- Шаг 1. Сбор урожая
- Шаг 2. Приготовление.
- Шаг 3. Изготовление листов
- Шаг 4. Упаковка
- Шаг 5. Использование
Целлюлоза — это волокнистый лигноцеллюлозный материал, полученный химическим, полухимическим или механическим способом из древесины , волокнистых культур , макулатуры или тряпья . Смешанная с водой и другими химикатами или растительными добавками, целлюлоза является основным сырьем, используемым в производстве бумаги и промышленном производстве других бумажных изделий . [1] [2]
До широко признанного изобретения производства бумаги Цай Лунем в Китае около 105 г. н. э., похожие на бумагу материалы для письма, такие как папирус и амате, изготавливались древними цивилизациями с использованием растительных материалов, которые в основном не подвергались обработке. Полоски коры или лубяного материала сплетались вместе, отбивались в грубые листы, высушивались и полировались вручную. [3] [4] Целлюлоза, используемая в современном и традиционном производстве бумаги, отличается процессом мацерации, который производит более тонкую, более равномерную суспензию целлюлозных волокон, которые вытягиваются из раствора с помощью сита и высушиваются для формирования листов или рулонов. [5] Самая ранняя бумага, произведенная в Китае, состояла из лубяных волокон из растения бумажной шелковицы (кодо) вместе с обрезками пеньковой тряпки и сетки. [5] [6] [7] К VI веку тутовое дерево было одомашнено фермерами в Китае специально для производства целлюлозы, которая использовалась в процессе изготовления бумаги. Помимо шелковицы, целлюлозу также делали из бамбука , коры гибискуса , голубого сандалового дерева , соломы и хлопка . [7] Изготовление бумаги с использованием целлюлозы из конопляных и льняных волокон из лохмотьев одежды, рыболовных сетей и тканевых мешков распространилось в Европе в 13 веке, при этом все более широкое использование тряпок стало центральным элементом в производстве и доступности тряпичной бумаги , что стало фактором развития печати . [ 1] К 1800-м годам производственные требования к недавно индустриализированным бумажным и полиграфическим отраслям привели к изменению сырья, в частности, к использованию целлюлозной древесины и других древесных продуктов, которые сегодня составляют более 95% мирового производства целлюлозы. [8]
Использование древесной массы и изобретение автоматических бумагоделательных машин в конце XVIII и начале XIX века способствовали тому, что бумага стала недорогим товаром в наше время. [1] [9] [10] Хотя некоторые из самых ранних примеров бумаги, изготовленной из древесной массы, включают работы, опубликованные Якобом Кристианом Шеффером в 1765 году и Маттиасом Купсом в 1800 году, [1] [11] крупномасштабное производство древесной бумаги началось в 1840-х годах с уникальными, одновременными разработками в области механической варки целлюлозы, выполненными Фридрихом Готтлобом Келлером в Германии [12] и Чарльзом Фенерти в Новой Шотландии . [9] Химические процессы быстро последовали, сначала с использованием Дж. Ротом сернистой кислоты для обработки древесины, затем с патентом США Бенджамина Тилгмана на использование бисульфита кальция , Ca(HSO3 ) 2 , для варки древесины в 1867 году. [2] Почти десятилетие спустя в Швеции был построен первый промышленный завод по производству сульфитной целлюлозы . Он использовал магний в качестве противоиона и был основан на работе Карла Даниэля Экмана . К 1900 году сульфитная варка стала доминирующим способом производства древесной целлюлозы, превзойдя методы механической варки. Конкурирующий химический процесс варки целлюлозы, сульфатный, или крафт -процесс, был разработан Карлом Ф. Далем в 1879 году; первый крафт-завод начал работу в Швеции в 1890 году. [2] Изобретение котла-утилизатора Г. Х. Томлинсоном в начале 1930-х годов [12] позволило крафт-заводам перерабатывать почти все свои химикаты для варки целлюлозы. Это, наряду со способностью крафт-процесса перерабатывать более широкий спектр пород древесины и производить более прочные волокна, [13] сделало крафт-процесс доминирующим процессом варки целлюлозы, начиная с 1940-х годов. [2]
Мировое производство древесной целлюлозы в 2006 году составило 175 миллионов тонн (160 миллионов тонн). [14] В предыдущем году было продано 63 миллиона тонн (57 миллионов тонн) товарной целлюлозы (не переработанной в бумагу на том же предприятии), причем Канада была крупнейшим источником с 21 процентом от общего объема, за ней следовали Соединенные Штаты с 16 процентами. Источниками древесного волокна , необходимыми для варки целлюлозы, являются «45% лесопильных отходов, 21% бревен и щепы и 34% переработанной бумаги» (Канада, 2014). [15] Химическая целлюлоза составляла 93% товарной целлюлозы. [16]
Древесные ресурсы , используемые для производства древесной массы, называются балансовой древесиной . [17] Хотя теоретически любое дерево может быть использовано для производства целлюлозы, хвойные деревья являются предпочтительными, поскольку целлюлозные волокна в целлюлозе этих видов длиннее, и, следовательно, из них получается более прочная бумага. [18] Некоторые из наиболее часто используемых для производства бумаги деревьев включают хвойные породы, такие как ель , сосна , пихта , лиственница и тсуга , а также твердые породы , такие как эвкалипт , осина и береза . [19] Также растет интерес к генетически модифицированным видам деревьев (таким как ГМ -эвкалипт и ГМ- тополь ) из-за нескольких важных преимуществ, которые они могут обеспечить, таких как повышенная легкость расщепления лигнина и повышенная скорость роста.
