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

1
BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY GIẤY VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLÔ
**************&************







BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2008


NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI TÍNH CHẤT VẬT LÝ
VÀ HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU GỖ KEO
TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ KIỀM NÓNG



Cơ quan chủ quản: BỘ CÔNG THƯƠNG
Cơ quan chủ trì: VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLÔ
Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Thanh Tú
Kỹ sư công nghệ giấy

7123
17/02/2009


HÀ NỘI 2/2009


2
MỤC LỤC
TT Nội dung Trang
Mở đầu 1
I Tổng quan về tính chất vật lý và thành phần hóa học của gỗ lá
rộng
3
1.1 Tính chất vật lý và thành phần hóa học của một số loại nguyên
liệu gỗ lá rộng
3
1.1.1 Tính chất vật lý của một số loại nguyên liệu gỗ lá rộng 3
1.1.1.1 Cấu trúc hình thái học 3
1.1.1.2 Tỷ trọng 9
1.1.1.3 Một số nét đặc trưng của gỗ keo 10
1.1.2 Thành phần hóa học c
ủa một số loại nguyên liệu gỗ lá rộng 10
1.1.2.1 Thành phần hóa học 10
1.1.2.2 Các chất trích ly 11
1.1.2.3 Xenluylô 12
1.1.2.4 Hêmixenluylô 13
1.1.2.5 Lignin 15

1.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý kiềm nóng đến tính chất vật lý và
thành phần hóa học của một số loại nguyên liệu gỗ lá rộng
16
1.2.1 Ảnh hưởng đến tính chất vật lý 16
1.2.2 Ảnh hưởng đến thành phần hóa học 17
1.2.2.1 Nhựa cây (các chất tan trong dung môi hữu cơ) 17
1.2.2.1.1 Nhựa cây trong quá trình nấu bột theo phương pháp kraft 17
1.2.2.1.2 Nhự
a cây trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ (CTMP) 18
1.2.2.2 Xenluylô, lignin, pentozan 19
1.2.2.2.1 Xenluylô, lignin, pentozan trong quá trình nấu bột theo phương
pháp kraft
19
1.2.2.2.2 Xenluylô, lignin, pentozan trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ
(CTMP), kiềm nóng, kiềm lạnh.
22

Kết luận và định hướng nghiên cứu 24
II Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu 26
2.1 Nguyên liệu, hoá chất và thiết bị nghiên cứu 26

3
2.2 Phương pháp nghiên cứu 27
III Kết quả nghiên cứu và thảo luận 30
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.
30
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.
30
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.
30
3.1.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ kiềm đến sự thay đổi tính chất vật lý và
thành phần hoá học của gỗ keo lai trong quá trình xử lý kiềm nóng.

34
3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian xử lý 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.
38
3.1.2.1 Ả
nh hưởng của thời gian xử lý 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.
38
3.1.2.2 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và
thành phần hoá học của gỗ keo lai trong quá trình xử lý kiềm nóng.
42
3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và
thành phần hoá học của g
ỗ keo (keo tai tượng, keo lai) trong quá
trình xử lý kiềm nóng.
46
3.1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý 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.
47
3.1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến sự thay đổi tính chất vật lý và
thành phần hoá học của gỗ keo lai trong quá trình xử lý kiềm nóng.
51
3.2 Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợ
p 54

Kết luận 57







4

Thông tin chung về đề tài
1. Tên 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.
2. Mục tiêu của đề tài
- Làm rõ sự thay đổi tính chất vật lý và hoá học của gỗ keo trong qúa trình xử
lý ở môi trường kiềm nóng và các yếu tố ảnh hưởng.
- Đưa ra quy trình công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp đối với nguyên liệu
gỗ keo.
3. Nội dung nghiên cứu
- Xác định sự biến đổ
i tính chất vật lý của gỗ trong qúa trình xử lý kiềm nóng:

tỷ trọng, màu sắc.
- Xác định sự biến đổi thành phần hóa học của gỗ trong qúa trình xử lý kiềm
nóng: xenluylô, lignin, pentozan, các chất tan trong dung môi hữu cơ.
- Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp.
4. Sản phẩm tạo ra và yêu cầu khoa học-kỹ thuật, kinh tế-xã hội
- Báo cáo tổng hợp số liệu về những vấn đề nghiên cứu trong quá trình x
ử lý
gỗ keo ở môi trường kiềm nóng.
- Xác lập quy trình công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp đối với nguyên liệu
gỗ keo.










5
MỞ ĐẦU
Cây bạch đàn (Eucalypts), cây keo (Acacia) được du nhập vào Việt Nam từ
những năm 60 với nhiều dòng khác nhau. Theo các kết quả nghiên cứu thực nghiệm
nhiều năm của Trung tâm nghiên cứu giống cây rừng, Viện Khoa học Lâm nghiệp
Việt Nam thì các loài cây này thích nghi với khí hậu nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều và
có mức độ sinh trưởng khá cao. Cây bạch đàn và cây keo các loại có chu kỳ khai thác
6-7 năm và chất lượng xơ sợi tốt nên là nguồn nguyên liệu ch
ủ yếu để sản xuất bột
giấy và giấy.

Thành phần hóa học và cấu tạo của gỗ là rất khác biệt không những phụ thuộc
vào nhóm cây, loài cây mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố như: độ tuổi của cây, điều kiện
lập địa (mức độ chiếu sáng của mặt trời, sức gió, hàm lượng chất dinh dưỡng của đất,
độ ẩm của
đất v.v). Trong cây thành phần hóa học cũng khác nhau giữa các bộ phận
như vỏ, thân, gỗ sớm, gỗ muộn v.v
Phương pháp sản xuất bột giấy phổ biến hiện nay vẫn là phương pháp hóa học.
Tuy nhiên, việc sản xuất bột hóa học tẩy trắng đòi hỏi lượng dùng nguyên liệu lớn,
dây chuyền thiết bị phức tạp, hiệu suất bột thấp. Ngoài ra, quá trình sản xuất sử dụ
ng
một số hóa chất có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao như: Clo, đioxytclo.v.v
Ngày nay, sản xuất bột hiệu suất cao với chi phí sản xuất tương đối thấp, dây chuyền
sản xuất đơn giản, tiêu hao hóa chất ít và giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một lĩnh
vực rất được quan tâm. Đặc biệt, xu hướng ngày càng tăng của giá nguyên liệu đầu
vào và các quy định hạn chế khai thác rừng nhằm bả
o vệ môi trường sinh thái.
Hiện nay, ở trong nước một số nhà máy đang tiến hành đầu tư sản xuất bột
APMP (Alkaline Peroxide Mechanical Pulp) hay bột BCTMP (Bleached
ChemiThermo Mechanical Pulp) như: Công ty giấy Long An đầu tư dây chuyền
APMP 100.000 tấn/năm, Nhà máy bột giấy Quảng Nam đầu tư dây chuyền BCTMP
115.000 tấn/năm. Thông thường quá trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng, nguyên
liệu được xử lý với một số hóa chất như NaOH, Na
2
CO
3
hoặc H
2
O
2
. Tuy nhiên, kết

