- Шаг 1. Сбор урожая
- Шаг 2. Приготовление
- Шаг 3. Изготовление листов
- Шаг 4. Упаковка
- Шаг 5. Использование
Целлюлоза — лигноцеллюлозный волокнистый материал, получаемый путем химического или механического отделения целлюлозных волокон от древесины , волокнистых культур , макулатуры или ветоши . Смешанная с водой и другими химическими или растительными добавками, целлюлоза является основным сырьем, используемым в производстве бумаги и промышленном производстве других бумажных изделий . [1] [2]
До широко признанного изобретения Цай Лунем в Китае изготовления бумаги около 105 г. н.э. подобные бумаге письменные материалы, такие как папирус и амат , производились древними цивилизациями с использованием растительных материалов, которые в основном не подвергались обработке. Полоски коры или лыка сплетали вместе, сколачивали в грубые листы, сушили и полировали вручную. [3] [4] Целлюлоза, используемая в современном и традиционном производстве бумаги , отличается процессом мацерации, в результате которого образуется более тонкая и равномерная суспензия целлюлозных волокон, которые вытягиваются из раствора с помощью сита и сушатся с образованием листов или рулонов. [5] Самая ранняя бумага, производимая в Китае, состояла из лубяных волокон растения бумажной шелковицы (кодзо), а также конопляной тряпки и обрезков сетки. [5] [6] [7] К 6-му веку тутовое дерево было одомашнено фермерами в Китае специально для производства целлюлозы, которая будет использоваться в процессе изготовления бумаги. Помимо шелковицы, мякоть также изготавливали из бамбука , коры гибискуса , синего сандала , соломы и хлопка . [7] Изготовление бумаги с использованием целлюлозы из конопли и льняных волокон из рваной одежды, рыболовных сетей и тканевых мешков распространилось в Европе в 13 веке, при этом постоянно растущее использование тряпок играет центральную роль в производстве, а доступность тряпичной бумаги является фактором. в развитии полиграфии . [1] К 1800-м годам производственные потребности новых индустриализированных бумажной и полиграфической промышленности привели к изменению сырья, в первую очередь к использованию балансовой древесины и других древесных продуктов, которые сегодня составляют более 95% мирового производства целлюлозы. [8]
Использование древесной массы и изобретение автоматических бумагоделательных машин в конце 18 - начале 19 веков способствовали повышению статуса бумаги как недорогого товара 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 Матиасом Купсом в 1800 году, [1] [11] крупномасштабное производство древесной бумаги началось в 1840-е годы с уникальными одновременными разработками в области механической целлюлозы, сделанными Фридрихом Готтлобом Келлером в Германии [12] и Чарльзом Фенерти в Новой Шотландии . [9] Вскоре последовали химические процессы, сначала с использованием Дж. Ротом сернистой кислоты для обработки древесины, затем с патентом США Бенджамина Тилмана на использование бисульфита кальция Ca(HSO 3 ) 2 для получения древесины в 1867 году . 2] Почти десять лет спустя в Швеции был построен первый коммерческий завод по производству сульфитной целлюлозы . В качестве противоиона использовался магний , и он был основан на работе Карла Дэниела Экмана . К 1900 году сульфитная варка стала доминирующим способом производства древесной массы, превзойдя методы механической варки. Конкурирующий процесс химической варки целлюлозы, сульфатный или крафт -процесс, был разработан Карлом Ф. Далем в 1879 году; Первый крафт-завод был запущен в Швеции в 1890 году. [2] Изобретение Г.Х. Томлинсоном котла-утилизатора в начале 1930-х годов [12] позволило крафт-заводам перерабатывать почти все химикаты для варки целлюлозы. Это, наряду со способностью крафт-процесса обрабатывать более широкий спектр пород древесины и производить более прочные волокна, [13] сделало крафт-процесс доминирующим процессом производства целлюлозы, начиная с 1940-х годов. [2]
Мировое производство древесной массы 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), при этом Канада является крупнейшим источником с 21 процентом от общего объема, за ней следуют Соединенные Штаты. на уровне 16 процентов. Источниками древесного волокна , необходимыми для производства целлюлозы, являются «45% отходов лесопиления, 21% бревен и щепы и 34% переработанной бумаги» (Канада, 2014 г.). [15] Химическая целлюлоза составляла 93% товарной целлюлозы. [16]
Древесные ресурсы, используемые для производства древесной массы , называются балансовой древесиной . [17] Хотя теоретически для производства целлюлозы можно использовать любое дерево, предпочтение отдается хвойным деревьям, поскольку целлюлозные волокна в целлюлозе этих пород длиннее и, следовательно, делают бумагу более прочной. [18] Некоторые из наиболее часто используемых деревьев хвойных пород для изготовления бумаги включают ель , сосну , пихту , лиственницу и болиголов , а также лиственные породы , такие как эвкалипт , осина и береза . [19] Также растет интерес к генетически модифицированным породам деревьев (таким как ГМ- эвкалипт и ГМ- тополь ) из-за нескольких основных преимуществ, которые они могут дать, таких как повышенная легкость расщепления лигнина и увеличение скорости роста.