Целлюлозный завод — это производственное предприятие, которое перерабатывает древесную щепу или другие растительные волокна в толстый древесноволокнистый картон, который может быть отправлен на бумажную фабрику для дальнейшей обработки. Целлюлоза может быть изготовлена механическими, полухимическими или полностью химическими методами (крафт-процессы и сульфитные процессы). Готовый продукт может быть отбеленным или неотбеленным, в зависимости от требований заказчика.
Древесина и другие растительные материалы, используемые для производства целлюлозы, содержат три основных компонента (помимо воды): целлюлозные волокна (необходимые для производства бумаги), лигнин (трехмерный полимер, который связывает целлюлозные волокна вместе) и гемицеллюлозы (короткоразветвленные углеводные полимеры ). Целью варки целлюлозы является разрушение объемной структуры источника волокна, будь то щепа, стебли или другие части растения, на составляющие волокна.
Химическая варка целлюлозы достигает этого путем разложения лигнина и гемицеллюлозы на небольшие водорастворимые молекулы, которые можно вымыть из волокон целлюлозы без деполимеризации волокон целлюлозы (химическая деполимеризация целлюлозы ослабляет волокна). Различные методы механической варки целлюлозы, такие как измельчение древесной массы (GW) и механическая варка рафинером (RMP), физически отрывают волокна целлюлозы друг от друга. Большая часть лигнина остается прилипшей к волокнам. Прочность ухудшается, поскольку волокна могут быть разрезаны. Существует ряд связанных гибридных методов варки целлюлозы, которые используют комбинацию химической и термической обработки для начала сокращенного процесса химической варки целлюлозы, за которым немедленно следует механическая обработка для разделения волокон. Эти гибридные методы включают термомеханическую варку целлюлозы, также известную как TMP, и химико-термомеханическую варку целлюлозы, также известную как CTMP. Химическая и термическая обработки уменьшают количество энергии, впоследствии требуемой механической обработкой, а также уменьшают количество потери прочности, испытываемой волокнами.
Большинство целлюлозных заводов используют надлежащие методы управления лесами при заготовке деревьев, чтобы гарантировать, что у них есть устойчивый источник сырья ссылка требуется . Одной из основных жалоб на заготовку древесины для целлюлозных заводов является то, что это снижает биоразнообразие заготовленного леса. Плантации целлюлозных деревьев составляют 16 процентов мирового производства целлюлозы, старовозрастные леса - 9 процентов, а леса второго, третьего и последующих поколений составляют остальную часть. [21] Лесовосстановление практикуется в большинстве областей, поэтому деревья являются возобновляемым ресурсом . FSC ( Лесной попечительский совет ), SFI ( Инициатива по устойчивому лесному хозяйству ), PEFC ( Программа по одобрению лесной сертификации ) и другие органы сертифицируют бумагу, изготовленную из деревьев, заготовленных в соответствии с руководящими принципами, призванными обеспечить надлежащую практику лесного хозяйства. [22]
Количество потребляемых деревьев зависит от того, используются ли механические или химические процессы. Было подсчитано, что на основе смеси хвойных и лиственных пород деревьев высотой 12 метров (40 футов) и диаметром 15–20 сантиметров (6–8 дюймов) потребуется в среднем 24 дерева для производства 0,9 тонны (1 тонны) печатной и писчей бумаги с использованием крафт-процесса (химической варки целлюлозы). Механическая варка целлюлозы примерно в два раза эффективнее в использовании деревьев, поскольку почти вся древесина используется для производства волокна, поэтому для производства 0,9 тонны (1 тонны) механической целлюлозы или газетной бумаги требуется около 12 деревьев . [23]
В связке древесины содержится примерно две короткие тонны . [24]
Измельчение древесины — это процесс и отрасль измельчения древесины для получения целлюлозы, а также для других обработанных древесных продуктов и мульчи . Только сердцевина и заболонь пригодны для производства целлюлозы. Кора содержит относительно мало полезных волокон и удаляется и используется в качестве топлива для получения пара для использования на целлюлозном заводе. Большинство процессов варки целлюлозы требуют, чтобы древесина была измельчена и просеяна для получения щепы одинакового размера.