quả nghiên cứu tài liệu cho thấy hiệu quả xử lý dăm mảnh gỗ với hóa chất trong giai
đoạn đầu của quá trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng thường thay đổi rất lớn phụ
thuộc vào chủng loại nguyên liệu, mức dùng hóa chất, thời gian xử lý và nhiệt độ xử
lý. Trước nhu cầu của thực tế sản xuất, việc nghiên cứ
u sự thay đổi tính chất vật lý và

6
thành phần hóa học là cơ sở cho việc xác lập chế độ công nghệ thích hợp sản xuất bột
hiệu suất cao là rất cần thiết. Vì vậy, Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô được Bộ
Công Thương giao nhiệm vụ nghiên cứu khoa học công nghệ năm 2008, thực hiện 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”.
Mụ
c tiêu đề tài:
- Làm rõ sự thay đổi tính chất vật lý và hoá học của gỗ keo trong qúa trình xử
lý ở môi trường kiềm nóng và các yếu tố ảnh hưởng.
- Đưa ra quy trình công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp đối với nguyên liệu
gỗ keo.
Nội dung nghiên cứu:
- Xác định sự biến đổi tính chất vật lý của gỗ trong qúa trình xử lý kiềm nóng:
tỷ trọng, màu sắc.
- Xác định sự biến đổi thành phần hóa h
ọc của gỗ trong qúa trình xử lý kiềm
nóng: xenluylô, lignin, pentozan, các chất tan trong dung môi hữu cơ.
- Xác lập chế độ công nghệ xử lý kiềm nóng thích hợp.

7
PHẦN I
TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ
VÀ THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA GỖ LÁ RỘNG
Ở Việt Nam nguyên liệu xơ sợi thực vật chủ yếu hiện nay được sử dụng để sản
xuất bột giấy là gỗ rừng trồng. Trong đó chủ yếu là gỗ bạch đàn và gỗ keo các loại.
Những loại nguyên liệu truyền thống như tre nứa các loại, bã mía, rơm rạ, đay ít được
sử dụng.
1.1 Tính chất vật lý và thành phần hóa học của mộ
t số loại nguyên liệu gỗ lá
rộng
1.1.1 Tính chất vật lý của một số loại nguyên liệu gỗ lá rộng
1.1.1.1 Cấu trúc hình thái học
Mặt cắt ngang thân cây gồm bốn phần: vỏ, tầng phát sinh, gỗ và tủy (hình 1.1,
hình 1.2).
Vỏ cây là phần ngoài cùng của thân cây, vỏ cây gồm hai lớp: lớp bên ngoài là
lớp vỏ chết, chỉ có tác dụng che chắn, bên trong là lớp vỏ sống vừa có tác dụng che
chắn, vừa là nơi d
ự trữ và dẫn truyền chất dinh dưỡng.
Tầng phát sinh là một lớp mỏng nằm sát vỏ trong của cây, bao gồm các tế bào
sống. Tầng phát sinh gồm một số lớp tế bào, các tế bào phát triển theo kiểu phân đôi.
Phần gỗ do tầng phát sinh tạo ra, hàng năm phần gỗ này tăng thêm một vòng
nên gọi là vòng tăng trưởng hàng năm. Ở nhiều loại gỗ, vòng tăng trưởng hàng năm

có thể được quan sát b
ằng mắt thường. Đó là các vòng tròn đồng tâm mà tâm là phần
tủy, từ đó có thể đếm số vòng tăng trưởng hàng năm để tính tuổi cây. Trong mỗi vòng
tăng trưởng hàng năm, phần gỗ phía trong sinh ra vào đầu mùa sinh trưởng gọi là gỗ
sớm, phần gỗ phía ngoài sinh ra vào cuối mùa sinh trưởng gọi là gỗ muộn. Nhờ điều
kiện sinh trưởng thuận lợi, phần gỗ sinh trước chứa các tế bào lớn, thành mỏ
ng nên
gỗ sớm có màu nhạt hơn, nhẹ hơn, mềm hơn, chịu lực kém hơn gỗ muộn. Cây sống ở
xứ lạnh gỗ sớm và gỗ muộn khác nhau rõ rệt.
Tủy nằm ở phần tâm của mặt cắt ngang thân cây. Tủy được tạo ra trong giai
đoạn sinh trưởng ban đầu của cây. Tủy bao gồm các tế bào thành mỏng, tủy xốp có
nhiệm vụ dự trữ chất dinh d
ưỡng trong thời kỳ đầu để nuôi cây, về sau tủy ngừng

8
phát triển. Tủy cây thường có đường kính 3 ÷ 5 mm, gỗ có tủy lớn thường dễ bị nứt
khi khô.

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt ngang thân cây, ruột cây (a), gỗ lõi (b), gỗ giác (c), vỏ trong
(d), vỏ ngoài (e), tầng phát sinh (f), lớp gỗ phía ngoài (g), lớp gỗ phía trong (h).
Quan sát gỗ giác và gỗ lõi trên mặt cắt ngang, có thể nhận thấy phần gỗ phía
gần tâm màu sẫm hơn phần gỗ xa tâm. Phần gỗ phía trong gọi là gỗ lõi, phần gỗ phía
ngoài gọi là gỗ giác. Ở phần lõi tế bào sắp xếp chặt chẽ, nên phần lõi bền cơ học hơ
n
phần gỗ giác, đồng thời có khối lượng riêng biểu kiến lớn hơn.
Khi cắt dọc thân cây qua phần tủy và quan sát, ta thấy gỗ có các tia nằm ngang
thân cây, tia bắt đầu từ vỏ chạy vào tủy gọi là tia sơ cấp. Tia bắt đầu từ vỏ chạy vào
các vòng sinh trưởng hàng năm gọi là tia thứ cấp.

