مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

تولید خمیر کاغذ شیمیائی از کاه گندم با استفاده از فرآیند کربنات

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری مهندسی صنایع چوب و فرآورده‌های سلولزی، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
2 دانشیار، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان- دانشکده مهندسی چوب و کاغذ- گروه علوم و مهندسی کاغذ
3 استاد گروه ﻋﻠﻮم و ﺻﻨﺎﯾﻊ چوب و کاﻏﺬ، داﻧﺸکﺪه ﻣﻨﺎﺑﻊ ﻃﺒﯿعی، داﻧﺸکﺪگان کشاورزی و ﻣﻨﺎﺑﻊ ﻃﺒﯿعی، داﻧﺸگاه ﺗﻬﺮان، کرج، اﯾﺮان.
10.22034/ijwp.2024.2025762.1671
چکیده
بیان مساله و اهداف: در این تحقیق، امکان تولید خمیرکاغذ از کاه گندم با استفاده از فرآیند کربنات مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نیاز روزافزون به منابع جایگزین الیاف سلولزی در صنعت کاغذسازی و کاهش دسترسی به منابع چوبی، استفاده از ضایعات کشاورزی مانند کاه گندم می‌تواند به‌عنوان یک راهکار پایدار مطرح باشد. در این راستا، فرآیند پخت کربنات سدیم به‌عنوان یک روش جایگزین و دوستدار محیط‌زیست برای استخراج الیاف سلولزی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
مواد و روشها: برای انجام این تحقیق، کاه گندم به‌عنوان ماده اولیه انتخاب شده و تحت فرآیند پخت با محلول کربنات سدیم در شرایط مختلف قرار گرفت. دماهای عملیاتی 150 و 170 درجه سانتی‌گراد و زمان‌های 2، 3 و 5 ساعت مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین، میزان قلیائیت محلول پخت بر مبنای Na2O در چهار سطح 20، 22، 24 و 26 درصد تنظیم شد. برای بهبود فرآیند جداسازی لیگنین و افزایش بازده پخت، از آنتراکینون به میزان 1/0 درصد وزنی به‌عنوان افزودنی استفاده گردید. نسبت مایع پخت به کاه (L/S) نیز در مقادیر 4، 6، 8 و 10 به 1 تغییر داده شد تا تأثیر آن بر عملکرد فرآیند مشخص شود. پس از انجام فرآیند پخت، خمیرکاغذ تولیدی با استفاده از الک‌های مش 20 و 200 شستشو و جداسازی گردید. سپس پارامترهای عدد کاپا، بازده کل، بازده بعد از غربال و میزان وازده تعیین شد تا شرایط بهینه فرآیند پخت شناسایی شود. در ادامه، خمیرکاغذ بهینه در دو حالت پالایش شده و پالایش نشده، به کاغذ دست‌ساز در گراماژهای 60 و 120 گرم بر مترمربع تبدیل گردید. آزمایش‌های مکانیکی شامل شاخص‌های مقاومت به کشش، ترکیدن و پارگی بر روی کاغذهای تولیدی انجام شد تا کیفیت خمیرکاغذ حاصل از کاه گندم مورد ارزیابی قرار گیرد.
نتایج: نتایج نشان داد که فرآیند پخت با کربنات سدیم در شرایط بهینه می‌تواند منجر به تولید خمیرکاغذی با ویژگی‌های مطلوب گردد. بر اساس داده‌های به‌دست‌آمده، بهترین شرایط برای فرآیند پخت، قلیائیت 22 درصد، دمای 170 درجه سانتی‌گراد، زمان 2 ساعت و نسبت L/S برابر 8 به 1 تعیین شد. خمیرکاغذ تولیدشده تحت این شرایط دارای عدد کاپای 72/37، بازده کل 52/63 درصد، بازده بعد از غربال 18/51 درصد و میزان وازده 45/1 درصد بود که نشان‌دهنده عملکرد مطلوب فرآیند پخت است. تبدیل خمیرکاغذ بهینه به کاغذ دست‌ساز و بررسی ویژگی‌های مکانیکی نشان داد که در هر دو گراماژ 60 و 120 گرم بر مترمربع، نمونه‌های پالایش‌شده دارای شاخص‌های مقاومت بالاتری نسبت به نمونه‌های پالایش‌نشده بودند. بیشترین میزان شاخص‌های مقاومت به کشش، ترکیدن و پارگی در کاغذهای پالایش‌شده حاصل شد که نشان‌دهنده بهبود خواص مکانیکی با پالایش الیاف است. با توجه به کاهش کیفیت مکانیکی و افت ویژگی‌های کاغذهای لاینر و تست لاینر در فرآیندهای بازیافت مکرر، استفاده از خمیرکاغذ کربنات کاه گندم به‌عنوان یک منبع الیاف تقویتی می‌تواند به بهبود کیفیت این نوع کاغذها کمک کند. این موضوع اهمیت زیادی در صنعت بسته‌بندی دارد، زیرا استفاده از مواد بازیافتی همراه با الیاف تقویتی مناسب می‌تواند به افزایش مقاومت و دوام کاغذهای تولیدی منجر شود.