Существует ряд различных процессов, которые можно использовать для разделения древесного волокна:
Изготовленные точильные камни со встроенным карбидом кремния или оксидом алюминия могут использоваться для измельчения небольших деревянных бревен, называемых «болтами», для получения каменной массы (SGW). Если древесина пропаривается перед измельчением, она известна как древесная масса, измельченная под давлением (PGW). Большинство современных мельниц используют щепу вместо бревен и ребристые металлические диски, называемые пластинами рафинера, вместо точильных камней. Если щепа просто измельчается пластинами, целлюлоза называется механической целлюлозой рафинера (RMP), а если щепа пропаривается во время рафинирования, целлюлоза называется термомеханической целлюлозой (TMP). Обработка паром значительно снижает общую энергию, необходимую для изготовления целлюлозы, и уменьшает повреждение (резку) волокон. Механическая целлюлоза используется для продуктов, требующих меньшей прочности, таких как газетная бумага и картон .
Термомеханическая целлюлоза — это целлюлоза, полученная путем обработки древесной щепы с использованием тепла (отсюда «термо-») и механического движения очистки (отсюда «-механический»). Это двухэтапный процесс, в котором бревна сначала очищаются от коры и преобразуются в мелкую щепу. Содержание влаги в этой щепе составляет около 25–30 процентов. К древесной щепе прикладывается механическое усилие в процессе дробления или измельчения, которое генерирует тепло и водяной пар и размягчает лигнин, таким образом разделяя отдельные волокна. Затем целлюлозу просеивают и очищают, любые комки волокон перерабатывают. Этот процесс дает высокий выход волокна из древесины ( около 95 процентов), и поскольку лигнин не был удален, волокна становятся твердыми и жесткими. [25]
Древесная щепа может быть предварительно обработана карбонатом натрия , гидроксидом натрия , сульфатом натрия и другими химикатами перед очисткой на оборудовании, похожем на механическую мельницу. Условия химической обработки гораздо менее интенсивны (более низкая температура, более короткое время, менее экстремальный pH ), чем в процессе химической варки целлюлозы, поскольку цель состоит в том, чтобы сделать волокна более поддающимися очистке, а не удалить лигнин, как в полностью химическом процессе. Массы, полученные с использованием этих гибридных процессов, известны как химико-термомеханические массы (ХТММ).
Химическая целлюлоза производится путем объединения древесной щепы и химикатов в больших емкостях, называемых варочными котлами. Там тепло и химикаты расщепляют лигнин, который связывает целлюлозные волокна вместе, не разрушая их серьезно . Химическая целлюлоза используется для материалов, которые должны быть прочнее или в сочетании с механической целлюлозой для придания продукту других характеристик. Крафт-процесс является доминирующим методом химической варки целлюлозы, а сульфитный процесс — вторым. Исторически натронная варка целлюлозы была первым успешным методом химической варки целлюлозы.
Переработанная целлюлоза также называется очищенной от краски целлюлозой (DIP). DIP — это переработанная бумага , обработанная химикатами, в результате чего удаляются типографские краски и другие нежелательные элементы, а также освобождаются бумажные волокна. Этот процесс называется очищением от краски .
DIP используется в качестве сырья в производстве бумаги . Многие сорта газетной бумаги , туалетной бумаги и косметических салфеток обычно содержат 100 процентов очищенной от краски целлюлозы, а во многих других сортах, таких как легкое покрытие для офсетной и печатной печати, а также писчая бумага для офисного и домашнего использования, DIP составляет значительную долю композиции.
Варка органосольвентной целлюлозы использует органические растворители при температуре выше 140 °C для расщепления лигнина и гемицеллюлозы на растворимые фрагменты. Варочный раствор легко восстанавливается путем перегонки. Причина использования растворителя заключается в том, чтобы сделать лигнин более растворимым в варочном растворе. Наиболее часто используемыми растворителями являются метанол , этанол , муравьиная кислота и уксусная кислота, часто в сочетании с водой .