Hình 1.2 Mặt cắt thân cây: mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, mặt cắt dọc qua tâm

9
Gỗ là tổ hợp các loại tế bào, dựa vào hình dạng tế bào được phân thành
prosenchym và parenchyma. Prosenchym mảnh và dài, hai đầu thon dần, Parenchym
ngắn tiết diện ngang có hình chữ nhật hoặc đa giác. Dựa vào chức năng, tế bào được
chia thành các nhóm khác nhau: tế bào dẫn, tế bào đỡ (kèm) và tế bào dự trữ dinh
dưỡng. Tế bào dự trữ dinh dưỡng đóng vai trò dự trữ và phân phối chất dinh dưỡng
cho cây. Đó là các tế bào parenchyma thành mỏng, chức năng củ
a chúng được duy trì
trong gỗ giác. Tế bào dẫn và tế bào đỡ là các tế bào chết, ruột tế bào chứa chất lỏng
hoặc không khí. Trong gỗ lá rộng tế bào có chức năng dẫn truyền là các tế bào ống
(mạch), còn tế bào đỡ (kèm) có dạng sợi. Chất lỏng vận chuyển trong cây, từ tế bào
này sang tế bào khác nhờ các lỗ thông nhau giữa các tế bào cạnh nhau. Lỗ thông là
phần thủng của lớp thứ cấp, còn lớ
p sơ cấp được giữ lại để đóng vai trò màng bán
thấm.

Hình 1.3 Sơ đồ (mặt cắt ngang X, mặt cắt dọc tâm R, mặt cắt dọc T) các lỗ xốp gỗ
cứng, cấu tạo của tế bào ống và tế bào đỡ E
Gỗ lá rộng chứa một số loại tế bào, đảm nhận các chức năng khác nhau. Hệ
thống đỡ gồm các tế bào dạng sợi gọi là sợi gỗ hoặc sợi libe. Hệ thống dẫn gồm các
tế bào hình ống, có ruột lớn, hệ thống dự trữ dinh dưỡng gồm tế bào tia parenchyma.
Ngoài ra, trong gỗ lá rộng có loại tế bào pha trộn các dạng trên và được xếp vào
tracheit dạng sợi. Tế bào dạng libe và tracheit dạng sợi chiếm 65 ÷ 70% thể tích thân
gỗ.
Tế bào dạng libe thành dày, ruột nhỏ, thành tế bào có lỗ đơn giản. Độ dài tế
bào libe 0,7 ÷ 1,8 mm (trung bình 1,1 ÷ 1,2 mm), rộng 14 ÷ 40 µm, thành tế bào dày
3 ÷ 4 mm. Trong một số loại gỗ lá rộng, sợi gỗ
thậm chí có thể dài 4 mm.

10
Ống dẫn tạo thành từ các tế bào cơ sở, ngắn có thành mỏng, dài 0,3 ÷ 0,4 mm,
rộng 30 ÷ 130 µm. Các tế bào này xếp nối đuôi nhau, tạo thành ống dài. Ở một số loại
gỗ xốp, hệ thống ống dẫn được phân bố đồng đều trong vòng sinh trưởng hàng năm.
Ở một số loài khác, các ống dẫn ở phần gỗ sớm nhiều hơn và lớn hơn so với gỗ
muộn. Trên thành tế
bào ống dẫn cũng có một số loại lỗ khác nhau[2].
Tia gỗ lá rộng chỉ chứa tế bào parenchyma, chiều rộng của tia thay đổi theo
hướng tiếp tuyến. Chiều cao của tia (quan sát trên hình chiếu đứng) thay đổi từ một
trăm đến vài trăm dãy tế bào chồng lên nhau. Tia chiếm tới 5 ÷ 30% thể tích gỗ.

Hình 1.4 Một số loại tế bào chính của gỗ cứng: tế bào ống cơ sở của gỗ bulô (A),
gỗ dương (C), cây sồi gỗ sớm (D), cây sồi gỗ muộn (E), tế bào ống gỗ bulô (B), tế
bào parenchyma gỗ sồi (F), tế bào parenchyma gỗ bulô (G), tế bào trachied của gỗ
sồi (H) và gỗ bulô, xơ sợi libriform gỗ bulô (J).
Gỗ được hình thành từ các tế bào. Các tế bào không phải tồn tại rời rạc mà
đượ
c liên kết với nhau nhờ lignin, lignin là một hợp chất cao phân tử có đặc tính
thơm. Phân tử xenluylô tập hợp lại với nhau, nhờ tương tác Vander Waals và liên kết
hydro giữa các mạch phân tử tạo thành vùng định hướng hay còn gọi là vùng tinh thể.
Khi tương tác giữa các phân tử yếu, các mạch phân tử không định hướng tạo nên
vùng vô định hình. Một mạch đại phân tử có thể tồn tại trong một vùng tinh thể hoặc
đi qua một số vùng tinh th
ể và một số vùng vô định hình. Các tinh thể cùng với vùng
vô định hình kết hợp lại với nhau thành tổ chức lớn hơn gọi là bó mạch (Hình 1.5).

11

Hình 1.5 Cấu trúc của một vi xơ sợi
Hêmixenluylô đa phần ở vùng vô định hình, chỉ có một phần hêmixenluylô

định hướng theo vùng tinh thể của xenluylô, cũng có nghĩa là đồng hướng với bó
mạch xenluylô. Lignin tồn tại ở khoảng trống giữa các tinh thể cùng với phần lớn
hêmixenluylô. Xenluylô, hêmixenluylô cũng như lignin là các cấu tử tạo nên thành tế
bào. Tuy vậy, hàm lượng của chúng tùy thuộc vào vị trí trên thành tế bào. Lignin tập
trung ở lớp liên k
ết giữa các tế bào càng đi sâu vào phía trong của mỗi tế bào thì hàm
lượng lignin càng giảm.

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc thành tế bào gỗ (I), hình chụp mặt cắt ngang bằng kính
hiển vi điện tử của gỗ vân sam (a) và gỗ sồi (b) của thành tế bào vi xơ sợi các lớp
khác nhau của tế bào, ML: lớp liên kết giữa các tế bào; P: lớp sơ cấp S
1
, S
2
, S
3
(T)
các phân lớp của lớp thứ cấp; W: màng từ các hạt nhỏ.

