiền được xông hơi ở nhiệt độ từ 100 ÷ 130 0C, nhằm làm mềm lignin (chủ yếu lignin ở lớp liên kết giữa các tế bào), làm giảm liên kết giữa các tế bào. Nên chất lượng bột tốt hơn so với bột RMP vì hạn chế quá trình phá vỡ hoặc cắt ngắn tế bào xơ sợi. Bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng BCTMP hoặc APMP là quá trình kết hợp giữa thẩm thấu hóa chất và năng lượng nghiền để tách xơ sợi. Thông thường, trong quá trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng hóa chất thẩm thấu là Na2SO3 đối với gỗ lá kim và Na2SO3, NaOH đối với gỗ lá rộng. Lignin phản ứng với Na2SO3 hoặc H2O2 trong môi trường kiềm nên có khả năng trương nở trong quá trình xử lý, vì hình thành các nhóm ưa nước như nhóm sulfonate hoặc nhóm carboxylic. Ngoài ra, trong quá trình xử lý bằng hóa chất thì carbohydrát có thể thay đổi bằng các phản ứng khử axêtyl hóa, phản ứng thủy phân, hòa tan một phần. Nên liên kết giữa các tế bào trong dăm mảnh gỗ yếu đi. Do vậy khi nghiền sẽ dễ dàng hơn, tiêu tốn năng lượng nghiền ít hơn, chất lượng bột thu nhận được cao hơn so với RMP, TMP. 28 Nồng độ kiềm ngâm là một trong các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới các quá trình vật lý, hoá học của dăm mảnh gỗ. Trong các phản ứng thuận, khi nồng độ các chất phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng tăng, tốc độ thẩm thấu dung dịch và khuyếch tán chất tan tăng.. Khi nồng độ kiềm tăng thì lượng tiêu hao kiềm tăng, lượng chất hữu cơ hoà tan trong gỗ tăng (hình 1.10) [9]. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 1 2 4 8 12 16 20 24 28 32 36 Nồng độ xút trong dịch ngâm, (%NaOH) Lư ợn g ch ất h ữu c ơ tr íc h ly (% ) s o vớ i l ượ ng m ản h gỗ b an đ ầu Bồ đề Thông nhựa Thông ít nhựa Hình 1.10 Ảnh hưởng của nồng độ xút trong dịch ngâm đến lượng chất hữu cơ trích ly Hình 1.10 cho thấy lượng các chất hữu cơ hòa tan tăng dần khi tăng nồng độ xút trong dịch ngâm từ 1 ÷ 20 % (NaOH). Với khoảng nồng độ xút trong dịch ngâm cao hơn 20 % (NaOH), lượng các chất hữu cơ hầu như không thay đổi so với lượng nguyên liệu khô tuyệt đối ban đầu. Lượng các chất hữu cơ hòa tan của gỗ bồ đề lớn hơn so với hai loại nguyên liệu còn lại. Điều này có thể được giải thích bằng sự so sánh thành phần hóa học của gỗ bồ đề với thành phần hóa học của gỗ thông. Hàm lượng các chất nhựa, chất béo và các chất tan trong nước nóng của gỗ bồ đề cao hơn hai loại gỗ thông, trong khi tỷ trọng lại thấp hơn, nghĩa là gỗ bồ đề xốp hơn, tạo điều kiện dễ dàng hơn cho quá trình trích ly các chất hòa tan. Kết luận và định hướng nghiên cứu: Kết quả nghiên cứu phần tổng quan cho thấy: + Tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ là rất khác biệt không những phụ thuộc vào nhóm cây, loài cây mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ tuổi cây, điều kiện lập địa.v.v. Mặt khác, trong cây tỷ trọng và thành phần hóa học cũng khác nhau giữa các bộ phận như vỏ, thân, gỗ sớm, gỗ muộn.v.v.. 29 + Khác với phương pháp sản xuất bột giấy hóa học trong đó gần như toàn bộ lignin bị phân huỷ dưới tác động của hoá chất nấu ở nhiệt độ và áp suất cao cho phép thu nhận được các xơ sợi riêng biệt dưới dạng bột giấy, trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ, mục tiêu của giai đoạn xử lý bằng hoá chất