Целлюлозный завод — это производственное предприятие, которое перерабатывает древесную щепу или другой источник растительного волокна в толстый древесноволокнистый картон, который можно отправить на бумажную фабрику для дальнейшей переработки. Целлюлозу можно производить механическими, полухимическими или полностью химическими методами (крафт- и сульфитные процессы). Готовое изделие может быть как отбеленным , так и 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 изготовления бумаги), лигнин (трехмерный полимер, который связывает целлюлозные волокна вместе) и гемицеллюлозы (более разветвленные углеводные полимеры ). Целью варки целлюлозы является расщепление объемной структуры источника волокна, будь то щепа, стебли или другие части растений, на составляющие волокна.
Химическая целлюлоза достигает этого за счет разложения лигнина и гемицеллюлозы на небольшие водорастворимые молекулы, которые можно смыть с целлюлозных волокон без деполимеризации целлюлозных волокон (химическая деполимеризация целлюлозы ослабляет волокна). Различные методы механической обработки древесной массы, такие как измельченная древесина (GW) и механическая обработка древесной массы на рафинере (RMP), физически отрывают целлюлозные волокна друг от друга. Большая часть лигнина остается прилипшей к волокнам. Прочность снижается, поскольку волокна могут быть разрезаны. Существует ряд родственных методов гибридной варки целлюлозы, в которых используется сочетание химической и термической обработки для начала сокращенного процесса химической варки целлюлозы, за которым сразу же следует механическая обработка для разделения волокон. Эти гибридные методы включают термомеханическую варку варки, также известную как ТМР, и химико-термомеханическую варку варки, также известную как СТМП. Химическая и термическая обработки уменьшают количество энергии, необходимой впоследствии для механической обработки, а также уменьшают потерю прочности волокон.
Большинство целлюлозных заводов используют передовые методы управления лесами при заготовке деревьев, чтобы гарантировать, что у них есть устойчивый источник необходимого сырья . Одна из основных претензий к заготовке древесины для целлюлозных заводов заключается в том, что она снижает биоразнообразие заготавливаемого леса. На плантации целлюлозных деревьев приходится 16 процентов мирового производства целлюлозы, на старовозрастные леса — 9 процентов, а остальная часть приходится на леса второго, третьего и более поколений. [21] Лесовосстановление практикуется в большинстве районов, поэтому деревья являются возобновляемым ресурсом . FSC ( Лесной попечительский совет ), SFI ( Инициатива по устойчивому лесному хозяйству ), PEFC ( Программа одобрения лесной сертификации ) и другие организации 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 из смеси хвойных и лиственных пород высотой 12 метров (40 футов) и диаметром 15–20 сантиметров (6–8 дюймов) потребуется в среднем 24 дерева, чтобы произвести 0,9 тонны (1 тонну) изготовления печатной и писчей бумаги с использованием крафт-процесса (химической варки целлюлозы). Механическое производство целлюлозы примерно в два раза эффективнее при использовании деревьев, поскольку почти вся древесина идет на производство волокна, поэтому для производства 0,9 тонны (1 тонны) механической целлюлозы или газетной бумаги требуется около 12 деревьев . [23]
Деревянный шнур весит примерно две короткие тонны . [24]
Щепа — это процесс измельчения древесины для получения целлюлозы, а также других обработанных изделий из древесины и мульчи . Для изготовления целлюлозы пригодны только сердцевина и заболонь . Кора содержит относительно мало полезных волокон, ее удаляют и используют в качестве топлива для получения пара для использования на целлюлозном заводе. Большинство процессов производства целлюлозы требуют, чтобы древесина была измельчена и просеяна для получения щепы одинакового размера.