12
Thành tế bào gồm hai lớp, lớp ngoài mỏng gọi là lớp sơ cấp vì được tạo thành
trước, lớp trong dày hơn được gọi là lớp thứ cấp vì được tạo thành muộn hơn. Lớp
ngoài không chia thành phân lớp. Lớp trong có ba phân lớp S
1
, S
2
, S
3
kể từ ngoài vào
trong (hình 1.6).

Lớp sơ cấp chỉ là một màng mỏng, với độ dày 0,1 ÷ 0,2 µm. Lớp này tạo thành
từ xenluylô, hêmixenluylô và được bao phủ bởi lignin, ngoài ra lớp này cũng chứa
pectin và protein. Tuy không phân biệt lớp rõ rệt như lớp thứ cấp, nhưng ở phần
ngoài và phần trong của lớp các bó mạch xenluylô sắp xếp khác nhau[13].
Ở lớp sơ cấp, lignin cũng đóng vai trò chất liên kết. Tại đây hàm lượng lignin
cao hơn
ở lớp thứ cấp. Tuy vậy, do lớp này mỏng nên tổng lượng lignin không lớn.
Phân lớp ngoài cùng S
1
và phân lớp trong S
3
tương đối mỏng, trong khi đó phân lớp
giữa S
2
dày hơn. Phân lớp giữa chiếm tới 80 ÷ 95% thành phần hóa học của thành tế
bào.
Phân lớp S
1
dày 0,2 ÷ 0,3 µm, ở phân lớp này các bó mạch xếp theo kiểu xoắn
ốc trái hoặc phải tạo thành góc 50
0
÷ 70
0
so với trục xơ sợi. Các bó mạch xếp chồng
lên nhau thành lớp, bao gồm 3 ÷ 4 tầng bó mạch.

Hình 1.7 Sơ đồ một số thành phần hóa học chính trong các lớp của tế bào
Các đặc trưng về độ dày của lớp cũng như sự sắp xếp các bó mạch ở lớp này
có ảnh hưởng quyết định tới độ cứng cáp của xơ xenluylô cũng như các tính chất làm
giấy. Các tế bào gỗ không nằm rời rạc mà được gắn kết với nhau bởi lignin. Lignin là

13
cấu tử chủ yếu tạo nên lớp liên kết giữa các tế bào (thường gọi là lớp giữa-middle
lamella). Mặc dù hàm lượng lignin ở đây rất cao, nhưng phần lớn lignin của gỗ lại
nằm ở lớp thứ cấp của thành tế bào tới 70% vì thể tích của lớp thứ cấp lớn.
1.1.1.2 Tỷ trọng
Qua các kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng sinh trưởng của cây càng nhanh
thì tỷ trọng thấp hơn so với cây sinh trưởng chậm. Điều này rất phù hợp với quy luật
tự nhiên là cây sinh trưởng nhanh thì tỷ trọng của gỗ càng thấp. Mặt khác tỷ trọng của
cây còn phụ thuộc vào tuổi cây, vùng lập địa, mùa khai thác… Trong một vùng sinh
thái tuổi cây càng cao thì tỷ trọng của gỗ càng lớn. Tỷ trọng của cây càng lớn có thể
gây khó khăn cho quá trình nấu do cấu trúc đặc của gỗ ngăn c
ản khả năng thẩm thấu
hoá chất. Các kết quả về tỷ trọng và thể tích gỗ của một số loại gỗ lá rộng trồng ở một
số vùng ở Việt Nam được đưa ra trong bảng 1.1[4].
Bảng 1.1 Tỷ trọng của một số loại gỗ lá rộng theo độ tuổi và vùng sinh thái
Loài cây- địa điểm Tuổi D
1,3
,(cm) H
vn
, (m) V, (m
3
)
ρ
m
, (kg/m
3
)
Keo lai -Đồng Nai 5 14,5 15,0 0,124 456
Keo lai-Nghệ An 5 12,0 11,0 0,062 450

Keo lai-Vĩnh Phúc 5 9,7 7,0 0,026 524
Keo tai tượng-Nghệ An 5 13,5 12,5 0,089 427
Keo tai tượng-Vĩnh Phúc 5 9,9 6,0 0,023 525
Bạch đàn đỏ-Đồng Nai 5 15,5 10,5 0,099 495
Bạch đàn đỏ-Vĩnh Phúc 4 12,1 8,6 0,049 493
Keo lá tràm-Đồng Nai 5 10,5 7,5 0,032 434
Keo lá tràm-Nghệ An 5 10,0 6,0 0,016 442
Tỷ trọng của gỗ lá kim muộn gấp 2 đến 3 lần so với gỗ sớm vì thành tế bào
của gỗ muộn dày hơn và thành tế bào của gỗ sớm mỏng hơn. Theo nghiên cứu của
Spurr và Hsiung tỷ trọng của gỗ lá kim muộn từ 600 ÷ 900 kg/m
3
, tỷ trọng của gỗ
sớm từ 250 ÷ 320 kg/m
3
[13].
Trong trường hợp gỗ quá cứng (tỷ trọng cao), gây nhiều khó khăn khi chặt
mảnh và nấu bột giấy vì hóa chất khó thẩm thấu vào trong mảnh nguyên liệu. Nhưng
nếu gỗ có tỷ trọng thấp thì hệ số chất chặt nạp mảnh vào thiết bị nấu giảm, năng suất

14
thiết bị giảm, chi phí năng lượng cao. Gỗ lá rộng nói chung có mật độ cao hơn gỗ lá
kim. Do đó, có thể tăng khối lượng nạp vào thiết bị nấu, tăng năng suất thiết bị, giảm
tiêu hao hóa chất và giảm chi phí năng lượng.
1.1.1.3 Một số nét đặc trưng của gỗ keo
Keo tai tượng (Acacia mangium) là các giống cây nhập nội từ Australia có
xuất xứ từ Cardewh, Loài cây này được trồng phổ bi
ến ở Đông Nam Á. Đây là loại
cây thích nghi với các vùng có lượng mưa 700-2.000mm/năm và thấp nhất là 40mm
vào mùa khô, mọc tốt trên đất có pH từ 3-7, và độ cao khoảng 80-400m so với mực
nước biển. Nhiệt độ cao nhất là 32-34