نتیجه­ گیری: به‌طور کلی، این تحقیق نشان داد که خمیرکاغذ کربنات تولید شده از کاه گندم دارای ویژگی‌های مناسبی برای استفاده در صنعت کاغذسازی است. این روش می‌تواند به‌عنوان یک جایگزین پایدار برای الیاف بکر مطرح شده و به کاهش وابستگی به منابع چوبی و افزایش بهره‌وری در تولید کاغذهای بسته‌بندی کمک کند. با توجه به نیاز روزافزون به مواد اولیه پایدار در این صنعت، توسعه و بهینه‌سازی بیشتر این فرآیند می‌تواند تأثیر بسزایی در بهبود عملکرد و پایداری زنجیره تأمین کاغذ داشته باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Latta, G.S., Plantinga, A.J. and Sloggy, M.R., 2016. The effects of internet use on global demand for paper products. Journal of Forestry, 114(4), pp. 433–440. https://doi.org/10.5849/jof.15-096.
[2] Hubbe, M.A., Venditti, R.A. and Rojas, O.J., 2007. What happens to cellulosic fibers during papermaking and recycling? A review. BioResources, 2(4), pp. 739-788.
[3] Chamberlain, D. and Kirwan, M.J., 2012) Handbook of paper and paperboard packaging technology. 2nd edn. Wiley-Blackwell. https://doi.org/10.1002/9781118470930.ch2.
[4] Marin, N., Puitel, A.C., Chesca, A. and Gavrilescu, D., 2016. Response surface modeling of wheat straw pulping using sodium carbonate and sodium hydroxide mixtures. Cellulose Chemistry and Technology, 51(7-8), pp. 745-753.
[5] Han, N., Zhang, J., Hoang, M., Gray, S. and Xie, Z., 2021. A review of process and wastewater reuse in the recycled paper industry. Environmental Technology & Innovation, 24, 101860. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101860.
[6] Nawaz, A., Mohi, B. and Lakhhan, A., 2012. Effect of product packaging in consumer buying decision. Journal of Business Strategies, 6(2), pp. 1-10.
[7] Razmpour, Z., Kermanian, H., Ramezani, O., Mahdavi, S. and Rahmaninia, M., 2012. The effect of NSSC waste paper recycling times on the properties of the produced recycled pulp. Environmental Sciences, 9(2), Winter. (In Persian)
[8] Latibari, A., Khosravani, A. and Rahmaninia, M., 2008) Technology of paper recycling. R.W.J.
McKinney. Tehran: Arvich Publication. (In Persian)
[9] Kissinger, M., Fix, J. and Rees, W.E., 2007. Wood and non-wood pulp production: comparative ecological footprinting on the Canadian prairies. Ecological Economics, 62(3-4), pp. 552-558. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2006.07.019.
[10] Zhong, L., Wang, H. and Hui, L., 2018. Pulping and papermaking of non-wood fibers. in Kazi, M.D.S.N. (ed.) Pulp and paper processing. IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.79017.
[11] Kim, S. and Dale, B.E., 2004. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues, Biomass and Bioenergy, 26(4), pp. 361–375. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2003.08.002.
[12] FAOSTAT (2021. Crops and Livestock Products. Available at: https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL/ (Accessed: [date]).
[13] Kim, S. and Dale, B.E., 2003. Cumulative energy and global warming impact from the production of biomass for biobased products. Journal of Industrial Ecology, 7(3-4), pp. 147-162. https://doi.org/10.1162/108819803323059442.
[14] Hedjazi, S., Kordsachia, O., Patt, R., Latibari, A.J. and Tschirner, U., 2009. Alkaline sulfite-anthraquinone (AS/AQ) pulping of wheat straw and totally chlorine-free (TCF) bleaching of pulps. Industrial Crops and Products, 29(1), pp. 27-36. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2008.03.013.
[15] Shivhare Lal, P., Bist, V., Sharma, A. and Swaroop, V., 2013. Utilization of soda ash in pulping and bleaching operation as a substitution or partial replacement of sodium hydroxide. Journal of Forest Products & Industries, 2(5), pp. 5-12.
[16] Puitel, A.C., Marin, N. and Gavrilescu, D., 2015. Lignocellulosic agricultural residues—a virgin fibre supply solution for paper-based packaging. Cellulose Chemistry and Technology, 49(7-8), pp. 633-639.
[17] Espinosa, E., Tarres, Q., Delgado-Aguilar, M., Gonzalez, I., Mutje, P. and Rodriguez, A., 2016. Suitability of wheat straw semichemical pulp for the fabrication of lignocellulosic nanofibres and their application to papermaking slurries. Cellulose, 23, pp. 837-852. https://doi.org/10.1007/s10570-015-0807-8.
[18] Tripathi, S.K., Bhardwaj, N.K. and Ghatak, H.K., 2017. Determination of main parameters affecting ozone bleaching of wheat straw pulp using Plackett–Burman design. Ozone: Science & Engineering, 40(2), pp. 148-156. https://doi.org/10.1080/01919512.2017.1352483.