Buničina (papír) - Pulp (paper)

Struktura vláken buničiny
Buničina v papírně poblíž Pensacoly, 1947

Buničina je lignocelulózový vláknitý materiál připravený chemickým nebo mechanickým oddělením celulózových vláken ze dřeva , vláknitých plodin , odpadního papíru nebo hadrů . Buničina je ve směsi s vodou a dalšími chemickými nebo rostlinnými přísadami hlavní surovinou používanou při výrobě papíru a průmyslové výrobě ostatních papírových výrobků .

Dějiny

Před obecně uznávané vynálezu papírenství od Cai Lun v Číně kolem 105 nl, jako papír psaní materiálů, jako papyrus a Amate byly produkovány starověkých civilizací s využitím rostlinné materiály, které byly do značné míry v surovém stavu. Proužky kůry nebo lýkového materiálu byly spleteny dohromady, utlučeny na hrubé listy, vysušeny a ručně vyleštěny. Buničina používaná v moderním a tradičním papírenství se vyznačuje maceračním procesem, který produkuje jemnější a pravidelnější kaši z celulózových vláken, která jsou vytažena z roztoku sítem a sušena za vzniku listů nebo rolí. Nejstarší papír vyráběný v Číně se skládal z lýkových vláken z rostliny moruše (kozo) a konopného hadru a zbytků sítě. V 6. století byl strom moruše domestikován zemědělci v Číně, konkrétně za účelem výroby buničiny, která by byla použita při procesu výroby papíru. Kromě moruše se dužina vyráběla také z bambusu , ibiškové kůry, modrého santalového dřeva , slámy a bavlny . Výroba papíru za použití buničiny vyrobené z konopných a lněných vláken z potrhaných oděvů, rybářských sítí a textilních tašek se ve 13. století rozšířila do Evropy, přičemž stále větší používání hadrů je ústředním prvkem výroby a cenové dostupnosti hadrového papíru , což je faktorem vývoje z tisku . Od roku 1800, výrobní nároky na nově industrializovaných papírenském a polygrafickém průmyslu vedlo k posunu v surovinách, především využití vlákninu a dalších produktů stromů, které dnes tvoří více než 95% celosvětové produkce buničiny.

Využití dřevěné buničiny a vynález automatických papírenských strojů na konci 18. a na počátku 19. století přispěly k postavení papíru jako levné komodity v moderní době. Zatímco některé z prvních příkladů papíru vyrobeného ze dřevěné buničiny zahrnují práce publikované Jacobem Christianem Schäfferem v roce 1765 a Matthiasem Koopsem v roce 1800, ve čtyřicátých letech 19. století začala ve velkém výroba dřevěného papíru s unikátním, současným vývojem mechanického rozvlákňování od Friedricha Gottloba Kellera v Německu a Charles Fenerty v Novém Skotsku . Chemické procesy rychle následoval, nejprve s J. Roth je použití kyseliny siřičité k léčbě dřeva, pak Benjamin Tilghman je US patent na použití hydrogensiřičitanu vápenatého , Ca (HSO 3 ) 2 , na kaši dřeva v roce 1867. Téměř o deset let později byla ve Švédsku postavena první komerční celulózka na siřičitan . Jako protiion používal hořčík a byl založen na práci Carla Daniela Ekmana . V roce 1900 se sulfitová buničina stala dominantním způsobem výroby buničiny a překonala metody mechanické buničiny. Konkurenční proces chemické buničiny, sulfátový nebo kraftový proces, vyvinul Carl F. Dahl v roce 1879; první kraftový mlýn začal ve Švédsku v roce 1890. Vynález regeneračního kotle od GH Tomlinsona na počátku třicátých let 20. století umožnil kraftovým mlýnům recyklovat téměř všechny jejich celulózové chemikálie. To, spolu se schopností kraftového procesu přijímat širší škálu druhů dřeva a produkovat silnější vlákna, učinilo z kraftového procesu dominantní rozvlákňovací proces, který začal ve čtyřicátých letech minulého století.