0
C và thấp nhất là 17-22
0
C. Các đặc điểm này
rất phù hợp với cả ba miền Bắc-Trung-Nam ở Việt Nam. Khả năng tăng trưởng của
cây đạt trung bình 18-20m
3
/ha/năm. Hiện nay cây keo tai tượng là một trong những
giống cây chính trong sản xuất gỗ nguyên liệu cho sản xuất bột giấy, cho gia công gỗ
và chúng đã được công nhận là giống cây chính cho 9 vùng sinh thái lâm nghiệp[1].
Keo lai tên gọi tắt để chỉ giống lai tự nhiên giữa keo tai tượng (Acacia
mangium) và keo lá tràm (Acacia aurculformis). Keo lai mang tính trung gian giữa
keo tai tượng và keo lá tràm về: hoa và hạt, lá và hình dáng thân cây… song cây keo
lai tự nhiên ra đời F1 thể hiện ưu thế hơn so với cây bố mẹ: tốc độ sinh trưởng nhanh,
độ tròn đề
u của thân cây, thân cây đơn trục, đỉnh ngọn phát triển tốt. Kết quả nghiên
cứu cho thấy hàm lượng xenluylô của keo lai cao hơn keo lá tràm và tương đương
keo tai tượng (50-51%), các thành phần khác tương đương nhau. Cây keo lai mọc tốt
ở hầu hết các dạng đất có độ pH 3-7, phân bố ở độ cao 600-800 m so với mặt nước
biển. Cây ưa sáng, mọc nhanh và có khả năng cải tạo đất tốt, chống xói mòn, chống
cháy rừng. Sản lượng g
ỗ thương phẩm của gỗ keo lai có thể đạt trên 100m
3
/ha cho
chu kỳ trồng 7 năm.
Tỷ trọng của gỗ keo tai tượng, gỗ keo lai 420 ÷ 530 kg/m
3
, hàm lượng
xenluylô trong khoảng 46-51%, lignin 23-26%

đặc trưng cho các loại nguyên liệu gỗ
lá rộng. Hơn nữa cây keo các loại khả năng phát triển nhanh, chu kỳ khai thác ngắn
tăng năng suất trồng rừng và hiệu quả sản xuất bột giấy.
1.1.2 Thành phần hóa học của một số loại nguyên liệu gỗ lá rộng
1.1.2.1 Thành phần hóa học
Hiệu suất bột giấy phụ thuộc vào thành phần hóa học của gỗ, nhìn chung hàm
lượng xenluylô càng cao và hàm lượ
ng lignin, các chất tan trong xút loãng, trong

15
axeton, trong nước nóng, trong nước lạnh càng thấp thì càng tốt. Các thành phần hóa
học khác, đặc biệt là lignin có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình chế biến bột
giấy, nếu hàm lượng lignin trong nguyên liệu càng thấp thì điều kiện công nghệ chế
biến sẽ ít khắc nghiệt hơn và hiệu quả sử dụng hóa chất sẽ cao hơn. Thành phần hóa
học của gỗ phụ thuộc vào vùng lập địa, tuổi cây, mùa khai thác v.v. Thành phần hóa
họ
c của một số loại nguyên liệu gỗ cứng theo độ tuổi và vùng lập địa được đưa ra
trong bảng 1.2 [4].
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của gỗ keo và bạch đàn đỏ
Thành phần hóa học, %
Các chất tan trong

Loài cây-địa điểm


Tuổi
Xen-
luylô
lignin Pento-
zan

Tro
Nước
nóng
Nước
Lạnh
Cồn
Benzen
Xút
1%
Bạch đàn đỏ-Đồng Nai 5 47,5 25,0 19,0 0,65 6,60 4,50 4,50 16,0
Bạch đàn đỏ-Nghệ An 5 47,5 21,6 20,4 0,70 6,80 4,51 4,49 16,5
Bạch đàn đỏ-Vĩnh Phúc 4 45,8 24,7 23,1 0,39 4,78 3,26 2,26 14,7
Keo lai-Đồng Nai 5 50,5 24,0 20,5 0,33 3,53 2,53 2,49 11,0
Keo lai-Nghệ An 5 49,0 24,8 21,7 0,29 3,89 2,66 2,91 12,1
Keo lai-Vĩnh Phúc 5 51,0 23,2 24,5 0,27 3,64 3,33 4,00 11,5
Keo tai tượng-Nghệ An 5 50,8 23,1 19,9 0,55 3,52 2,68 3,94 13,9
Keo tai tượng-V. Phúc 5 49,0 25,5 23,8 0,19 3,16 2,23 4,30 11,4
Keo lá tràm-Đồng Nai 5 47,5 25,5 19,5 0,40 3,51 2,04 5,53 14,0
Keo lá tràm-Nghệ An 5 48,1 25,2 19,9 0,39 3,91 2,43 5,69 13,3
Nhìn chung, hàm lượng thành phần hóa học của gỗ bạch đàn đỏ và gỗ keo các
loại như xenluylô (45 ÷ 51 %), lignin (21 ÷ 25 %) biến đổi trong khoảng đặc trưng
cho các loài gỗ lá rộng, ngoại trừ bạch đàn đỏ trồng ở Nghệ An có hàm lượng lignin
thấp hơn 23 %.
1.1.2.2 Các chất trích ly
Nhựa trong các loại gỗ cứng sử dụng làm nguyên liệu giấy chủ yếu được chứa
trong các tế bào nhu mô và có thành phần chính là các axít béo (chủ yếu là chư
a no)
như axít oleic, linoleic và linolenic; sterol và rượu triterpenyl.
Theo Adrian và các cộng sự [5] nhựa gỗ bạch đàn (Eucaluptus globulus) có
thành phần chủ yếu là steryl este, sitosteryl lioleat và oleat. Một số loại hợp chất điển