Существует ряд различных процессов, которые можно использовать для отделения древесного волокна:
Изготовленные точильные камни с внедренным карбидом кремния или оксидом алюминия можно использовать для измельчения небольших бревен, называемых «болтами», с получением каменной массы (SGW). Если древесину перед измельчением пропаривают, ее называют древесной массой, измельченной под давлением (PGW). На большинстве современных мельниц вместо жерновов используется щепа, а вместо точильных камней используются металлические диски с ребрами, называемые рафинерными пластинами. Если щепа просто измельчается пластинами, пульпа называется рафинерной механической целлюлозой (RMP), а если щепа во время рафинирования пропаривается, пульпа называется термомеханической целлюлозой (TMP). Обработка паром значительно снижает общее количество энергии, необходимой для изготовления целлюлозы, и уменьшает повреждение (разрезание) волокон. Механическая целлюлоза используется для производства продуктов, требующих меньшей прочности, таких как газетная бумага и картон .
Термомеханическая целлюлоза представляет собой целлюлозу, полученную путем обработки древесной щепы с использованием тепла (таким образом, «термо-») и механического рафинирования (таким образом, «-механического»). Это двухэтапный процесс, при котором бревна сначала очищаются от коры и превращаются в мелкую щепу. Эта щепа имеет влажность около 25–30 процентов. К древесной щепе прикладывается механическая сила при дроблении или измельчении, в результате чего выделяется тепло и водяной пар, а также размягчается лигнин, тем самым отделяя отдельные волокна. Затем целлюлозу просеивают и очищают, а любые комки волокна перерабатывают. Этот процесс дает высокий выход волокна из древесины (около 95 процентов), а поскольку лигнин не удаляется, волокна становятся твердыми и жесткими. [25]
Древесную щепу можно предварительно обработать карбонатом натрия , гидроксидом натрия , сульфатом натрия и другими химикатами перед рафинированием с помощью оборудования, аналогичного механической мельнице. Условия химической обработки гораздо менее жесткие (более низкая температура, более короткое время, менее экстремальный уровень pH ), чем в процессе химической варки целлюлозы, поскольку цель состоит в том, чтобы облегчить очистку волокон, а не в удалении лигнина, как в полностью химическом процессе. Целлюлоза, полученная с использованием этих гибридных процессов, известна как химико-термомеханическая целлюлоза (ХТМП).
Химическая целлюлоза производится путем объединения древесной щепы и химикатов в больших емкостях, называемых варочными котлами. Там тепло и химические вещества разрушают лигнин, который связывает целлюлозные волокна, не разрушая их серьезно . Химическая целлюлоза используется для материалов, которые должны быть более прочными или сочетаться с механической целлюлозой, чтобы придать продукту различные характеристики. Крафт -процесс является доминирующим методом химической варки целлюлозы, на втором месте – сульфитный процесс . Исторически содовая варка была первым успешным методом химической варки целлюлозы.
Переработанную целлюлозу также называют целлюлозой, очищенной от краски (DIP). DIP — это переработанная бумага , обработанная химикатами, в результате чего удаляются печатные краски и другие нежелательные элементы, а также освобождаются бумажные волокна. Этот процесс называется удалением краски .
DIP используется в качестве сырья при производстве бумаги . Многие сорта газетной бумаги , туалетной бумаги и косметических бумажных салфеток обычно на 100 процентов содержат очищенную от краски целлюлозу, а во многих других сортах, таких как легкая бумага с покрытием для офсетной печати, а также бумага для печати и письма для офисного и домашнего использования, DIP составляет значительную часть бумажной массы.
При органосольвной варке целлюлозы используются органические растворители при температуре выше 140 ° C для расщепления лигнина и гемицеллюлозы на растворимые фрагменты. Варочный раствор легко восстанавливается перегонкой. Причина использования растворителя заключается в том, чтобы сделать лигнин более растворимым в кулинарном растворе. Наиболее распространенными растворителями являются метанол , этанол , муравьиная кислота и уксусная кислота, часто в сочетании с водой .