Celosvětová produkce dřevní buničiny v roce 2006 činila 175 milionů tun (160 milionů tun). V předchozím roce bylo prodáno 63 milionů tun (57 milionů tun) buničiny z trhu (ze stejného zařízení se na papír nevyrábělo), přičemž největším zdrojem je Kanada s 21 procenty z celkového počtu, následují Spojené státy se 16 procenty . Zdroje dřevního vlákna potřebné k rozvlákňování jsou „45% zbytků pily, 21% kulatiny a štěpků a 34% recyklovaného papíru“ (Kanada, 2014). Chemická buničina tvořila 93% tržní buničiny.

Buničina

Vlákna ve dřevní hmotě

Tyto dřevěné zdroje používají k výrobě dřevoviny jsou označovány jako vlákninu . Zatímco pro výrobu buničiny lze teoreticky použít jakýkoli strom, dává se přednost jehličnatým stromům, protože celulózová vlákna v buničině těchto druhů jsou delší, a proto jsou pevnější z papíru. Některé z nejčastěji používaných měkkého dřeva stromů pro výrobu papíru patří smrk , borovice , jedle , modřín a jedlovec a tvrdá dřeva , jako je eukalyptus , osika a bříza . Roste také zájem o geneticky modifikované druhy stromů (jako GM eukalyptus a GM topol ) kvůli několika hlavním výhodám, které mohou poskytnout, jako je větší snadnost odbourávání ligninu a vyšší rychlost růstu.

Celulózky je výrobní zařízení, které převádí dřevní štěpky nebo jiný zdroj rostlinných vláken do husté vláknité desky, který může být dodáván do papírny k dalšímu zpracování. Buničinu lze vyrábět mechanickými, polochemickými nebo plně chemickými metodami (kraft a sulfitové procesy). Hotový výrobek může být bělený nebo nebělený v závislosti na požadavcích zákazníka.

Dřevo a další rostlinné materiály používané k výrobě buničiny obsahují tři hlavní složky (kromě vody): celulózová vlákna (požadovaná pro výrobu papíru), lignin (trojrozměrný polymer, který spojuje celulózová vlákna dohromady) a hemicelulózy (kratší rozvětvené uhlovodíkové polymery ). Cílem rozvlákňování je rozložit objemovou strukturu zdroje vláken, ať už se jedná o štěpky, stonky nebo jiné části rostlin, na základní vlákna.

Chemické rozvlákňování toho dosahuje degradací ligninu a hemicelulózy na malé, ve vodě rozpustné molekuly, které lze z celulózových vláken odplavit bez depolymerizace celulózových vláken (chemická depolymerace celulózy vlákna oslabuje). Různé metody mechanického rozvlákňování, jako je mleté ​​dřevo (GW) a rafinérské mechanické rozvlákňování (RMP), fyzicky odtrhávají celulózová vlákna jeden od druhého. Velká část ligninu zůstává ulpívající na vláknech. Pevnost je narušena, protože vlákna mohou být řezána. Existuje řada souvisejících hybridních metod rozvlákňování, které používají kombinaci chemického a tepelného zpracování k zahájení zkráceného procesu chemického rozvlákňování, po kterém bezprostředně následuje mechanické zpracování k oddělení vláken. Tyto hybridní metody zahrnují termomechanické rozvlákňování, také známé jako TMP, a chemithermomechanické rozvlákňování, také známé jako CTMP. Chemické a tepelné úpravy snižují množství energie následně vyžadované mechanickým zpracováním a také snižují ztrátu pevnosti, kterou vlákna trpí.