16
hình của nhựa từ gỗ cứng ôn đới như axít béo với số nguyên tử mạch cácbon trong
khoảng từ C-16 đến C-26 và triglycerit có rất ít trong gỗ bạch đàn.
Suvi Pietarinen và các cộng sự trong quá trình nghiên cứu về một số loại keo
như Acacia mangium và Acacia crassicarpa [6] đã chỉ ra rằng thành phần chủ yếu
của nhựa có trong gỗ Acacia mangium là các axít béo no và rượu no mạch dài (từ 22
đến 28 nguyên tử cácbon) trong khi nhựa trong gỗ Acacia crassicarpa lại bao gồm
chủ yếu các axít béo mạch ngắn (từ 16 đến 20 phân tử cácbon).
Phân tích các kết quả tham khảo tài liệu cho thấy sự phân bố và thành phần
nhựa cây của gỗ lá rộng và gỗ lá kim có hai điểm khác biệt cơ bản:
- Nhựa gỗ lá kim chủ yếu được phân bố trong các kênh dẫn nhựa với thành
phần chính là các axit nhựa, trong khi nhựa gỗ lá rộng có nhiều trong các tế bào nhu
mô với thành phần cơ bản là các axit béo, rượu béo và các este của chúng.
- T
ỷ lệ giữa nhựa xà phòng hóa được và không xà phòng hóa được của gỗ lá
rộng là rất thấp so với gỗ lá kim (khoảng 2:1 trong gỗ bulô so với 10:1 của gỗ thông).
Theo Black và Ekman [3] để có thể hòa tan hoàn toàn nhựa không xà phòng hóa được
trong quá trình nấu bột kraft, tỷ lệ giữa nhựa xà phòng hóa được và không xà phòng
hóa được phải ở mức 3:1 trở lên. Như vậy, khác với gỗ lá kim, nhựa trong gỗ bulô
cũng như phần lớn các loại gỗ cứng khác rất khó lo
ại bỏ được hoàn toàn trong quá
trình nấu bột.
1.1.2.3 Xenluylô
Xenluylô là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là anhydro-β-D-glucopyran.
Các đơn vị mắt xích của xenluylô chứa ba nhóm hydroxyl tự do (không ở dạng liên
kết), một nhóm hydroxyl rượu bậc một, hai nhóm hydroxyl rượu bậc hai. Các nhóm
hydroxyl ở mỗi đơn vị mắt xích liên kết với nguyên tử cacbon ở vị trí 2, 3 và 6. Các
đơn vị D-glucoza trong xenluylô có dạng vòng 6 cạnh (pyranoza), không phải dạng
vòng 5 cạnh (furanoza), vì xenluylô tương đối bền trong môi tr

ường axit, trong khi đó
furanozit dễ dàng bị thuỷ phân trong điều kiện trên. Như vậy, liên kết giữa các đơn vị
mắt xích phải là 1-4 glycozit (ứng với vòng pyranoza), không phải là 1-5 (ứng với
vòng furanoza). Sơ đồ cấu tạo của phân tử xenluylô được thể hiện hình 1.8


17
Hình 1.8 Cấu tạo hoá học của phân tử xenluylô thể hiện theo phương pháp phối
cảnh Haworth, n: độ trùng hợp (DP).
o
OH
OH
OH
CH
2
OH
O
O
OH
CH
2
OH
OH
O
H, OH
o
OH
OH
CH
2

OH
n

Xét về thành phần hoá học, đơn vị mắt xích của xenluylô là anhydro-β-D-
glucopyranoza. Về phương diện cấu tạo mạch, cứ sau hai đơn vị mắt xích, cấu tạo
mạch lại được lập lại.
1.1.2.4 Hêmixenluylô
Hêmixenluylô và xenluylô là phần cacbohydrat tạo thành tế bào. Ngoài ra,
trong gỗ còn một số polysaccarit khác không tạo nên thành tế bào, như các chất
pectin. Hêmixenluylô là hỗn hợp của một số loại polysaccarit, khi thuỷ phân, chủ yếu
tạo ra một số
đồng phân lập thể thuộc pentoza và một số đồng phân lập thể thuộc
hexoza. Theo cách nói đơn giản, phần hêmixenluylô khi thuỷ phân tạo ra pentoza gọi
là pentozan, phần hêmixenluylô tạo ra hexoza gọi là hexozan.
Các đơn vị mắt xích của các polysaccarit hêmixenluylô thường là vòng
anhydro của các saccarit như D-glucoza, D-mannoza, D-galactoza (thuộc hexoza), D-
xyloza, L-arabinoza (thuộc pentoza). Hêmixenluylô gỗ lá kim bao gồm chủ yếu các
đơn vị mắt xích mannoza. Trong khi đó, gỗ lá rộng lại trội hơn về hàm lượng đơn vị
mắt xích xyloza trong thành phần hêmixenluylô.
Ngoài anhydro của các saccarit thuộc hexoza và pentoza đã kể trên, thành
phần của một số polysaccarit hêmixenluylô còn có các đơn vị axit D-glucuronic, axit
4-O-metyl-D-glucuronic và D-galacturonic. Thêm nữa, một số polysaccarit
hêmixenluylô còn liên kết với nhóm axetyl, làm cho thành phần của hêmixenluylô trở
nên phức tạp hơn. Trong gỗ, hàm lượng đơn vị mắt xích uronic có thể chiếm tới 9-
17% hêmixenluylô.
Glucuronoxylan là polysaccarit hỗn tạp chủ yếu của gỗ lá rộng. Các loại gỗ lá
rộng khác nhau có hàm lượng copolyme này khác nhau, dao động trong khoảng 15%
đến 30% so với gỗ khô tuyệt đố
i.
Glucoronoxylan là cách gọi đơn giản để chỉ hợp chất tạo thành từ đơn vị mắt

xích xyloza và vòng pyranoza của axit O-axetyl-4-O-metylglucurononic (xylan).

18
Mạch chính của xylan tạo thành từ các đơn vị mắt xích β-D-xylopyranoza, các
đơn vị này nối với nhau bằng liên kết glycozit 1-4. Từ mạch chính, một số đơn vị mắt
xích liên kết với đơn vị axit 4-O-metyl-α-D-glucuronic, tạo thành các nhánh. Các
nhánh gồm một đơn vị dẫn xuất glucuronic này nối với mạch chính nhờ liên kết
glycozit 1-2, trung bình có một nhánh trên mười mắt xích xyloza.
Một số loài gỗ lá rộng có cấu tạo mạch copolyme c
ủa xyloza khá phức tạp.
Đơn vị gần cuối mạch là vòng pyranoza của axit α-D-galacturonic, nối với đơn vị
xyloza cuối mạch bằng liên kết glycozit 1-4, nhưng lại nối với đơn vị L-rhamnoza
đứng trước đó bằng liên kết glycozit 1-2. Đến lượt mình, đơn vị α-L-rhamnoza này
lại nối với đơn vị xylopyranoza trước đó bằng liên kết glycozit 1-3.
Đối với gỗ lá rộng bên cạnh xylan còn chứa 2-5% glucomannan. Mạ
ch
copolyme loại này được tạo thành từ các đơn vị β-D-glucopyranoza và β-D-
mannopyranoza. Các đơn vị mắt xích được nối với nhau bằng liên kết glycozit 1-4.
Tỷ lệ các đơn vị mắt xích có thể thay đổi tùy thuộc vào loài cây, dao động
trong khoảng mannoza:glucoza = 1:2 ÷ 2:1. Copolyme này tạo thành từ hai đồng
phân lập thể thuộc hexoza nên có thể gọi là hexozan. Ngoài glucuronoxylan và
glucomannan, gỗ lá rộng còn chứa một lượng nhỏ các polysaccarit hỗn tạp như ở gỗ
lá kim. So vớ
i xenluylô, liên kết giữa các đơn vị mắt xích trong hêmixenluylô cũng
phức tạp hơn. Trong xenluylô các đơn vị nối với nhau nhờ liên kết glycozit 1-4, trong
khi ở hêmixenluylô liên kết giữa các đơn vị mắt xích có thể là glycozit 1-6, 1-4, 1-3
và 1-2.
Trong gỗ lá rộng (bulô) hàm lượng xylan cao nhất ở phân lớp S
2
. Thành phần