В настоящее время ведутся исследования по разработке биоцеллюлозы (биологической целлюлозы), аналогичной химической целлюлозе, но с использованием определенных видов грибов , которые способны расщеплять нежелательный лигнин, но не целлюлозные волокна. [26] В процессе биоцеллюлозы грибковый фермент лигнинпероксидаза избирательно переваривает лигнин, оставляя оставшиеся целлюлозные волокна. Это могло бы иметь серьезные экологические преимущества в плане снижения загрязнения, связанного с химической варкой целлюлозы. Целлюлозу отбеливают с использованием стадии диоксида хлора с последующей нейтрализацией гипохлоритом кальция . Окислитель в любом случае окисляет и разрушает красители, образовавшиеся из дубильных веществ древесины и подчеркнутые (усиленные) присутствующими в ней сульфидами .
Волокно, подвергнутое паровому взрыву, представляет собой метод получения целлюлозы и экстракции, который применяется к древесине и другим волокнистым органическим материалам. [27]
Целлюлозу, полученную до этого момента в процессе, можно отбелить для производства белой бумаги . Химические вещества, используемые для отбеливания целлюлозы, являются источником экологических проблем, 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 специальный продукт для мелкой печати и художественных целей. [8] Современная художественная бумага машинного и ручного изготовления, изготовленная из хлопка, льна, конопли, абаки , кодо и других волокон, часто ценится за более длинные и прочные волокна и меньшее содержание лигнина . Лигнин , присутствующий практически во всех растительных материалах, способствует окислению и возможному разрушению бумажной продукции, что часто характеризуется потемнением и охрупчиванием бумаги с высоким содержанием лигнина, такой как газетная бумага . [28] [29] 100% хлопок или комбинация хлопка и льняной массы широко используется для изготовления документов, предназначенных для долгосрочного использования, таких как сертификаты, деньги и паспорта. [30] [31] [32]
Сегодня некоторые группы выступают за использование волокна полевых культур или сельскохозяйственных отходов вместо древесного волокна в качестве более устойчивого средства производства. [ нужна цитата ]
Соломы достаточно , чтобы удовлетворить большую часть потребностей Северной Америки в книгах, журналах, каталогах и копировальной бумаге. [ нужна цитация ] Сельскохозяйственная бумага не производится на лесных фермах . Для приготовления некоторых видов целлюлозы из сельскохозяйственных отходов требуется меньше времени, чем для древесной массы. Это означает, что бумага, производимая в сельском хозяйстве, требует меньше энергии, воды и химикатов. Целлюлоза, изготовленная из пшеничной и льняной соломы, имеет вдвое меньший экологический след, чем целлюлоза, произведенная из леса. [33]
Конопляная бумага является возможной заменой, но инфраструктура переработки, затраты на хранение и низкий процент использования завода означают, что она не является готовой заменой. [ нужна цитата ]
Однако древесина также является возобновляемым ресурсом: около 90 процентов целлюлозы поступает с плантаций или лесовосстановительных территорий. [21] На источники недревесного волокна приходится около 5–10 процентов мирового производства целлюлозы по ряду причин, включая сезонную доступность, проблемы с химическим восстановлением, белизну целлюлозы и т. д. [16] [34] В Китае по состоянию на 2009 год более высокая доля переработки недревесной целлюлозы привела к увеличению использования воды и энергии. [35]
В некоторых случаях нетканые материалы являются альтернативой бумаге из древесной массы, например, фильтровальной бумаге или чайным пакетикам .