Ведутся исследования по разработке биоцеллюлозы (биологической целлюлозы), похожей на химическую целлюлозу, но использующей определенные виды грибов , которые способны расщеплять нежелательный лигнин, но не целлюлозные волокна. [26] В процессе биоцеллюлозы грибковый фермент лигнинпероксидаза селективно переваривает лигнин, оставляя оставшиеся целлюлозные волокна. Это может иметь значительные экологические преимущества в снижении загрязнения, связанного с химической целлюлозой. Целлюлоза отбеливается с использованием стадии диоксида хлора с последующей нейтрализацией и гипохлоритом кальция . Окислитель в любом случае окисляет и разрушает красители, образованные из танинов древесины и подчеркнутые (усиленные) присутствующими в ней сульфидами .
Паровой взрыв волокна – это метод варки и экстракции, который применяется к древесине и другим волокнистым органическим материалам. [27]
Целлюлоза, полученная до этого момента в процессе, может быть отбелена для производства белой бумажной продукции. Химикаты, используемые для отбеливания целлюлозы, стали источником экологической опасности, и в последнее время целлюлозная промышленность использует альтернативы хлору , такие как диоксид хлора , кислород , озон и перекись водорода .
Целлюлоза, изготовленная из недревесных растительных источников или переработанного текстиля , сегодня производится в основном как специализированный продукт для мелкой печати и художественных целей. [8] Современная художественная бумага машинного и ручного производства, изготовленная из хлопка, льна, конопли, абаки , козо и других волокон, часто ценится за их более длинные, прочные волокна и более низкое содержание лигнина . Лигнин , присутствующий практически во всех растительных материалах, способствует подкислению и возможному разрушению бумажных изделий, часто характеризующемуся потемнением и охрупчиванием бумаги с высоким содержанием лигнина, такой как газетная бумага . [28] [29] 100% хлопок или комбинация хлопковой и льняной целлюлозы широко используется для производства документов, предназначенных для долгосрочного использования, таких как сертификаты, валюта и паспорта. [30] [31] [32]
Сегодня некоторые группы выступают за использование полевых волокон или сельскохозяйственных отходов вместо древесного волокна как более устойчивого средства производства. [ необходима цитата ]
Соломы достаточно , чтобы удовлетворить большую часть потребностей Северной Америки в книжной, журнальной, каталоговой и копировальной бумаге. [ требуется ссылка ] Бумага на основе сельского хозяйства не производится на лесных фермах . Некоторые виды целлюлозы из сельскохозяйственных отходов требуют меньше времени для приготовления, чем древесная целлюлоза. Это означает, что бумага на основе сельского хозяйства потребляет меньше энергии, меньше воды и меньше химикатов. Целлюлоза, изготовленная из пшеничной и льняной соломы, имеет вдвое меньший экологический след, чем целлюлоза, изготовленная из лесов. [33]
Конопляная бумага является возможной заменой, но инфраструктура переработки, затраты на хранение и низкий процент пригодности растения к использованию означают, что она не является готовой заменой. [ необходима цитата ]
Однако древесина также является возобновляемым ресурсом, около 90 процентов целлюлозы поступает с плантаций или лесовосстановленных территорий. [21] Источники недревесного волокна составляют около 5–10 процентов мирового производства целлюлозы по разным причинам, включая сезонную доступность, проблемы с химическим восстановлением, яркость целлюлозы и т. д. [16] [34] В Китае по состоянию на 2009 год более высокая доля переработки недревесной целлюлозы увеличила потребление воды и энергии. [35]
Нетканые материалы в некоторых случаях являются альтернативой бумаге, изготовленной из древесной массы, например, фильтровальной бумаге или чайным пакетикам .