Globální produkce buničiny podle kategorie (2000)
Kategorie buničiny Výroba [mil. Tun ]
Chemikálie 131,2
Kraft 117,0
Siřičitan 7.0
Semichemický 7.2
Mechanické 37,8
Nonwood 18.0
Celková panenská vlákna 187,0
Obnovená vlákna 147,0
Celková dužina 334,0

Sklizeň stromů

Většina celulózek používá při těžbě stromů osvědčené postupy lesního hospodářství, aby zajistila, že budou mít udržitelný zdroj surovin. Jednou z hlavních stížností na těžbu dřeva pro celulózky je, že snižuje biologickou rozmanitost vytěženého lesa. Dřeň stromu plantáže tvoří 16 procent světové produkce buničiny, staré růst lesů 9 procent, a druhé a třetí a další generace lesy představují zbytek. Zalesňování se provádí ve většině oblastí, takže stromy jsou obnovitelným zdrojem . FSC ( Forest Stewardship Council ), SFI ( Sustainable Forestry Initiative ), PEFC ( Program for Endorsement of Forest Certification ) a další orgány certifikují papír vyrobený ze stromů vytěžených podle pokynů určených k zajištění správné lesnické praxe.

Počet spotřebovaných stromů závisí na tom, zda se používají mechanické nebo chemické procesy. Odhaduje se, že na základě směsi měkkých a tvrdých dřevin o výšce 12 metrů a průměru 15 až 20 centimetrů by průměrně 24 stromů vyprodukovalo 0,9 tuny (1 tunu). papíru pro tisk a psaní pomocí kraftového procesu (chemické rozvlákňování). Mechanické rozvlákňování je při používání stromů asi dvakrát účinnější, protože téměř všechno dřevo se používá na výrobu vláken, a proto je potřeba asi 12 stromů na výrobu 0,9 tuny (1 tuny) mechanické buničiny nebo novinového papíru .

V šňůře dřeva jsou zhruba dvě malé tuny .

Příprava na rozvlákňování

Štěpkování je zákon a průmysl štěpkování dřeva na buničinu, ale také na další zpracované dřevěné výrobky a mulč . K výrobě buničiny je užitečné pouze jádrové a bělové dřevo . Kůra obsahuje relativně málo užitečných vláken a je odstraňována a používána jako palivo k výrobě páry pro použití v celulózce. Většina procesů rozvlákňování vyžaduje, aby bylo dřevo štípáno a proséváno, aby se získaly třísky jednotné velikosti.

Rozvlákňování

K oddělení dřevěných vláken lze použít řadu různých procesů:

Mechanická buničina

Vyrobené brusné kameny s vloženým karbidem křemíku nebo oxidem hlinitým lze použít k broušení malých dřevěných polen, kterým se říká „šrouby“ pro výrobu kamenné buničiny (SGW). Pokud je dřevo před broušením napařeno, je známé jako tlakově mletá dřevní hmota (PGW). Většina moderních mlýnů používá místo brusných kamenů spíše třísky než polena a vyvýšené kovové kotouče, kterým se říká rafinérské desky. Pokud jsou třísky jen rozemlety s deskami, buničina se nazývá rafinační mechanická buničina (RMP) a pokud se třísky napařují, zatímco se rafinuje, buničina se nazývá termomechanická buničina (TMP). Úprava párou výrazně snižuje celkovou energii potřebnou k výrobě buničiny a snižuje poškození (řezání) vláken. Mechanické buničiny se používají pro výrobky, které vyžadují menší pevnost, jako je novinový papír a lepenka .

Termomechanická buničina

Mechanický rozvlákňovací proces

Termomechanická buničina je buničina vyráběná zpracováním dřevní štěpky pomocí tepla (tedy „ termo- “) a mechanického rafinačního pohybu (tedy „-mechanického“). Jedná se o dvoustupňový proces, kdy jsou kulatiny nejprve zbaveny kůry a přeměněny na malé štěpky. Tyto čipy mají obsah vlhkosti kolem 25–30 procent. Na štěpku působí mechanická síla při drcení nebo mletí, která vytváří teplo a vodní páru a změkčuje lignin, čímž se oddělují jednotlivá vlákna. Buničina se pak proseje a vyčistí, případné shluky vláken se znovu zpracují. Tento proces poskytuje vysoký výtěžek vlákna ze dřeva (asi 95 procent) a protože lignin nebyl odstraněn, jsou vlákna tvrdá a tuhá.

Chemicko-termomechanická buničina

Dřevěné třísky může být předem ošetřeny uhličitanu sodného , hydroxidu sodného , síranu sodného a jiných chemických látek před rafinaci se zařízením podobným mechanického mlýnu. Podmínky chemického zpracování jsou mnohem méně energické (nižší teplota, kratší doba, méně extrémní pH ) než v procesu chemického rozvlákňování, protože cílem je usnadnit rafinaci vláken, nikoli odstraňovat lignin jako v plně chemickém procesu. Buničiny vyrobené pomocí těchto hybridních procesů jsou známé jako chemicko-termomechanické buničiny (CTMP).

Chemická buničina

International Paper Company, celulózka, která vyrábí vláknitou buničinu pro použití v absorpčních výrobcích s kraftovým procesem

Chemická buničina se vyrábí kombinací dřevní štěpky a chemikálií ve velkých nádobách zvaných vyhnívače. Teplo a chemikálie zde rozkládají lignin, který spojuje celulózová vlákna, aniž by celulózová vlákna vážně degradovala . Chemická buničina se používá pro materiály, které musí být pevnější nebo v kombinaci s mechanickými buničinami, aby měl výrobek jiné vlastnosti. Proces Kraft je dominantní chemická metoda rozvlákňování, se siřičitanem procesu sekundu. Historicky byla soda rozvlákňování první úspěšnou metodou chemického rozvlákňování.

Recyklovaná buničina

Recyklovaná buničina se také nazývá deinked pulp (DIP). DIP je recyklovaný papír, který byl zpracován chemikáliemi, čímž se odstranily tiskové barvy a další nežádoucí prvky a uvolnila se papírová vlákna. Tento proces se nazývá deinking .

DIP se používá jako surovina při výrobě papíru . Mnoho tříd novinového papíru , toaletního papíru a obličejových kapesníků běžně obsahuje 100 procent deinkované buničiny a v mnoha jiných stupních, jako je lehký povlak pro ofsetové a tiskové a psací papíry pro kancelářské a domácí použití, tvoří DIP podstatnou část nábytku.

Organosolvové rozvlákňování

Organosolv pulping používá organická rozpouštědla při teplotách nad 140 ° C k rozkladu ligninu a hemicelulózy na rozpustné fragmenty. Vláknina se snadno získá destilací. Důvodem použití rozpouštědla je, aby byl lignin rozpustnější ve varném louhu. Nejčastěji používanými rozpouštědly jsou methanol , ethanol , kyselina mravenčí a kyselina octová, často v kombinaci s vodou .

Alternativní metody rozvlákňování

Probíhá výzkum s cílem vyvinout biopulpování (biologické rozvlákňování), podobné chemickému rozvlákňování, ale s využitím určitých druhů hub, které jsou schopné rozložit nežádoucí lignin, nikoli však celulózová vlákna. V procesu biopulping fungální enzym lignin peroxidáza selektivní štěpení ligninu opustit zbývající celulózových vláken. To by mohlo mít velký přínos pro životní prostředí při snižování znečištění spojeného s chemickým rozvlákňováním. Buničina se bělí za použití stupně chlordioxidu, následuje neutralizace a chlornan vápenatý . Oxidační činidlo v obou případech se oxiduje a ničí barviva vytvořené z taninů ze dřeva a zvýrazní (zesílené) od sulfidů přítomných v něm.

Parou explodované vlákno je rozvlákňovací a extrakční technika, která byla aplikována na dřevo a jiný vláknitý organický materiál.

Bělení

Buničina vyrobená až do tohoto bodu procesu může být bělena za vzniku produktu z bílého papíru . Chemikálie používané k bělení buničiny jsou zdrojem obav o životní prostředí a v poslední době celulózový průmysl používá alternativy k chloru , jako je oxid chloričitý , kyslík , ozón a peroxid vodíku .