Товарная целлюлоза – это любая разновидность целлюлозы, которая производится в одном месте, сушится и отправляется в другое место для дальнейшей переработки. [37] Важными параметрами качества целлюлозы, не связанными напрямую с волокнами, являются яркость , уровень загрязнения, вязкость и зольность. В 2004 году на его долю пришлось около 55 миллионов тонн товарной целлюлозы. [37]
Воздушно-сухая целлюлоза является наиболее распространенной формой продажи целлюлозы. Это целлюлоза, высушенная до влажности около 10 процентов. Обычно он поставляется в тюках по 250 кг. Причина, по которой оставляют 10 процентов влаги в целлюлозе, заключается в том, что это сводит к минимуму сцепление волокон с волокнами и облегчает диспергирование целлюлозы в воде для дальнейшей переработки в бумагу . [37]
Рулонная или рулонная целлюлоза является наиболее распространенной формой поставки целлюлозы на нетрадиционные рынки целлюлозы. Распушенную целлюлозу обычно отгружают в рулонах (бобинах). Эту мякоть высушивают до влажности 5–6 процентов. У заказчика он подвергается измельчению для подготовки к дальнейшей переработке. [37]
Некоторые виды целлюлозы подвергаются мгновенной сушке. Это делается путем прессования целлюлозы до влажности примерно 50 процентов, а затем ее пропускания через силосы высотой 15–17 метров. Горячий воздух, работающий на газе, является обычным источником тепла. Температура значительно выше точки обугливания целлюлозы , но большое количество влаги в стенках и просвете волокна предотвращает сгорание волокон. Его часто не высушивают до 10-процентной влажности (сушат на воздухе). Тюки упакованы не так плотно, как сухая на воздухе целлюлоза. [37]
Основное воздействие производства древесной целлюлозы на окружающую среду связано с ее воздействием на лесные ресурсы и отходы.
Влияние лесозаготовок на производство сырья для древесной массы является предметом интенсивных дискуссий. Современные методы лесозаготовок с использованием лесопользования направлены на обеспечение надежного, возобновляемого источника сырья для целлюлозных заводов . Практика сплошных вырубок представляет собой особенно деликатный вопрос, поскольку это очень заметный эффект от вырубки леса . Лесовосстановление , посадка саженцев деревьев на вырубленных территориях, также подвергается критике за уменьшение биоразнообразия , поскольку на лесонасаждённых территориях выращиваются монокультуры . Вырубка старовозрастных лесов составляет менее 10 процентов древесной массы, [21] но является одним из наиболее спорных вопросов.
Технологические стоки очищаются на установках биологической очистки сточных вод , что гарантирует нетоксичность стоков для получателя.
Механическая целлюлоза не является серьезной причиной для беспокойства по поводу окружающей среды, поскольку большая часть органических материалов сохраняется в целлюлозе, а используемые химикаты ( перекись водорода и дитионит натрия ) производят безвредные побочные продукты (воду и сульфат натрия (наконец) соответственно).
Заводы по производству химической целлюлозы, особенно крафт-заводы, являются энергетически самодостаточными и имеют практически замкнутый цикл по отношению к неорганическим химикатам.
При отбеливании хлором образуются большие количества хлорорганических соединений, в том числе полихлорированные дибензо-п-диоксины, полихлорированные дибензофураны (ПХДД/Ф). [38] [39] Многие заводы внедрили альтернативы хлорированным отбеливателям, тем самым сократив выбросы хлорорганических загрязнений. [40]
Реакция крафт-целлюлозы, в частности, выделяет соединения с неприятным запахом. Реагент сероводорода, который разрушает структуру лигнина, также вызывает некоторое деметилирование с образованием метантиола , диметилсульфида и диметилдисульфида . Эти же соединения выделяются во время многих форм микробного распада, включая внутреннее микробное действие сыра Камамбер , хотя крафт-процесс является химическим и не предполагает какого-либо микробного разложения. Эти соединения имеют чрезвычайно низкий порог запаха и неприятный запах.
Основное применение целлюлозы — производство бумаги и картона . Состав используемой целлюлозы зависит от качества готовой бумаги. Важными параметрами качества являются текстура древесины , яркость , вязкость, экстрактивные вещества, загрязненность и прочность.
Химическая целлюлоза используется для производства наноцеллюлозы . [ нужна цитата ]
Специальные сорта целлюлозы имеют множество других применений. Растворяемую целлюлозу используют при производстве регенерированной целлюлозы , которая используется в текстильном и целлофановом производстве. Его также используют для производства производных целлюлозы . Пуховая целлюлоза используется в производстве подгузников , изделий женской гигиены и нетканых материалов .
Машина Фурдринье является основой большинства современных предприятий по производству бумаги , и с момента ее создания она использовалась в некоторых вариантах. Он выполняет все этапы, необходимые для преобразования целлюлозы в конечный бумажный продукт.
В 2009 году целлюлоза NBSK продавалась в США по цене 650 долларов за тонну. Цена упала из-за падения спроса, когда газеты сократили свои размеры, отчасти из-за рецессии. [41] К 2024 году эта цена восстановилась до $1315/тонну. [42]