hêmixenluylô cũng phụ thuộc vào tuổi cây. Gỗ ở cây non chứa nhiều xylan nhưng ít
xenluylô và glucomanan so với gỗ trưởng thành. Ở gỗ lá kim, lớp gỗ sớm chứa nhiều
xylan và ít glucomannan so với gỗ muộn.
Như vậy, hàm lượng các cấu tử của hêmixenluylô phụ thuộc vào loại cây, phụ
thuộc vào vị trí cây, phụ thuộc vào từng loại tế bào và vị trí trong tế bào, phụ thuộc
vào mức độ trưởng thành c
ủa cây v.v.



19
1.1.2.5 Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử có đặc tính thơm. Bộ khung của đơn vị mắt
xích lignin là phenyl propan. Thành phần hoá học của lignin thay đổi tùy theo loài
thực vật.
Lignin chiếm khoảng 30% khối lượng gỗ khô ở cây lá kim, khoảng 20% ở cây
lá rộng. Lignin cùng với hêmixenluylô và xenluylô tạo nên thành tế bào gỗ. Khối vật
liệu composit nguồn gốc tự nhiên này làm cho gỗ có độ bền cơ cao và bảo đảm cho
cây cứng cáp.
Lignin gỗ lá rộng, ngoài guaiacylpropan, còn chứa các đơn v
ị mắt xích 3,5-
dimetoxy-4-hydroxy phenylpropan. Tỷ lệ các loại liên kết giữa các đơn vị
Phenylpropan được liệt kê ở bảng 1.3.
Bảng 1.3 Tỷ lệ các loại liên kết dime của lignin (% so với tổng số đơn vị
phenylpropan).
Kiểu liên kết Gỗ lá kim Gỗ lá rộng
A. ete β-aryl (β-O-4)
45 ÷ 48 60
B. ete α-aryl (α-O-4)
6 ÷ 8 6 ÷ 8

C. phenylcoumaran (β-5, α-O-4)
9 ÷ 12 6
D. ete diphenyl (5-O-4) 3,5 ÷ 8 6,5
E. biphenyl (5-5’) 9,5 ÷ 17 4,5
F. diarylpropan (β-1)
7 ÷ 10 8
G. pinoresinol (β-β)
3 -
H. ete α-alkyl (α-O-γ)
Ít Ít
I. dibenzodixoxin Chưa xác định Chưa xác định
K. lignin-cacbohydrorat Chưa xác định Chưa xác định
Các nhóm chức có ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm
hydroxyl phenol, nhóm hydroxyl rượu benzylic và nhóm cacbonyl. Hàm lượng của
các nhóm chức thay đổi tùy thuộc theo loài thực vật và tùy thuộc vị trí của lignin ở
lớp liên kết (lớp giữa), lớp sơ cấp hay thứ cấp của tế bào thực vật. Hàm lượng nhóm
chức của lignin gỗ lá kim và gỗ lá rộng được trình bày ở bảng 1.4.




20
Bảng 1.4 Số lượng các nhóm chức của lignin (tính theo 100 đơn vị phenylpropan)
Nhóm chức Gỗ lá kim Gỗ lá rộng
Metoxyl 92 ÷ 96 139 ÷ 158
Hydroxyl phenol (tự do) 15 ÷ 30 9 ÷ 13
Hydroxyl benzylic 15 ÷ 20
Ete benzylic dạng mở 7 ÷ 9
Cacbonyl 20
1.2 Ảnh hưởng của quá trình xử lý kiềm nóng đến tính chất vật lý và thành phần

hóa học của một số loại nguyên liệu gỗ lá rộng.
1.2.1 Ảnh hưởng đến tính chất vật lý
Quá trình thẩm thấu phụ thuộc vào cấu trúc của gỗ, cụ thể là phụ thuộc vào
những phần sống nhiều hay ít của tế bào (tế bào túi, tế bào sợi và tế bào khác). Những
phần rỗng giữa các tế
bào và cấu trúc của thành tế bào, của nhân tế bào .v.v
Ở thành tế bào, hêmixenluylô, lignin và xenluylô liên kết với nhau theo một
kiểu có tính hệ thống. Giữa xenluylô và xeluylô có loại liên kết thành những búi từ
nhỏ đến lớn, nhỏ nhất là tinh thể xenluylô và lớn nhất là sợi. Vì thế giữa các búi này
có một hệ thống các khe hở nhỏ. Chính những khe hở này có ảnh hưởng đến tỷ trọng
của gỗ, từ đó gỗ có tỷ tr
ọng nhỏ hút dịch nhanh và nhiều hơn gỗ có tỷ trọng lớn.
Ảnh hưởng thứ hai là độ ẩm ban đầu và kích thước dăm mảnh gỗ, nhiệt độ
dung dịch để gỗ thẩm thấu, nồng độ dung dịch loại hóa chất dùng để thẩm thấu.
Do tính chất và cấu tạo của gỗ như vậy, cho nên ta thấy rằng hóa chất thẩm
thấu vào gỗ chủ yếu và trước tiên vào phần rỗng lớn nhất như phần rỗng giữa các tế
bào, các túi sợi, sau đó dịch thẩm thấu qua thành sợi vào giữa tế bào, cuối cùng là vào
các khe hở nhỏ trong thành sợi[9].
Tốc độ khuếch tán của kiềm vào dăm mảnh gỗ tính cho một đơn vị diện tích
trong phương ngang nhỏ hơn vào khoảng hai lần so với phương dọc (nhưng theo
phương ngang kiềm thẩm thấu vào dă
m mảnh gỗ qua bốn phía của khối lập phương
còn theo phương dọc chỉ qua hai phía). Đối với những chất điện ly trung tính NaCl và
những chất điện ly axit HCl thì có sự khác nhau về tốc độ khuếch tán dọc theo sợi lớn
hơn rất nhiều khoảng 12,5 lần tính cho một đơn vị diện tích. Tốc độ khuếch tán của
NaOH theo phương ngang đối với xơ sợi tương đối l
ớn có thể giải thích hoặc bằng
hiện tượng tách nhựa và chất béo của gỗ hoặc bằng hiện tượng trương nở thành sợi
dưới tác dụng của kiềm. Trong môi trường kiềm một số chất hữu cơ trong gỗ trở