trước khi nghiền với các điều kiện tương đối ôn hoà là làm mềm mảnh nhằm tạo thuận lợi hơn cho quá trình nghiền mảnh thành xơ sợi và giảm mức tiêu hao năng lượng nghiền. + Thông thường các loại hoá chất được sử dụng để xử lý mảnh trước khi nghiền là Na2SO3, NaOH hoặc hỗn hợp của hai loại hoá chất này. Na2SO3 đặc biệt có hiệu quả đối với các loại nguyên liệu gỗ lá kim, trong khi NaOH lại phù hợp hơn đối với các loại gỗ lá rộng. Sự khác biệt này được cho là do cấu tạo hoá học của lignin của các loại nguyên liệu này. Ngoài chủng loại và mức dùng hoá chất thì nhiệt độ và thời gian xử lý cũng là các yếu tố công nghệ có vai trò rất quan trọng có ảnh hưởng đến chất lượng bột cũng như hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ tẩy trắng. + Gỗ keo tai tượng và keo lai nhìn chung có tính chất vật lý và thành phần hoá học khác biệt so với gỗ thông là loại nguyên liệu đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ tẩy trắng. Sự khác biệt này cho phép dự báo rằng quy trình công nghệ xử lý hoá chất trước khi nghiền cũng sẽ rất khác nhau giữa các loại nguyên liệu này. + Từ kết quả nghiên cứu tài liệu, giai đoạn xử lý mảnh một số loại gỗ keo với dung dịch xút (NaOH) cùng với các yếu tố công nghệ như mức dùng hoá chất, nhiệt độ và thời gian xử lý đã được nhóm đề tài lựa chọn nhằm mục đích nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ xử lý thích hợp cho phép sản xuất được các loại bột có chất lượng tốt và chi phí sản xuất thấp. 30 PHẦN II NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu, hoá chất và thiết bị nghiên cứu 2.1.1 Nguyên liệu Nguyên liệu được dùng để nghiên cứu là gỗ keo tai tượng, keo lai (6 tuổi) được lấy từ Lâm trường Tam Thanh – Phú Thọ. Mẫu gỗ được lấy theo phương pháp cây tiêu chuẩn. Mỗi cỡ tuổi ở một địa điểm lấy 3 mẫu cây, mỗi cây lấy 3 mẫu ở 3 vị trí khác nhau: Gốc, giữa và ngọn cây (đầu ngọn lấy đến 5cm), mỗi mẫu dài 1,3m. Mẫu sau khi lấy được vận chuyển tới phòng thí nghiệm, được cưa rồi chẻ thành những mảnh nhỏ có kích thước: 25 x 25 x (2-3) mm. Sau đó, mảnh được phơi khô, loại bỏ cát sạn và mảnh không hợp cách còn sót lại. Mảnh sau đó được cho vào túi nilon bảo quản, giữ đồng ẩm và xác định độ khô trước khi tiến hành thí nghiệm. Thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng, keo lai và bạch đàn được đưa ra trong bảng 2.1. Bảng 2.1 Thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng, keo lai Hàm lượng, (%) TT Các chỉ số Keo tai tượng Keo lai 1 Xenluylô 50,84 49,87 2 Lignin 25,19 24,60 3 Pentozan 23,72 20,75 4 Tro 0,15 0,43 5 Các chất tan trong Nước nóng 4,92 2,43 Nước lạnh 3,55 1,47 Axeton 3,31 2,77 NaOH 1% 13,0 10,1 2.1.2 Hoá chất Hoá chất sử dụng chính trong nghiên cứu là hoá chất công nghiệp: NaOH, Na2CO3, Na2SO3 độ thuần 95-98%. Các hoá chất phân tích khác dạng tinh khiết. 31 2.1.3 Thiết bị - Nồi nấu bột thí nghiệm thể tích 4,5 lít gia nhiệt trực tiếp bằng điện - Máy nghiền bột cơ học do Ấn Độ sản xuất (công suất động cơ 37 kw, vòng quay động cơ 1450 vòng/phút, ∅ đĩa nghiền 350 mm). - Máy nghiền bột kiểu Hà Lan dung tích 4,5 lít (công suất động cơ 5,5 kw, vòng quay động cơ 960 vòng/phút, ∅ lô dao bay 190 mm). - Máy xeo Rapid-Kothen, hãng PTI của Áo sản xuất - Máy đo độ nghiền, hãng PTI của Áo sản xuất - Máy đo độ chịu xé Elmendorf do hãng Frank Prufgerate sản xuất - Máy đo độ chịu bục do hãng Metrotex sản xuất - Máy đo độ bền kéo và độ bền nén vòng Housfield do hãng Siber Hegner sản xuất. - Cân điện tử Metler độ chính xác ±0.0001g của Thụy Sĩ 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Mô tả phương pháp nghiên cứu * Xử lý dăm mảnh với dung dịch Natri hydroxyt: Quá trình xử lý được tiến hành trong nồi nấu thí nghiệm 4,5 lít, gia nhiệt trực tiếp bằng điện, mỗi mẻ nấu sử dụng 600 g dăm mảnh khô tuyệt đối. Kết thúc quá trình xử lý, dịch đen được tách ra để xác định tàn kiềm, dăm mảnh được rửa sơ bộ. Sau đó, một phần dăm mảnh được chẻ nhỏ rửa sạch xút để phân tích thành phần hóa học và phần dăm mảnh còn lại được đem đi nghiền, xeo để xác định tính chất cơ lý của bột giấy. * Nghiền bột giấy: Quá trình nghiền bột giấy được chia làm 2 giai đoạn: - Giai đoạn thứ nhất: Mảnh được nghiền sơ bộ trên máy nghiền bột cơ học dạng đĩa do Ấn Độ chế tạo. Mảnh được nạp từ từ vào phễu nạp liệu qua vít tải mảnh tới đĩa nghiền. Dưới tác dụng của áp lực nghiền tăng dần, dăm mảnh đập nát và tách ra thành xơ sợi. Bột sau nghiền được rửa và xả qua lưới mắt ≠40. Phần bột qua lưới (hợp cách) đem đi nghiền tiếp ở máy nghiền Hà Lan 4,5lít đạt độ nghiền yêu cầu, phần không hợp cách đem đi nghiền lại ở máy nghiền bột cơ học Ấn Độ. 32 - Giai đoạn thứ hai: Bột giấy hợp cách sau giai đoạn nghiền thứ nhất được nghiền tiếp bằng máy nghiền Hà Lan 4,5 lít với nồng độ nghiền 2% để đạt đến độ nghiền yêu cầu. * Xeo mẫu giấy thí nghiệm: Bột giấy sau nghiền được xeo thành mẫu giấy thí nghiệm với định lượng 70 g/m2 trên máy xeo Rapid-Kothen để xác định tính chất cơ lý của bột giấy . 2.2.2 Chuẩn bị mẫu phân tích thành phần hóa học Phần dăm mảnh sau xử lý kiềm nóng được rửa sạch, xay thành bột mịn trong máy xay gỗ thí nghiệm dùng để phân tích thành phần hoá học. Mẫu bột gỗ hợp cách là loại được lấy trên sàng với mắt sàng 0,3mm và dưới mắt sàng 0,4mm và được tách loại các tạp chất kim loại bằng nam châm. 2.2.3 Phân tích thành phần hoá học nguyên liệu và bột giấy. a. Tỷ trọng của dăm mảnh được xác định theo tiêu chuẩn Scan-CM 43:95 b. Tỷ trọng của gỗ được xác định theo tiêu chuẩn TAPPI-T258 os-76 c. Độ trắng của dăm mảnh được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2856-2000 d. Thành phần hoá học của nguyên liệu được xác định theo tiêu chuẩn sau: Xenluylô : Kiurscher-Hoffer Lignin : TAPPI-13 Pentozan : TAPPI-19, Bromít-bromát Các chất tan trong + Axeton : TAPPI T-280 + NaOH 1% : TAPPI T-212 + Nước nóng : TAPPI T-207 + Nước lạnh : TAPPI T-207 e. Phân tích tính chất cơ lý của bột giấy được xác định tại phòng thí nghiệm hoá lý của Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô theo các tiêu chuẩn sau: Xác định định lượng : TCVN 1270 : 2000 Xác định độ bền kéo : TCVN 1862 : 2000 Xác định độ bền xé : TCVN 3229 : 2000 Xác định độ chịu bục : TCVN 3228 : 2000 Bột giấy được nghiền đến độ nghiền 30 0SR trên máy nghiền thí nghiệm kiểu Hà Lan. Bột giấy sau khi đạt độ nghiền được xeo thành tờ giấy mẫu với định lượng 70 g/m2 trên máy xeo rappid thí nghiệm. Tờ giấy mẫu xeo thí nghiệm được bảo quản 33 trong điều kiện tiêu chuẩn và sau đó xác định các tính chất cơ lý theo tiêu chuẩn tại phòng thí nghiệm của Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô. 2.2.4 Phương pháp xác định giới hạn bền khi kéo trượt dọc thớ (cường độ trượt dọc thớ). + Nguyên tắc: Xác định bền khi trượt dọc thớ bằng tác dụng một lực ép tăng dần đều lên mẫu thử. + Phương pháp: Chiều dầy của mẫu 2,5 mm, chiều dài của mặt trượt 2cm. Đo chiều dầy của mẫu và chiều dài của mặt trượt dự tính chính xác đến 0,1 mm. Đảm bảo các bề mặt của mẫu tiếp xúc với các mặt thích hợp của dụng cụ. Tốc độ tác dụng lực lên mẫu phải đảm bảo mẫu bị phá hủy trong thời gian 1,5 đến 2 phút tính từ thời điểm tác dụng lực. Số liệu lực phá hủy với độ chính xác đến 1%. Sau khi thí nghiệm kết thúc, tiến hành xác định độ ẩm theo qui định tại ISO 3130. + Tính toán: Giới hạn bền khi trượt dọc thớ theo chiều xuyên tâm hoặc tiếp tuyến (τw)cho từng mẫu thử ở độ ẩm (W) tại thời điểm thí nghiệm được tính bằng MPa theo công thức sau: τw = Pmax/bl Trong đó: Pmax: lực phá hủy, tính bằng N; b: chiều dầy của mẫu, tính bằng mm l: chiều dài của mặt trượt, tính bằng mm 34 PHẦN III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Từ kết quả nghiên cứu tài liệu, giai đoạn xử lý mảnh một số loại gỗ keo với dung dịch xút (NaOH) cùng với các yếu tố công nghệ như mức dùng hoá chất, nhiệt độ và thời gian xử lý đã được nhóm đề tài lựa chọn nhằm mục đích nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ xử lý thích hợp cho phép sản xuất được các loại bột có chất lượng tốt và chi phí sản xuất thấp. 3.1 Nghiên cứu sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng. 3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá trình xử lý kiềm nóng. Theo các kết quả đã nghiên cứu tài liệu[11,12] từ nguyên liệu gỗ cứng đối với bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng, bột bán hóa, bột hoá học tẩy trắng thông thường tỷ dịch 1/4. Nồng độ kiềm giai đoạn thẩm thấu bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng BCTMP là 12,5 g/l, nồng độ kiềm bột bán hóa là 15 g/l[11,12], nên nhóm đề tài lựa chọn khoảng nồng độ kiềm nghiên cứu từ 5÷30 g/l. Điều kiện công nghệ áp dụng nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng, keo lai được lựa chọn như sau: + Thời gian xử lý : 90 phút + Tỷ lệ dịch : 1/4 + Nhiệt độ : 95 0C + Nồng độ kiềm : 5, 10, 15, 20, 25, 30 g/l 3.1.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và thành phần hoá học của gỗ keo tai tượng trong quá trình xử lý kiềm nóng. Mảnh tiêu chuẩn từ gỗ keo tai tượng được xử lý kiềm nóng với nồng độ kiềm thay đổi từ 5 đến 30 g/l. Kết qủa trong quá trình xử lý kiềm nóng được đưa ra trong bảng 3.1 35 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tính chất vật lý và thành phần hoá học, tính chất cơ lý của bột giấy từ gỗ keo tai tượng. Nồng độ kiềm, (g/l) KTT 5 10 15 20 25 30 Mức dùng kiềm, (%) 2,25 4,50 6,75 9,00 11,25 13,50 Tính chất vật lý Tỷ trọng mảnh, (kg/m3) 440,86 437,73 421,68 393,17 390,57 386,45 385,05 Độ trắng, (% ISO) 40,12 37,91 35,52 33,45 30,81 29,23 27,57 Cường độ trượt dọc thớ, (N/mm2) 4,53 3,30 2,53 2,20 1,67 1,40 1,27 Thành phần hoá học Các chất trích ly tan trong axeton, (%) 3,31 1,68 1,02 0,74 0,58 0,51 0,37 Xenluylô, (%) 50,84 50,17 49,85 49,56 49,31 49,23 49,15 Lignin, (%) 25,19 23,36 22,87 22,77 22,65 22,60 22,45 Pentozan, (%) 23,72 21,89 20,29 19,45 18,88 18,69 18,46 Hiệu suất bột giấy, (%) - 92,31 90,48 90,21 89,92 89,64 89,08 Tàn kiềm, (g/l) - 0,7 1,0 3,8 7,0 12,5 17,0 Tính chất cơ lý của bột giấy Chiều dài đứt, (m) - 3870 4210 4496 4580 4620 4640 C.số độ chịu bục, (kPa.m2/g) - 1,76 1,94 2,06 2,09 2,16 2,23 C.số độ bền xé, (mN/.m2/g) - 3,79 4,87 5,10 5,16 5,24 5,29 KTT: Nguyên liệu gỗ keo tai tượng ban đầu, phần trăm thành phần hóa học so với nguyên liệu ban đầu, bột giấy được nghiền tới độ nghiền 30 0SR, tờ giấy mẫu được xeo trên máy xeo rappid thí nghiệm định lượng 70 g/m2. - Tính chất vật lý: Kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ kiềm có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất vật lý trong quá trình xử lý kiềm nóng. Xu hướng biến đổi chung của kết quả xử lý kiềm nóng là tỷ trọng giảm khi tăng nồng độ kiềm từ 5 đến 30 g/l. Khi nồng độ kiềm cao thì các chất hữu cơ bị hòa tan nhiều hơn như các chất trích ly, dăm mảnh trương nở nhiều hơn theo chiều dọc và chiều ngang nên tỷ trọng của dăm mảnh giảm. Nâng nồng độ kiềm lên 30 g/l tỷ trọng giảm 12,66% so với nồng nguyên liệu ban 36 đầu, giảm 12,03% so với nồng độ kiềm 5 g/l. Tỷ trọng giảm rất nhanh khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 15 g/l và tỷ trọng giảm dần khi tăng nồng độ kiềm từ 15 lên 30 g/l. 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Tỷ tr ọn g, (k g/ m 3) Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng Kết quả bảng 3.1 cho thấy độ trắng giảm khá rõ rệt khi tăng nồng độ kiềm trong quá trình xử lý kiềm nóng. Đối với bột cơ học tẩy trắng, độ trắng ban đầu của nguyên liệu cũng như độ trắng của dăm mảnh sau thẩm thấu hóa chất có ảnh hưởng rất lớn đến độ trắng của bột sau tẩy trắng. Độ trắng của dăm mảnh sau thẩm thấu hóa chất đối với bột cơ học tẩy trắng thấp sẽ rất khó khăn tăng độ trắng của bột ở giai đoạn tẩy trắng. Khi tăng nồng độ kiềm đến 30 g/l độ trắng giảm 31,28 % so với nguyên liệu ban đầu chưa xử lý và giảm 27,28% so với nồng độ kiềm 5 g/l. Hình 3.2 cho thấy khi nâng nồng độ kiềm từ 5 lên 20 g/l độ trắng giảm nhanh hơn so với khi nâng nồng độ kiềm từ 20 g/l lên 30 g/l. 20 25 30 35 40 45 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) Đ ỗ tr ắn g, (% ) Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến độ trắng trong quá trình xử lý kiềm nóng từ gỗ keo tai tượng 37 Bảng 3.1 cho thấy cường độ trượt dọc thớ giảm khá nhanh (49,39%) khi tăng nồng độ kiềm từ 5 lên 20 g/l, giảm dần khi tăng nồng độ kiềm từ 20 lên 30 g/l. Với nồng độ kiềm 30 g/l cường độ trượt dọc thớ giảm 3,57 lần so với nguyên liệu ban đầu, có thể thấy nồng độ kiềm xử lý ảnh hưởng tương đối rõ nét đối với cường độ trượt dọc thớ. Trong sản xuất bột hóa học thì dùng hóa chất và điều kiện nấu để tách xơ sợi là chủ yếu. Bột cơ học chủ yếu dùng lực cơ học tách xơ sợi, dùng hóa chất chỉ tách loại một phần các thành phần hóa học mà chủ yếu là các chất nhựa, làm mềm mảnh và yếu đi các liên kết xơ sợi. Cường độ trượt dọc thớ phản ánh gián tiếp năng lượng nghiền vì quá trình nghiền bột giấy là tách xơ sợi, phân tơ chổi hóa, cắt ngắn xơ sợi. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 5 10 15 20 25 30 Nồng độ kiềm, (g/l) C ườ ng đ ộ tr ượ t d ọc th ớ, (N /m m 2) Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến cường độ trượt dọc thớ