Alternativy k dřevní buničině

Buničina vyrobená z nedřevních rostlinných zdrojů nebo z recyklovaných textilií se dnes vyrábí převážně jako speciální produkt pro jemné tisky a umělecké účely. Moderní strojně a ručně vyráběné umělecké papíry vyrobené z bavlny, lnu, konopí, abaky , kozo a dalších vláken jsou často ceněny pro delší, silnější vlákna a nižší obsah ligninu . Lignin , přítomný prakticky ve všech rostlinných materiálech, přispívá k okyselení a případnému rozpadu papírových produktů, často charakterizovaných hnědnutím a křehnutím papíru s vysokým obsahem ligninu, jako je novinový papír . 100% bavlna nebo kombinace bavlny a lněné buničiny se široce používá k výrobě dokumentů určených pro dlouhodobé použití, jako jsou certifikáty, měna a pasy.

Dnes některé skupiny podporují používání polních plodin nebo zemědělských zbytků namísto dřevěných vláken jako udržitelnější způsob výroby.

Je tam dost slámy, která uspokojí většinu potřeb severoamerických knih, časopisů, katalogů a kopírovacích papírů. Zemědělský papír nepochází ze stromových farem . U některých zemědělských zbytků se vaří méně času než u dřevoviny. To znamená, že papír na zemědělské bázi spotřebovává méně energie, méně vody a méně chemikálií. Buničina vyrobená z pšenice a lněné slámy má polovinu ekologické stopy buničiny vyrobené z lesů.

Konopný papír je možnou náhradou, ale infrastruktura zpracování, náklady na skladování a nízké procento použitelnosti závodu znamená, že není připravenou náhradou.

Dřevo je však také obnovitelným zdrojem, přičemž asi 90 procent buničiny pochází z plantáží nebo zalesněných oblastí. Zdroje nedřevních vláken představují přibližně 5–10 procent celosvětové produkce buničiny, a to z různých důvodů, včetně sezónní dostupnosti, problémů s chemickou obnovou, jasu buničiny atd. V Číně je od roku 2009 vyšší podíl -zpracování buničiny zvýšilo spotřebu vody a energie.

Netkané textilie jsou v některých aplikacích alternativou k papíru vyrobenému ze dřevěné buničiny, jako je filtrační papír nebo čajové sáčky .

Porovnání typických surovin používaných při rozvlákňování
Komponent Dřevo Nonwood
Sacharidy 65–80% 50–80%
- Celulóza
40–45% 30–45%
- Hemicelulóza
23–35% 20–35%
Lignin 20–30% 10–25%
Výtažky 2–5% 5–15%
Bílkoviny <0,5% 5–10%
Anorganika 0,1–1% 0,5–10%
- SiO 2
<0,1% 0,5–7%

Dužina na trhu

Trhová buničina je jakákoli odrůda buničiny, která se vyrábí na jednom místě, suší se a zasílá na jiné místo k dalšímu zpracování. Důležitými kvalitativními parametry buničiny, která přímo nesouvisí s vlákny, jsou jas , úrovně znečištění, viskozita a obsah popela. V roce 2004 to představovalo asi 55 milionů tun tržní buničiny.

Suchá buničina na vzduchu je nejběžnější formou prodeje buničiny. Tato buničina se suší na obsah vlhkosti přibližně 10 procent. Obvykle se dodává jako lisovaný balík o hmotnosti 250 kg. Důvodem ponechání 10 procent vlhkosti v buničině je to, že se tím minimalizuje spojení vláken s vlákny a usnadňuje se rozptýlení buničiny ve vodě pro další zpracování na papír .

Rolovací buničina nebo kotoučová buničina je nejběžnější formou dodávky buničiny na netradiční trhy s buničinou. Vláknina je obvykle dodávána na rolích (kotoučích). Tato buničina se suší na obsah vlhkosti 5–6 procent. U zákazníka jde o proces rozmělňování, aby se připravil na další zpracování.

Některé buničiny se suší bleskem. To se provádí tak, že se dužina přitlačí na přibližně 50 procent vlhkosti a poté se nechá propadnout silami o výšce 15–17 m. Plynový horký vzduch je normálním zdrojem tepla. Teplota je vysoko nad char bodu z celulózy , ale velké množství vlhkosti v stěny vlákna a lumen zabraňuje vláken z spalován. Často se nevysuší na 10 procent vlhkosti (na vzduchu). Balíky nejsou tak hustě zabalené jako sušina na vzduchu.

Obavy o životní prostředí

Hlavní environmentální dopady výroby buničiny pocházejí z jejího dopadu na lesní zdroje a z jeho odpadních produktů.

Lesní zdroje

Vliv těžby dřeva na poskytnutí suroviny pro dřevní buničinu je oblastí intenzivní debaty. Moderní postupy těžby využívající lesní hospodářství se snaží poskytnout spolehlivý a obnovitelný zdroj surovin pro celulózky . Praxe řezání je obzvláště citlivou otázkou, protože je to velmi viditelný efekt protokolování . Zalesňování , výsadba sazenic stromů na lesních plochách, bylo rovněž kritizováno za snižování biologické rozmanitosti, protože zalesněné oblasti jsou monokultury . Těžba starých pralesů představuje méně než 10 procent dřevní hmoty , ale je jedním z nejkontroverznějších problémů.

Odpady z celulózek

Odpady z procesu jsou zpracovávány v biologické čistírně odpadních vod , která zaručuje, že odpadní vody nejsou v recipientu toxické.

Mechanická buničina nepředstavuje zásadní problém pro životní prostředí, protože většina organického materiálu je zadržena v buničině a použité chemikálie ( peroxid vodíku a dithionit sodný ) produkují nezhoubné vedlejší produkty (voda, respektive síran sodný ).

Chemické celulózky, zejména sulfátové, jsou energeticky soběstačné a s ohledem na anorganické chemikálie jsou téměř uzavřeným cyklem.

Bělením chlorem vzniká velké množství organických sloučenin chloru , včetně polychlorovaných dibenzo-p-dioxinů, polychlorovaných dibenzofuranů (PCDD/Fs). Mnoho mlýnů přijalo alternativy k chlorovaným bělicím činidlům, čímž se snížily emise organochlorového znečištění.

Problémy s pachem

Zvláště kraftová rozvlákňovací reakce uvolňuje páchnoucí sloučeniny. Sirovodíkové činidlo, které degraduje ligninovou strukturu, také způsobuje určitou demetylaci za vzniku methanthiolu , dimethylsulfidu a dimethyl disulfidu . Stejné sloučeniny se uvolňují během mnoha forem mikrobiálního rozpadu, včetně vnitřního mikrobiálního působení v sýru Camembert , ačkoli kraftový proces je chemický a nezahrnuje žádnou mikrobiální degradaci. Tyto sloučeniny mají extrémně nízké prahové hodnoty zápachu a nepříjemné pachy.

Aplikace

Hlavními aplikacemi celulózy jsou výroba papíru a lepenky . Dodávka použitých buničin závisí na kvalitě hotového papíru. Důležitými kvalitativními parametry jsou dřevěný nábytek , jas , viskozita, extrakční látky, počet nečistot a pevnost.

Chemické buničiny se používají k výrobě nanocelulózy .

Speciální druhy buničiny mají mnoho dalších aplikací. Rozpouštějící se buničina se používá k výrobě regenerované celulózy, která se používá k výrobě textilu a celofánu . Používá se také k výrobě derivátů celulózy . Vláknina se používá v plenkách , dámských hygienických výrobcích a netkaných textiliích .

Výroba papíru

Fourdrinierův stroj je základem pro nejmodernější výrobu papíru a od svého koncepce se používá v určitých variantách. Splňuje všechny kroky potřebné k transformaci buničiny na finální papírový výrobek.

Ekonomika

V roce 2009 se dužina NBSK ve Spojených státech prodávala za 650 $/t. Cena klesla kvůli klesající poptávce, když noviny zmenšily svou velikost, částečně v důsledku recese.

Viz také

Reference

Bibliografie

  • "Pulp and Paper" , Environment Canada , Government of Canada, 2014, archivováno z originálu dne 2016-04-21 , vyvoláno 2014-03-31.