Целлюлоза товарная — это любая разновидность целлюлозы, которая производится в одном месте, высушивается и отправляется в другое место для дальнейшей обработки. [37] Важными параметрами качества целлюлозы, не связанными напрямую с волокнами, являются яркость , уровень загрязненности, вязкость и содержание золы. В 2004 году на ее долю пришлось около 55 миллионов метрических тонн целлюлозы товарной. [37]
Воздушно-сухая целлюлоза является наиболее распространенной формой продажи целлюлозы. Это целлюлоза, высушенная до примерно 10-процентного содержания влаги. Обычно она поставляется в виде листовых кип по 250 кг. Причина, по которой в целлюлозе оставляют 10-процентную влажность, заключается в том, что это минимизирует сцепление волокон друг с другом и облегчает диспергирование целлюлозы в воде для дальнейшей переработки в бумагу . [37]
Рулонная целлюлоза или рулонная целлюлоза являются наиболее распространенной формой поставки целлюлозы на нетрадиционные рынки целлюлозы. Распушенная целлюлоза обычно поставляется в рулонах (бобинах). Эта целлюлоза высушивается до содержания влаги 5–6 процентов. У заказчика она идет на процесс измельчения для подготовки к дальнейшей обработке. [37]
Некоторые виды целлюлозы подвергаются мгновенной сушке. Это делается путем прессования целлюлозы до содержания влаги около 50 процентов, а затем пропускания ее через силосы высотой 15–17 м. Газовый горячий воздух является обычным источником тепла. Температура значительно выше точки обугливания целлюлозы , но большое количество влаги в стенках волокон и просвете препятствует сжиганию волокон. Часто ее не высушивают до 10 процентов влажности (воздушно-сухую). Кипы не так плотно упакованы, как воздушно-сухая целлюлоза. [ 37]
Основное воздействие производства древесной массы на окружающую среду обусловлено ее воздействием на лесные ресурсы и образующимися при этом отходами.
Влияние лесозаготовок на обеспечение сырьем для древесной массы является предметом интенсивных дебатов. Современные методы лесозаготовок , использующие лесоуправление, стремятся обеспечить надежный возобновляемый источник сырья для целлюлозных заводов . Практика сплошной вырубки является особенно чувствительным вопросом, поскольку это очень заметный эффект лесозаготовок . Лесовосстановление , посадка саженцев деревьев на вырубленных территориях, также подвергалось критике за сокращение биоразнообразия , поскольку восстановленные территории являются монокультурами . Вырубка старовозрастных лесов составляет менее 10 процентов древесной массы, [21] но является одним из самых спорных вопросов.
Технологические стоки очищаются на биологических очистных сооружениях , что гарантирует отсутствие токсичности стоков в принимающей стороне.
Механическая целлюлоза не представляет серьезной проблемы для окружающей среды, поскольку большая часть органического материала сохраняется в целлюлозе, а используемые химикаты ( перекись водорода и дитионит натрия ) производят безопасные побочные продукты (воду и сульфат натрия (в конечном итоге) соответственно).
Химические целлюлозные заводы, особенно крафт-фабрики, являются энергетически самодостаточными и имеют практически замкнутый цикл в отношении неорганических химикатов.
Отбеливание хлором приводит к образованию большого количества хлорорганических соединений, включая полихлорированные дибензо-п-диоксины, полихлорированные дибензофураны (ПХДД/Ф). [38] [39] Многие фабрики внедрили альтернативы хлорированным отбеливающим веществам, тем самым сократив выбросы хлорорганических загрязняющих веществ. [40]
Реакция крафт-варки в частности выделяет дурно пахнущие соединения. Сульфидный реагент, который разрушает структуру лигнина, также вызывает некоторое деметилирование, давая метантиол , диметилсульфид и диметилдисульфид . [41] Эти же соединения выделяются во многих формах микробного распада, включая внутреннее микробное действие в сыре Камамбер , хотя крафт-процесс является химическим и не включает в себя микробное разложение. Эти соединения имеют чрезвычайно низкие пороги обоняния и неприятные запахи.
Основные области применения целлюлозы — производство бумаги и картона . Состав используемой целлюлозы зависит от качества готовой бумаги. Важными параметрами качества являются состав древесины , яркость , вязкость, экстрактивные вещества, количество примесей и прочность.
Химическая целлюлоза используется для производства наноцеллюлозы . [ необходима ссылка ]
Специальные сорта целлюлозы имеют множество других применений. Растворимая целлюлоза используется для производства регенерированной целлюлозы , которая используется в производстве текстиля и целлофана . Она также используется для производства производных целлюлозы . Распушенная целлюлоза используется в подгузниках , средствах женской гигиены и нетканых материалах .
Машина Фурдринье является основой для большинства современных методов производства бумаги , и она использовалась в различных вариациях с момента ее создания. Она выполняет все этапы, необходимые для преобразования целлюлозы в конечный бумажный продукт.
В 2009 году целлюлоза NBSK продавалась в США по $650/тонна. Цена упала из-за падения спроса, когда газеты уменьшили свой размер, отчасти из-за рецессии. [42] К 2024 году эта цена восстановилась до $1315/тонна. [43]