21
thành hòa tan được, nhưng không phải toàn bộ lượng chất hữu cơ đã ở dạng hòa tan
được trích ly vào dịch đen mà một phần lượng chất này còn ở trong mảnh gỗ[8].
Quá trình sản xuất bột hóa nhiệt cơ là sự kết hợp của hóa chất xử lý và nghiền
bột tách ra thành xơ sợi. Thông thường dùng Na
2
SO
3
cho sản xuất bột cơ học từ gỗ
mềm, Na
2
SO
3
hoặc NaOH cho sản xuất bột cơ học từ gỗ cứng. Trong quá trình xử lý
bằng hóa chất một số thành phần hóa học của gỗ thay đổi tạo điều kiện cho quá trình
nghiền phân tách thành xơ sợi. Lignin có khả năng trương nở trong quá trình xử lý
khi hình thành các nhóm ưa nước như nhóm sulfonate hoặc nhóm carboxylic. Ngoài
ra, trong quá trình xử lý bằng hóa chất thì carbohydrat có thể thay đổi bằng các phản
ứng khử axêtyl hóa, phản ứng thủy phân, hòa tan một ph
ần.
Trong quá trình xử lý kiềm kích thước dăm mảnh thay đổi phụ thuộc nồng độ
kiềm, nhiệt độ xử lý, thời gian xử lý. Nồng độ kiềm xử lý nhỏ hơn 2,5% thì kích
thước dăm mảnh theo cả ba chiều (chiều dài, chiều rộng, chiều dày) đều tăng lên, đặc
biệt là chiều dày. Khi nồng độ kiềm xử lý lớn hơn 3% không đem lại sự tăng kích
thước c
ủa dăm mảnh đáng kể, riêng đối với chiều dài (dọc thớ) lại giảm[9].
Tỷ trọng trong quá trình xử lý kiềm nóng giảm khi tăng các yếu tố ảnh hưởng
như nồng độ kiềm, thời gian xử lý, nhiệt độ xử lý. Vì trong quá trình xử lý kiềm nóng
khi thay đổi các yếu tố ảnh hưởng thì xu hướng kích thước dăm mảnh tăng lên, đồng
thời xảy ra các phản ứng hóa họ

c chủ yếu hòa tan các chất trích ly, các thành phần
khác như pentozan, lignin, xenluylô giảm không đáng kể.
1.2.2 Ảnh hưởng đến thành phần hóa học
1.2.2.1 Nhựa cây (các chất tan trong dung môi hữu cơ)
1.2.2.1.1 Nhựa cây trong quá trình nấu bột theo phương pháp kraft
Theo Black [3] giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu (chặt mảnh và sàng mảnh) có
ảnh hưởng quan trọng đến hàm lượng nhựa: Trong quá trình chặt mảnh gỗ một số
hợp chất nhựa có trong các kênh dẫn nhựa được ép thoát ra ngoài tạo thành các h
ạt
nhỏ và do phần lớn các hạt nhựa này bám lên trên bề mặt mảnh vụn nên sẽ được loại
bỏ trong quá trình sàng mảnh.
Sau khi đã hoà tan vào trong dịch nấu và đạt được một nồng độ nhất định xà
phòng axít nhựa và axít béo tạo thành các mixen hoặc hỗn hợp mixen. Các mixen
được tạo ra có thể hoà tan các hợp chất nhựa không xà phòng hoá được và không tan

22
trong nước (sterol). Như vậy, các loại nguyên liệu có hàm lượng axít nhựa và axít béo
tự do cao có thể loại bỏ nhựa triệt để hơn.
Một số yếu tố công nghệ như kích thước mảnh, nồng độ kiềm, nhiệt độ bảo ôn
và khả năng thẩm thẩu của mảnh có ảnh hưởng đến hiệu quả loại nhựa trong quá trình
nấu, trong đó nồng độ kiềm hoạt tính là y
ếu tố có ảnh hưởng quan trọng nhất. Nồng
độ kiềm hoạt tính đủ cao giai đoạn cuối của chu kỳ nấu bột cũng là yếu tố có ảnh
hưởng quan trọng đến hiệu quả của quá trình hoà tan nhựa, đặc biệt đối với các hợp
chất có tốc độ xà phòng hoá chậm như steryl este. Trong các quy trình nấu sunphát
cải tiến, nồng độ kiềm hoạt tính ở cuối chu kỳ n
ấu thường được giữ ở mức cao hơn
giai đoạn đầu cho phép nâng cao hiệu suất bột và cải thiện khả năng tách nhựa.
Trong quá trình nấu bột theo phương pháp sunphát các hợp chất có trong nhựa
cây phản ứng với xút theo các phản ứng cụ thể như sau:

+ Axít béo và axít nhựa tự do + NaOH Xà phòng natri (K
1
);
+ Triglyxerit + NaOH Xà phòng natri + Glyxerol (K
2
);
+ Steryl este + NaOH Xà phòng natri + Sterol (K
3
).
Các phản ứng này diễn ra trên bề mặt các pha rắn/lỏng với tốc độ phản ứng xếp
theo thứ tự K
1
>> K
2
>> K
3
. Như vậy, axít béo và axít nhựa tự do xà phòng hoá
nhanh nhất, steryl este xà phòng hoá với tốc độ chậm nhất, chậm hơn nhiều so với
triglyxerit.
1.2.2.1.2 Nhựa cây trong quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ (CTMP)
Quá trình sản xuất bột hoá nhiệt cơ thường được thực hiện bằng cách nghiền
các mảnh nguyên liệu đã được thẩm thấu trước đó với một số loại hoá chất như xút và
sunphít natri.
Do mức dùng kiề
m cho quá trình thẩm thấu mảnh 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 đượ
c. 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 b
ột 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 x
ảy 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 ho
ạt 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

0
C 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
0
C 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 củ
a 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 t
ạo 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 y
ếu 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: