Nghiên cứu công nghệ sản xuất bột sulfate từ cây luồng (dedro calamus baratus hsuch et d z li)

1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Thế giới được bao phủ bởi một thảm thực vật vô cùng phong phú và đa dạng,
thảm thực vật này không những có vai trò chủ đạo trong quá trình hình thành và tồn
tại của sự sống trên trái đất mà còn là nguồn cung cấp nguyên liệu quan trọng cho
nhiều ngành kinh tế khác, đặc biệt một số ngành như: công nghiệp giấy, công
nghiệp dệt....
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nền kinh tế quốc dân đang có tốc
độ phát triển rất nhanh, theo đó mà lượng giấy và bột giấy tiêu hao tăng lên, lượng
cung và cầu trên thị trường ngày càng chênh lệch. Theo thống kê ở Việt Nam hiện
nay mới tự sản xuất được 30  40% lượng bột giấy, còn lại mỗi năm nhập khẩu
60  70%. Trong khi đó lượng giấy tiêu hao bình quân/đầu người lại thấp hơn rất
nhiều so với lượng giấy tiêu hao bình quân/đầu người của thế giới.
Năm 2006, lượng giấy tiêu hao bình quân/đầu người là 18 kg/người/năm.
Hiện nay, ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy đã trở thành một ngành công
nghiệp quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Tuy nhiên, một thực trạng đang xảy
ra cung không đủ cầu mà phần lớn phải dựa vào nguồn nhập khẩu, vì vậy để thúc
đẩy phát triển ngành giấy và bột giấy sẽ có tác dụng rất lớn trong việc thúc đẩy sự
phát triển của ngành khác như lâm nghiệp, nông nghiệp, hóa công, cơ khí, giao
thông vận tải, in ấn, bao bì...Từ đó thúc đẩy được sự phát triển của nền kinh tế quốc
dân. Tuy nhiên, theo sự phát triển với tốc độ khá nhanh của ngành công nghiệp giấy
ở Việt Nam thì nguồn nguyên liệu gỗ đang ngày càng khan hiếm và trở thành những
trở ngại đáng kể cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp này, đồng thời
với việc lợi dụng nguồn nguyên liệu gỗ mộc nhanh rừng trồng thì việc nghiên cứu
và lợi dụng hợp lý nguồn nguyên liệu sợi phi gỗ đã trở thành vấn đề cấp thiết, đặc
biệt đối với Việt Nam là một đất nước có nhiều lợi thế về tre trúc thì việc lợi dụng
dụng tốt nhất đối với loại nguyên liệu này là một hướng đi đúng đắn, tạo tiền đề cho
sự phát triển các ngành công nghiệp lợi dụng nó.
Tre trúc cũng được coi là một nguyên liệu thực vật mọc nhanh, chúng dễ gây
trồng, tốc độ sinh trưởng nhanh, chu kỳ ngắn nhưng sản lượng cao, chúng rất dễ

2

được gây trồng thành rừng, mặt khác nhiều loài tre, luồng hành năm còn cho thêm
thu nhập về măng từ đó làm tăng giá trị lợi dụng đối với các loài tre trúc, góp phần
nâng cao thu nhập cho người dân. Nguyên liệu gỗ trong sản xuất giấy và bột giấy
ngày càng trở nên khan hiếm thì nguyên liệu phi gỗ đặc biệt là tre trúc thì ngày càng
được coi trọng, sợi của tre trúc thuộc nhóm thực vật trung bình và dài, chiều dài của
sợi tre trúc thường nằm giữa đối với gỗ làm ki và lá rộng, tính năng tạo bột giấy là
rất tốt. Các nghiên cứu chứng minh, tre trúc là một trong số các loại nguyên liệu phi
gỗ rất tốt cho sản xuất bột giấy. Bột giấy từ nguyên liệu tre trúc không những có thể
sản xuất ra được những loại giấy văn phòng phẩm chất lượng cao mà nếu được kết
hợp với bột giấy thì chúng có thể sản xuất được bột giấy cao cấp khác. Vì vậy, nếu
sử dụng nguyên liệu tre trúc thay thế nguyên liệu gỗ trong sản xuất bột giấy thì
chúng sẽ giải quyết được các vấn đề khan hiếm nguồn nguyên liệu, thúc đẩy ngành
công nghiệp giấy và bột giấy phát triển theo hướng bền vững.
Khoảng 20 năm trở lại đây, ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy ở
Việt Nam đã có bước phát triển đáng kể. Tuy nhiên, cũng theo sự phát triển của
ngành công nghiệp này mà đã xuất hiện rất nhiều những vấn đề nghiêm trọng, ngoài
vấn dề về nguyên liệu ra thì vấn đề về năng lượng và ô nhiểm môi trường cũng đặt
ra nhiều thách thức. Vì vậy, việc tập trung các nghiên cứu cho lĩnh vực sản xuất
giấy và bột giấy hiện đang được quan tâm. Ngoài việc tập trung nghiên cứu nguyên
liệu thay thế cho nguyên liệu ra thì cũng cần tập trung nghiên cứu nhiều hơn về tiết
kiệm năng lượng và giảm ô nhiểm môi trường trong sản xuất giấy và bột giấy, từ đó
góp phần làm cho ngành công nghiệp giấy và bột giấy từng bước theo kịp các tiến
bộ khoa học trên thế giới. Mặt khác, góp phần làm cho ngành công nghiệp này phát
triển bền vững và ổn định hơn.
Với mong muốn góp phần tìm hiểu thêm về cây luồng có tên khoa học là
(Dedro calamus baratus Hsuch et D.Z.Li) thuộc phân họ tre (Bambusoideae) tăng

cường nguồn nguyên liệu cho ngành chế biến lâm sản nói chung và ngành công
nghiệp giấy và bột giấy nói riêng, chúng tôi chọn đề tài: "Nghiên cứu công nghệ
sản xuất bột sulfate từ cây luồng (Dedro calamus baratus Hsuch et D.Z.Li)".


3

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổ ng quan về tre trúc và cây luồ ng
Trên thế giới hiện nay đã xác định được hơn 70 họ và 120 loài tre trúc, tổng
diện tích rừng tre trúc hiện nay trên toàn thế giới đạt 16.106 ha. Chủ yếu được phân
bố ở các khu vực nhiệt đới và á nhiệt đới. Chỉ có một số ít loài tre trúc được phân
bố ở các vùng ôn đới. Sự phân bố có vùng tre trúc trên thế giới có thể được phân ra
3 khu vực lớn sau: Châu Á Thái Bình Dương, Châu Mỹ và Châu Phi. Tre trúc ở khu
vực Châu Á Thái Bình Dương có khoảng trên 900 loài trong đó có những loài thân
đơn, có những loài thân bụi, tre trúc ở khu vực Châu Mỹ có khoảng 270 loài, chủ
yếu chúng thuộc loài thân bụi, tre trúc ở Châu Phi có số loài ít nhất. Hiện nay trung
tâm phân bố lớn nhất của tre trúc trên thế giới là Trung Quốc, chủng loại tre trúc
được phân bố ở đất nước này là trên 500 loài. Có 3 loại hình chính là loài thân bụi,
thân đơn và hỗn loài, diện tích rừng tre trúc là 8.106 ha, chiếm 40% tổng diện tích
trên toàn thế giới. Quốc gia có diện tích tre trúc lớn thứ 2 trên thế giới là Ấn Độ, ở
đấy có 136 loài tre trúc sinh sống, chủ yếu là cây thân bụi, diện tích rừng tre trúc
của Ấn Độ là 4.106 ha, chiếm 20% tổng diện tích tre trúc trên toàn thế giới. Nhật
Bản cũng được coi là 1 quốc gia có diện tích rừng tre trúc tương đối lớn, ở đất nước
này có khoảng 230 loài tre trúc sinh sống, diện tích rừng tre trúc là 1,38.105 ha.

Diện tích rừng tre trúc của các quốc gia trên thế giới (Số liệu 1999)
Tên quốc gia

Diện tích rừng tre trúc (104 ha)

Số loài

Trung Quốc

800

50

Ấn Độ

400

136

Myanma

217

90

Thái Lan

81

60

Bangladet

60

30

Campuchia

28,7

Không xác định

Việt Nam

13

92

Nhật Bản

13,8

230


4

Indonexia

6

30

Malayxia

2

4

Philipin

2

55

Hàn Quốc

0,8

13

Pakixtan

0,2

14

Châu Đại dương

20

10

Châu Mỹ (Nam Bắc Mỹ)

150

270

Châu Phi

150

50

Ở Việt Nam, do điều kiện đất đai thích hợp, cây luồng được phân bố chủ yếu ở
các tỉnh: Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh , Hoà Bình...
Cây luồng là loài cây dễ trồng, dễ chăm sóc, trồng một lần có thể thu hoạch từ
40-50 năm, vì vậy cây luồng được các dân tộc ở miền núi chọn làm cây phát triển
kinh tế gia đình, là cây xoá đói giảm nghèo.
Luồng tuy có trữ lượng lớn nhưng được trồng không tập trung dẫn đến việc
khai thác vận chuyển gặp nhiều khó khăn. Mặt khác do đời sống khó khăn nên
người dân đã khai thác cả luồng còn non (2 năm tuổi) đây là tuổi luồng có khả năng
sinh măng cao nhất, trong khi theo khuyến cáo chỉ nên khai thác luồng từ 3 năm
tuổi trở đi thì mới cho năng suất và giá trị kinh tế cao. Hơn nữa tỷ lệ lợi dụng của
tre thấp gây ra thất thoát lớn về nguyên liệu, nhân công.
1.2. Đặc điểm sinh thái cây luồ ng ta ̣i Hòa Bin
̀ h
Cây luồng (còn gọi là mét, luông, mậy sang mú), trước đây, theo Lê Mộng
Chân, Lê Thị Huyên (2000) tên khoa học là Dendrocalamus membranaceus Munro.
Tuy nhiên theo nghiên cứu mới đây, các chuyên gia Trung Quốc (dẫn theo Nguyễn
Hoàng Nghĩa - Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam) thì cây Luồng Hòa Bin

̀ h có
tên khoa học là Dendrocalamus barbatus Hsueh et D.Z.Li. Là loài tre mọc cụm
(kiểu hợp trục, bũi, khóm…) thuộc họ phụ tre trúc (Bambusoideae), bộ hòa thảo
(Graminaler) (Lê Quang Liên.1995).


5

Luồng có thân thẳng, tròn đều, độ thon nhỏ, không có gai, vách thành của
thân dày. Cây có đường kính từ 10 - 12 cm, chiều dài thân từ 8 - 20 m. So với các
loại tre phổ biến thì luồng có những đặc điểm khác hơn như: Lá rộng, ngắn và xanh
đậm hơn, thân thẳng, đường kính giảm đều, không có gai, ít cành và mẫu cành nhỏ,
vách thân dày hơn. (Nguyễn Ngọc Bình. 1964).
Luồng sinh trưởng rất nhanh, sau 2 năm có thể khai thác luồng làm nguyên
liệu giấy hoặc làm cột nhà hoặc sử dụng vào các mục đích khác. (Lê Quang Liên.
2001).
Luồng rất ít khi ra hoa, sau khi ra hoa (còn gọi là bị khuy) thì cây bị chết.
Hoa luồng ít khi đậu quả và thành hạt, tỷ lệ nảy mầm của hạt rất kém (Phạm Văn
Tích, 1963), vì vậy việc gây tạo giống luồng chủ yếu bằng phương pháp nhân giống
sinh dưỡng.
Luồng phân bố chủ yếu ở tỉnh Thanh Hóa, Hòa Biǹ h, Ninh Bình, Nghệ An,
Hà Tĩnh… Hiện nay luồng đã được trồng ở nhiều nơi và sinh trưởng, phát trển tốt ở
những nơi trồng mới (Lê Quang Liên, 1993).
Luồng sinh trưởng và phát triển tốt ở những nơi có tầng đất dày (trên 60 cm);
đất xốp màu mỡ, nhất là đất ven đồi, ven suối, lòng khe… Những nơi đất xấu, bạc
màu luồng sinh trưởng và phát triển kém. Đối với đất ngập úng luồng không thể
sống được (Lê Quang Liên,1993). Nhu cầu về kali trong đất của luồng rất lớn, các
kết quả nghiên cứu cho thấy: Hàm lượng K2O dễ tiêu trong đất có quan hệ rất chặt
chẽ đến sự sinh trưởng tốt xấu của rừng tre luồng, còn cao hơn cả yếu tố mùn và
Nitơ trổng số (Lê Quang Liên và cộng sự. 1990).

1.3. Tổng quan về ngành giấy
1.3.1. Lịch sử phát triển ngành giấy
Thời cở xưa, khi chưa có chữ viết con người dùng nút dây, mẫu đá, vẽ
vạch....làm ký hiệu để ghi nhớ. Khi chữ viết sơ bộ hình thành, giấy viết chưa ra đời,
người ta đã khắc chữ lên các mảnh xương, mai rùa, sau đó mới khắc lên các mảnh
tre, tấm gỗ, cuối cùng lên trên đũa, lụa...


6

Vào khoảng năm 2000 năm trước công nguyên, người Ai Cập đã phát hiện ra
một loại giấy dó. Họ đã biết tách loại cây này thành lát mỏng, cắt đều đặn từng
miếng, rửa sạch phơi khô, dàn mỏng ra, rồi dùng màu mực vẽ hình lên đó. Có thể
coi đó là tờ giấy đầu tiên của con người. Nhưng việc tách rời xơ sợi thực vật là một
đặc trưng của sản xuất giấy thì người Ai Cập vẫn chưa làm được. Phải đến năm
105, Nguyễn Thái Luân (Lôi Dương – Hồ Nam – Trung Quốc) đã nghĩ ra cách dùng
vỏ cây dâu tằm tước ra thành từng sợi, rữa sạch, giã nhuyển, dàn mỏng phơi khô
thành một loại giấy viết. Sáng kiến lớn lao này, đến năm 106 được phổ biến rộng rãi
ở Trung Quốc thành một kỹ nghệ làm giấy. Đây là kỹ nghệ chế tạo giấy đầu tiên
của loài người. Sau Thái Luân, người trung Quốc còn dùng các loại cây khác như
đay, gai, tre nứa, sợi tơ tằm để làm giấy.
Cho đến năm 384 công nguyên, nghề làm giấy từ Trung Quốc đã lan truyền
vào Triều Tiên, năm 610 lan đến Nhật Bản, thế kỷ thứ VII truyền vào Việt Nam,
Miến Điện, Ấn Độ. Từ đây nghề làm giấy lan truyền đến các nước Châu Âu, Châu
Phi, Châu Mỹ như: Ả Rập (751), Tây Ban Nha (1451), Italia (1276), Pháp (1348),
Anh (1494), Nga (1567), Mỹ (1690), Canada (1803).
Do trình độ cơ giới, điện năng, luyện kim hóa càng ngày phát triển và để đáp
ứng được nhu cầu đời sống của con người ngày càng cao. Hơn 200 năm lại đây, kỹ
thuật công nghệ và thiết bị sản xuất cellulose và giấy có những bước nhảy vĩ đại.
Đó là, vào năm 1798, ông Nichola – Louis Robert người Pháp đã phát minh

ra chiếc máy xeo giấy đầu tiên. Sau đó, 5 anh em nhà Fourdrinier, người Anh đã cải
tiến thành máy xeo lưới dài. Nhiều phát minh cải tiến kỹ thuật sản xuất giấy tiếp tục
ra đời và ngày càng cao. Lúc này nguồn nguyên liệu cũ như vải rách, sợi bông đã
cạn và trở nên thiếu trầm trọng.
Cho đến năm 1840, hai người Đức tên là Keller và Ulter phát minh ra chiếc
máy mài gỗ để thu được xơ sợi có thể dùng để sản xuất đã mở ra hướng sử dụng các
loài gỗ mới. Và đây cũng là một dấu mốc cho sự phát triển của ngành công nghệ
sản xuất Cellulose – Giấy. Nhưng gỗ được sản xuất từ bột gỗ mài có độ bền không
cao, nhanh ố vàng. Do đó người ta bắt đầu nghiên cứu các phương pháp hóa học để


7

thu được xơ sợi tự do. Năm 1866, phương pháp Sulfit ra đời. Sau đó, năm 1874,
phương pháp Sulfate được phát minh bởi ông Davit Kman, người Thụy Điển. Với
sự ra đời của hai phương pháp này đã chứng minh ngành công nghiệp giấy thực sự
trưởng thành.
Thế kỷ 20 được xem như là thời gian phát triển nhất của ngành giấy với các
kỹ thuật mới hiện đại, như nấu liên tục, tẩy nhiều giai đoạn liên tục, tráng keo trên
máy xeo, hình thành khô, làm giấy với xơ sợi tổng hợp và điều khiển công nghệ
bằng máy tính điện tử.
Ngày nay, giấy và các sản phẩm của nó đã đóng góp một vai trò quan trọng
trong cuộc sống của chúng ta. Có thể nói, không một lĩnh vực hoạt động nào là
không sử dụng đến giấy. Giấy cung cấp các phương tiện để ghi chép, lưu trữ, trao
đổi thông tin. Nó cũng được sử dụng nhiều nhất trong các vật liệu bao bì và đóng
vai trò quan trọng trong việc áp dụng trong xây dựng. Khi đời sống con người ngày
càng phát triển, thì vấn đề ô nhiểm môi trường ngày càng được quan tâm và giấy trở
thành một nguồn vật liệu để sản xuất bao gói thay thế cho túi nylon, thuận tiện cho
quá trình tái sản xuất. Bên cạnh những sản phẩm giấy và ứng dụng của chúng, thì
ngành công nghiệp của bột và giấy còn tạo việc làm cho rất nhiều người, đồng thời

nó cũng đóng một vai trò chủ chốt trong nền kinh tế quốc dân.
1.3.2. Thực trạng ngành giấy Việt Nam
Như chúng ta đã biết, nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại
hóa đất nước. Nước ta đang trong quá trình hội nhập thế giới. Phải nói rằng, đây là
một cơ hội lớn nhưng đồng thời cũng là một thách thức lớn đối với các ngành công
nghiệp sản xuất nói chung và ngành công nghiệp giấy nói riêng. Bởi ngành giấy
được phát triển dựa trên quy mô nhỏ, tản mạn, công nghệ lạc hậu, gây ô nhiểm môi
trường, trên 60% của thập niên 1950 – 1960, còn lại của thập niên 1970 – 1980.
Trong khi đó, nguyên liệu cũng là một khó khăn đối với ngành giấy, dẫn đến sự mất
cân đối giữa sản xuất bột và giấy. Lượng bột giấy thiếu hụt phải nhập khẩu từ nước
ngoài làm giấy phải chịu nhiều tác động không nhỏ khi giá bột thế gới tăng.


8

Tuy nhiên, trong mấy năm lại đây ngành giấy không ngừng phát triển, cải
tiến kỹ thuật công nghệ sản xuất, nâng cao cả chất và lượng, đáp ứng phần nào nhu
cầu tiêu dùng cho cả nước.
Hiện nay, cả nước có khoảng hơn 300 doanh nghiệp quốc doanh và ngoài
quốc doanh sản xuất bột giấy và giấy các loại với tổng công suất thiết kế 262.000
tấn bột và 796.780 tấn giấy/năm. Trên thực tế, sản lượng sản xuất mới chỉ bằng
53% năng lực sản xuất của toàn ngành giấy. Cụ thể, năng lực sản xuất bột giấy năm
2001 đạt 260.000 tấn, năm 2002 là 263.000 tấn. Năng lực sản xuất giấy năm 2001 là
570.000 tấn và năm 2002 là 798.000 tấn (tăng 40,1%).
Năm 2002, kinh tế nước ta tăng trưởng ở mức 7,1% và thực hiện đạt 15 chỉ
tiêu phát triển kinh tế mà Quốc hội đã đề ra cho năm 2002. Điều này đã thúc đẩy
việc đầu tư mạnh mẽ cho sản xuất bột giấy và giấy cũng như các thành phần kinh tế
khác. Vì vậy, sản lượng giấy đạt 420.00 tấn.
Trong chiến lược phát triển của ngành, Tổng công ty đã đưa ra “chiến lược
phát triển ngành giấy giai đoạn 2001 – 2010” đã được Chính phủ phê duyệt và đang

từng bước thực hiện mục tiêu đạt sản lượng 1.260.000 tấn giấy các loại và 2.255 tấn
bột giấy vào năm 2010, 3.420.00 tấn vào năm 2020.
Cùng với các chỉ tiêu trên, Tổng công ty giấy Việt Nam còn đưa ra phương
án quy hoạch cho dự án xây dựng mới và mở rộng 10 nhà máy sản xuất bột giấy ở
Sơn La, Lai Châu, Phú Thọ, Bắc Cạn, Bắc Giang, Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng
Nam, KonTum và Lâm Đồng với tổng công suất đạt 1.360.000 tấn/năm.
Để đảm bảo tự cung cấp đủ bột cho các nhà máy hoạt động và xuất khẩu bột
thì vấn đề quan trọng hàng đầu là phải mở rộng và qui hoạch mới các vùng nguyên
liệu. Nguyên liệu phải là nguồn cung cấp đủ, ổn định, lâu dài cho các nhà máy hiện
có và các dự án xây dựng sắp tới thì mới có thể phát triển vững chắc được. Cũng
chính vì vậy, Tổng công ty giấy Việt Nam đã tiến hành điều chỉnh bổ sung một số
nội dung trong báo cáo “Chiến lược phát triển ngành giấy đến năm 2010” nhấn
mạnh tầm quan trọng của việc phát triển vùng nguyên liệu giấy với các nhà máy sản


9

xuất bột và giấy. Theo điều chỉnh bổ sung này, đến năm 2010 diện tích vùng trồng
cây nguyên liệu giấy sẽ lên tới 1.096.000 ha. Trong đó:
- Cây nguyên liệu thớ dài (Thông): 180.000 ha
- Cây nguyên liệu thớ ngắn (Keo, Bạch đàn,...): 786.000 ha
- Tre nứa: 110.000 ha
- Cây thân thảo (Cỏ bàng, đay,...):20.000 ha
Việc đầu tư xây dựng các vùng nguyên liệu và tăng sản lượng khai thác
nguyên liệu có ý nghĩa rất lớn trong quá trình thúc đẩy sản xuất phát triển và tăng
khả năng cạnh tranh của sản phẩm do các doanh nghiệp sản xuất bột giấy và giấy
Việt Nam sản xuất, nhất là khi đất nước ta đang gia nhập WTO.
1.4. Mu ̣c tiêu, nô ̣i dung và phương pháp nghiên cứu
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu
- Tâ ̣n du ̣ng tố i đa đố i với nguồ n nguyên liê ̣u ngoài gỗ

- Góp phầ n làm tăng thu nhâ ̣p cho người nông dân
- Giảm thiể u sự phu ̣ thuô ̣c vào nguồ n nguyên liê ̣u gỗ của các nhà máy sản xuất
bột giấy.
1.4.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng: Các yếu tố công nghệ sản xuất bột giấy từ cây Luồng
(Dedrocalamus baratus Hsuch et D.Z.Li), 2-4 tuổi, khai thác tại huyện Lương Sơn
tỉnh Hòa Bình.
1.4.3. Nội dung nghiên cứu
- Xác đinh
̣ các thành phầ n hóa ho ̣c của nguyên liê ̣u
- Nấ u bô ̣t giấ y từ nguyên liê ̣u cây luồ ng
- Kiể m tra các tiń h năng của bô ̣t giấ y sau khi nấ u
1.4.4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa: kế thừa có chọn lọc các tài liệu, kết quả nghiên cứu,
các đề tài và các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước có liên quan đến vấn
đề nghiên cứu.


10

- Phương pháp lý thuyế t: dùng để nghiên cứu các phương pháp nấ u bô ̣t, quá
trình phản ứng hóa ho ̣c xảy ra trong quá trình nấ u bô ̣t…
- Phương pháp thực nghiệm: thí nghiê ̣m nấ u bô ̣t và kiể m tra các tính chấ t của
bô ̣t giấ y.
- Phương pháp sử dụng tiêu chuẩn trong nước và quốc tế:
+ Chọn cây, lấy mẫu và gia công mẫu theo Tiêu chuẩn GB/T 15780-1995
+ Xác định hàm lượng các thành phần hoá học của luồng theo các tiêu chuẩn
TAPPI của Hiệp hội thương mại giấy và bột giấy Mỹ
- Phương pháp thố ng kê toán ho ̣c: dùng để xử lý số liê ̣u thí nghiê ̣m và phân
tích kế t quả.

Trung bình mẫu
Được xác định theo công thức:
n

X

Trong đó:

x
i 1

i

(1.1)

n

xi – các giá trị ngẫu nhiên của mẫu thí nghiệm;

n – số mẫu quan sát;
X - trị số trung bình mẫu.

Sai tiêu chuẩn mẫu
Được xác định theo công thức:
n

S 

Trong đó:

(x
i 1

i

 x) 2

n 1

S – sai quân phương;
xi - giá trị của các phân tử;
X - trung bình cộng của các giá trị xi;

n – số mẫu quan sát.
Sai số trung bình cộng
Được xác định theo công thức:

(1.2)


11

m

Trong đó:

s
n

(1.3)

m – sai số trung bình cộng;
s – sai quân bình phương;
n – số mẫu quan sát.

Hệ số biến động
Được xác định theo công thức:
S% 

Trong đó:

s
x100
x

(1.4)

S% - hệ số biến động;
s – sai quân bình phương;
X - trị số trung bình cộng.

Hệ số chính xác
Được xác định theo công thức:
P

Trong đó:

m
x100%
X

(1.5)

P – hệ số chính xác;
m – sai số trung bình cộng;
X - trị số trung bình cộng.

Sai số tuyệt đối của ước lượng
Được xác định theo công thức:
C(95%)  t a / 2 x

Trong đó:

s
n

C(95%) – sai số tuyệt đối của ước lượng;
ta/2 – mức tin cậy;
s - độ lệch tiêu chuẩn;
n – dung lượng mẫu.

(1.6)


12

Chương 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1. Lý thuyết nấu bột giấy
Nấu bột là 1 quá trình chủ yếu của công đoạn sản xuất bột giấy. Tuy nguyên

liệu bao gồm nhiều thành phần hóa học khác nhau, như: cellulose, lignin,
hemixenlulo, nhựa và các thành phần vô cơ, song thành phần chủ yếu cần thiết để
sản xuất giấy là cellulose và hemicellulose. Vì vậy, mục đích của nấu là dùng
phương pháp hóa học với nhiệt độ nhất định để loại trừ các thành phần khác (đặc
biệt chú ý đến việc tách lignin một cách triệt để) nhằm thu được cellulose và một
phần hemicellulose.
Để sản xuất ra bột giấy có rất nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương
pháp có những đặc điểm riêng, thích hợp cho từng loại nguyên liệu và theo yêu cầu
của mỗi loại sản phẩm bột giấy cuối cùng. Phương pháp chủ yếu hiện nay là
phương pháp axit và phương pháp nấu kiềm. Phương pháp axit chủ yếu là phương
pháp sulfit, phương pháp kiềm gồm có: phương pháp nấu sulfate, nấu sulfate cải
tiến.
2.2. Các phương pháp nấu
2.2.1. Phương pháp sulfit
Phương pháp sulfit là phương pháp axit với tác nhân nấu bao gồm: SO 2 +
NaHSO3 + H2SO4+ H2O thường dùng để nấu gỗ lá kim ít nhựa. Dịch nấu được sản
xuất bằng cách cho khí sulfuaro SO2 sục vào dung dịch kiềm (NaOH, Ca(OH)2,
NH4OH) có nồng độ 0,9 - 1% để tạo muối sulfit (NaHSO3, Ca(HSO3)2, axit H2SO3,
và một lượng tương đối lớn khí SO2 tồn tại ở dạng tự do (chỉ hòa tan trong nước).
Trong quá trình nấu, H2SO3 tác dụng với lignin tạo lignisulfonat. Giai đoạn đầu, khi
mức độ sulfua hóa còn thấp thì lignin chưa tan vào dung dịch nấu và vẫn ở trạng
thái rắn. Sau đó mức độ sulfua hóa tăng thì lignisulonat bị tan vào dịch nấu, vì
sulfonat là nhóm háo nước. Mức độ sulfua hóa càng cao thì khả năng hòa tan
ligninsulfonat càng mạnh.


13

Nhóm polysacarit bao gồm cellulose và hemicellulose cũng sẽ bị chuyển hóa
trong quá trình nấu. Nhóm polysacarit dễ thủy phân sẽ chuyển thành các

monosacarit (glucoza, pructoza). Polysacarit khó thủy phân thì bị chuyển hóa một
phần nhỏ, chủ yếu vẫn ở trạng thái ban đầu. Thành phần nhựa trong gỗ chủ yếu là
nhựa thông có công thức (C19H29COOH), là một axit nên nó không bị hòa tan trong
khi nấu bằng phương pháp sulfit. Nhựa bám vào xơ sợi sau nấu, do vậy phương
pháp sulfit chỉ phù hợp với loại thông ít nhựa.
Phương pháp sulfit có ưu điểm là cho chất lượng bột tốt. Hàm lượng  cellulose có thể đạt 90-94% sau quá trình tẩy trắng và làm giàu.
2.2.2. Phương pháp nấu kiềm
Phương pháp nấu kiềm bao gồm phương pháp nấu xút và phương pháp nấu
sulfat. Cả hai phương pháp này có cùng một bản chất đó là: lignin bị phân hủy trong
môi trường kiềm có pH = 13-14. Nhưng tác nhân của phương pháp xút là NaOH +
H2O, còn tác nhân của phương pháp sulfate là NaOH + H2O + Na2S trong dịch nấu
sulfat làm quá trình hòa tan lignin nhanh chống hơn và triệt để hơn so với phương
pháp nấu xút.
Trong các phương pháp sản xuất bột giấy bằng kiềm, thì phương pháp sulfate
được sử dụng rộng rải nhất phù hợp với nguyên liệu là gỗ lá kim, gỗ lá rộng và các
lá cỏ, thậm chí còn thể dùng gỗ phế liệu của chế biến cơ giới và gỗ có hàm lượng
nhựa rất cao đều có thể dùng phương pháp này.
Ngoài ra nó còn có một số ưu điểm:
- Thời gian nấu tương đối ngắn
- Chất lượng bột cao
- Quá trình thu hồi hóa chất hiệu quả
- Có thể thu hồi các sản phẩm phụ như dầu thông
Trong những năm gần đây, trước các yêu cầu phải giảm giá thành sản xuất
nhằm nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm và cần giảm thiểu ô nhiễm môi
trường, công nghệ nấu sulfate truyền thống đã bộc lộ một số nhược điểm như:
- Hiệu suất bột thấp so nấu theo phương pháp sulfit


14

- Hiệu quả của quá trình sử dụng năng lượng thấp do nhiệt độ lượng thất
thoát trong quá trình nấu, rửa cao dẫn tới mức tiêu thụ năng lượng cho một đơn vị
sản phẩm cao.
- Sự phát thải ra môi trường các loại khí độc hại như meracaptan và H2S.
- Không thể nấu bột tới hàm lượng lignin dư thấp phù hợp cho các quy trình
tẩy trắng mới (các quy trình tẩy trắng không sử dụng cho nguyên tố ECF và không
sử dụng các hợp chất của clo TCF) mà không làm ảnh hưởng tới hiệu suất và chất
lượng bột.
Một số phương pháp nấu bột sulfate cải tiến:
Từ giữa những năm 80 của thế kỷ 20, người ta đã nghiên cứu và thử nghệm
thành công các phương pháp nấu bột sulfate cải tiến để khắc phục những nhược
điểm mà phương pháp nấu bột sulfate truyền thống bộc lộ.
Một số phương pháp nấu bột sulfate cải tiến là:
- Công nghệ nấu bột sulfate gián đoạn cải tiến:
+ Nấu sulfate thế chỗ dịch, gia nhiệt nhanh RDH (Rapid, displacement
heating)
+ Nấu superbath (nấu bột với các giai đoạn xử lý dịch đen)
+ Nấu Enerbatch
- Công nghệ nấu bột sulfate liên tục cải tiến:
+ Nấu bột sulfate liên tục cải tiến (MCC)
+ Nấu bột sulfate liên tục cải tiến tăng cường (EMCC)
+ Nấu đẳng nhiệt (ITM)
+ Nấu với hàm lượng chất rắn thấp (Loso lids cooking - LSC)
Các công nghệ nấu bột cải tiến này đều dựa trên nguyên lý điều chỉnh nồng
độ kiềm hoạt tính trong suốt quá trình nấu. Ưu điểm chủ yếu của các cải tiến này là
tăng tính lựa chọn của quá trình tách loại lignin: bột thu nhận được có trị số kappa
thấp hơn trong khi hiệu suất bột và độ bền cơ lý của bột tương đương với bột nấu
theo phương pháp sulfate truyền thống. Hơn nữa nấu bột tho phương pháp cải tiến

15

có hiệu quả kinh tế cao hơn do nhiệt lượng được sử dụng tiết kiệm hơn và tận dụng
được các hóa chất dư trong quá trình nấu bột.
Tuy nhiên, về bản chất hóa học của quá trình nấu bột sulfate rất ít thay đổi
trong các phương pháp nấu cải tiến so với nấu truyền thống. Do vậy, phương pháp
nấu sulfate truyền thống vẫn được áp dụng trong quá trình nghiên cứu và đánh giá
khả năng sản xuất bột giấy cáu các loại cây nguyên liệu mới tại phòng thí nghiệm.
Dựa vào thực tế sản xuất giấy ở nước ta và điều kiện có trong phòng thí
nghiệm, tôi chọn phương pháp sản xuất bột giấy theo phương pháp nấu sulfate gián
đoạn truyền thống.
2.3. Lý thuyết nấu sulfate
2.3.1. Khái niệm chung
+ Dịch trắng
- Dịch trắng là dung dịch thu được khi dung Ca(OH)2 bazơ hóa dịch xanh, là
dung dịch hóa chất dung khi bắt đầu nấu. Hay dịch trắng dung để nấu theo phương
pháp sulfate có tác nhân nấu gồm: NaOH + Na2S.
- Kiềm hoạt tính trong nấu sulfate chính là lượng tác nhân nấu có trong dịch
nấu sulfate: NaOH + Na2S (g/l). Thường dùng Na2O (hoặc NaOH) biểu thị.
- Kiềm hữu hiệu trong dich nấu sulfate là NaOH + 1/2Na2S vì trong điều
kiện pH và nhiệt độ nấu thì chỉ có 1/2 lượng Na2S thủy phân thành NaOH
Na2S + H2O = NaOH + NaHS (1)
NaHS + H2O = NaOH + H2S (2)
(không xảy ra phản ứng 2)
- Độ hoạt tính của kiềm là chỉ mức độ tinh khiết của kiềm sản xuất.
- Trong kiềm trắng, ngoài kiềm hoạt tính còn có một lượng tạp chất như:
Na2CO3, NaCl, Na2SiO3, NaAlO2. Ngoài những tạp chất trên, trong dịch trắng nấu
sulfate còn có một số tạp chất khác như: Na2SO4, Na2SO3, Na2S2O3… vậy độ hoạt
tính của kiềm trắng là chỉ lượng kiềm tinh khiết không tính thành phần phụ có trong
kiềm sản xuất. Thường hoạt tính của xút công nghiệp nằm trong khoảng từ 85% 90%.

16

- Độ hoạt tính của kiềm trắng là tỷ số lượng kiềm hoạt tính và tổng kiềm,
trong nấu sulfate:
Độ hoạt tính =

NaOH  Na2 S

Tổng kiềm

*100, (%)

- Tổng kiềm: Được tính bằng tổng tất cả các muối của Natri có trong dịch
trắng. Trong nấu sulfate, lượng các chất được tính hoặc ở đơn vị NaOH hoặc ở đơn
vị Na2O.
- Kiềm định phân chung: Hay còn gọi là kiềm chung, là tổng lượng kiềm
hoạt tính và Natricacbonnat. Trong phương pháp nấu sulfate là: NaOH + Na2S +
Na2CO3.
- Độ sulfua là phần trăm của độ Na2S trên lượng kiềm hoạt tính có trong dịch
nấu sulfua.
Na2 S
*100, (%)
NaOH  Na2 S

Độ sulfua =

- Độ xút hóa: Chỉ mức độ chuyển hóa Na2CO3 thành NaOH trong quá trình
xút hóa

Độ xút hoá =

NaOH
*100, (%)
NaOH  Na2CO3

- Độ khử: Đặc trưng cho lượng Na2S sinh ra bởi phản ứng khử sulfate trong
quá trình đốt kiềm:
Độ khử =

Na2 S
*100, (%)
Na2 SO4  Na2 S

- Độ khô của mảnh: Cho biết lượng gỗ khô tuyệt đối có trong một lượng
mảnh ẩm cho trước:
K =

MDăm KTĐ
MDăm ẩm

- Nguyên liệu khô kiệt là nguyên liệu sợi thực vật không còn nước. Nguyên
liệu phơi khô là nguyên liệu sợ thực vật, có hàm lượng ẩm 10%


17

- Mức dùng kiềm: Là lượng tiền hoạt tính tiêu tốn cho 100g dăm gỗ khô
tuyệt đối:
Mức dùng kiềm

=

Lượng kiềm hoạt tính
Lượng kiềm gỗ KTĐ

- Lượng kiềm hao: Là tỷ lệ % giữa lượng kiềm hoạt tính tiêu hao thực tế và
lượng ngyên liệu khô kiệt khi nấu (khô tuyệt đối khi nấu).
- Tỷ lệ dịch: Là tỷ lệ giữa lượng nguyên liệu khô tuyệt đối cho trước (kg
hoặc tấn) và thể tích tổng dịch nấu (lít hoặc m3), tổng dịch nấu bao gồm cả nước
trong nguyên liệu và toàn bộ dịch nấu vào thiết bị nấu. Trong các nhà máy sản xuất
bột giấy, thường qui định tỷ lệ dịch hợp lý, rồi tính lượng dung dịch kiềm, lượng
nước, lượng dịch đen cho vào :
W:L =

Lượng bột giấy KTĐ
Lượng dăm gỗ KTĐ

*100,(%)

Hiệu suất nấu: Là tỷ số giữa lượng bột giấy KTĐ thu được sau nấu so với
lượng dăm gỗ nấu KTĐ ban đầu:
Hnấu =

Lượng bột giấy KTĐ
Lượng dăm gỗ KTĐ

*100,(%)

Chú ý: Khi tính toán lượng hóa chất cho nấu kiềm thì tất cả các hợp chất của

Natri phải được đổi ra cùng một đơn vị NaOH hoặc Na2O. Thường dùng đơn vị
Na2O hơn cả bởi hầu hết các hợp chất của Natri trong dung dịch nấu kiềm đều chứa
hai nguyên tử Natri, như là: Na2S, NaCO3, Na2SO4.
Tính chất của dịch trắng trong quá trình nấu:
- Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch trắng thường biến động trong khoảng từ
90-120g/l (theo đơn vị NaOH). Khi rót dịch vào nồi nấu, do sự pha loãng của dịch
đen bổ sung vào nước trong dăm gỗ nên nồng độ kiềm hoạt tính giảm xuống khoảng


18

40-60g/l (theo đơn vị NaOH). Khi kết thúc quá trình nấu nồng độ kiềm hoạt tính
trong dịch đen còn từ 9-15g/l (theo đơn vị NaOH).
- Ban đầu pH của dịch nấu khá cao, vào khoảng 12-13. Khi kết thúc quá trình
nấu pH của dịch nấu hầu như không đổi, vẫn ở khoảng 11-12. Điều này được giả
thích bởi sự hình thành dịch đệm là các muối Natri với các muối vô cơ yếu và bời
các axít hữu cơ sinh ra trong quá trình nấu: Na2CO3, Na2S, Na2SO3… những muối
này bị thủy phân trong môi trường kiềm nên sẽ tạo ra các muối axít :
Na2S + H2O ↔ NaOH + NaSH
Na2CO3 + H2O ↔ NaOH + NaHCO3
Na2SO3 + H2O ↔ NaOH + NaHSO3
Độ thủy phân của những muối này phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ dịch
nấu. Trong cùng một điều kiện nấu thì muối của axít yếu hơn sẽ bị thủy phân mạnh
hơn (độ mạnh của các axít lần lượt là: H2SO3>H2CO3>H2S)
+ Dịch đen.
- Dịch đen là dịch thu được sau nấu. Trong dịch đen thường có một lượng
bazơ nhất đinh, thường gọi là bazơ dư.
- Thành phần hữu cơ trong dịch đen được chia thành bốn nhóm chính sau:
. Lignin kiềm, lignin hòa tan (nhưng không bị kết tủa bởi axít )
. Rượu, xêtôn, phenol, axít nhựa, axít béo.

. Axít formic, axít axetic và một số các axít hữu cơ dễ bay hơi khác.
. Oxít axít, lacton…là sản phẩm phân hủy polysacarit trong gỗ dưới tác dụng
của kiềm.
- Thành phần vô cơ trong dịch đen bào gồm: Na2SO3, Na2CO3, NaCl,
Na2SO4, NaOH dư, (Na2S dư), …
+ Dịch xanh: Dịch xanh là dung dịch thu được sau khi dịch đen phương pháp
nấu sulfat qua hệ thống thu hồi bazơ, hòa tan trong dịch trắng hoặc trong nước.
Thành phần chủ yếu của dịch xanh là Na2CO3 + Na2S, cũng có một lượng nhất định
Na2SO4, Na2SO3, Na2S2O3 và NaOH.


19

+ Dịch nấu: Thông thường dịch nấu là hỗn hợp của dịch trắng và dịch đen,
những nhà máy không có hệ thống thu hồi bazơ, thì có thể dùng NaOH và Na2S, để
pha chế. Thành phần chủ yếu của dịch nấu sulfate là: Na2CO3 + Na2S, ngoài ra còn
có một tỷ lệ nhỏ Na2CO3, Na2SO4, Na2SO3, Na2S2O3 và một số tạp chất khác những
tạp chất này chủ yếu từ hệ thống thu hồi bazơ đưa đến.
2.3.2. Cơ chế vật lý khi nấu
Quá trình thẩm thấu của dịch nấu
Trong quá trình nấu, đầu tiên phải quan tâm là vấn đề thẩm thấu, vì có thẩm
thấu tốt thì quá trình xảy ra sau này thuận lợi. Dăm tiếp xúc với dịch nấu, dịch nấu
thẩm thấu vào dăm và sau đó là các phản ứng hóa học.
Hóa chất thấm vào dăm nhờ có hai tác dụng: Tác dụng mao quản và tác dụng
khuếch tán.
- Tác dụng mao quản
Thực chất là nghiên cứu về quá trình dịch chuyển của dăm dung dịch và
thẩm thấu vào trong dăm gọi là thẩm thấu chủ thể. Chủ thể thẩm thấu (muối hoặc
sulfate hoặc muối sulfit) quyết định dung dịch thong qua mao quản.
Tác dụng thẩm thấu do áp lực bên ngoài hoặc áp lực tạo nên do sức căng bề

mặt, tốc độ thẩm thấu tỉ lệ với mũ 4 bán kính mao quản, ti lệ thuận với hiệu áp lực
và tỉ lệ nghịch với độ nhớt của dịch nấu. Tuân theo phương trình của định luật
poiseuille (phương trình liên quan tốc độ thẩm thấu).
V n.r 4 .P

t
L.

Suy ra:

t.n.r 4 p
V
L.

(Với: V: Thể tích dung dịch thông qua mao quản trong thời gian t; n:
số lượng mao quản; r: bán kính mao quản; L: chiều dài mao quản; η: độ nhớt của
dung dịch; Δp: giảm áp lực giữa sức căng bề mặt và áp lực tác động vào).
Qua đó có thể nói rằng: Bán kính mao quản là rất quan trọng (V liên quan
r4), vì thế nó phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu (loại cây). Khi hàm lượng nước ở
nguyên liệu thấp, sau khi loại bỏ không khí trong mao quản, thì quá trình thẩm thấu
dịch được tiến hành càng nhanh.


20

- Tác dụng khuếch tán:
Động lực của quá trình này là sự chênh lệch nồng độ của dịch nấu, làm cho
các ion trong dịch nấu khuếch tán vào bên trong dăm: Khi hàm lượng ẩm trong
nguyên liệu cao hơn điểm bão hòa thớ gỗ (tức là nước chứa đầy trong mao quản),
các ion thẩm thấu vào bên trong dăm chủ yếu dựa vào tác dụng khuếch tán.

Dung dịch thẩm thấu vào dăm dưới tác dụng bởi lực mao quản, nếu không đủ
thì dùng áp lực và dựa vào chênh lệch nồng độ. Quá trình khuếch tán chỉ tiến hành
khi tế bào đã đầy dịch nấu. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào tổng diện tích mặt cắt
ngang của các mao quản.
Vậy, tốc độ lượng dịch nấu thấm vào trong dăm phụ thuộc tính chất vật lý
của dịch nấu, phụ thuộc vào nguyên liệu, phụ thuộc chênh lệch áp, chiều dài con
đường thẩm thấu (L) và phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong hai chiều dọc thớ và ngang
thớ thì dọc thớ thẩm thấu lớn hơn từ 50-100 lần so với chiều ngang thớ.
Quan hệ giữa thẩm thấu và phản ứng bề mặt
Trong vấn đề này đã từng có 2 quan điểm trái ngược nhau, một quan điểm
nhấn mạnh tính quan trọng của thẩm thấu, quan điểm khác nhấn mạnh phản ứng
hóa học. Thực chất hai quan điểm này được xây dựng trên các điều kiện thực
nghiệm khác nhau, mỗi quan điểm có phạm vi sử dụng khác nhau.
Thẩm thấu và phản ứng hóa học không thể cắt rời nhau, cùng với quá trình
thẩm thấu, phản ứng hóa học cũng phát sinh. Có thể nói, giai đoạn đầu của quá trình
nấu (dưới 1400C) quá trình thẩm thấu là chính, khi nhiệt độ tăng lên (trên 1400C tốc
độ phản ứng hóa học tăng, chuyển thành nhân tố chủ yếu, kết quả của phản ứng
lignin và một số thành phần khác bị hòa tan, làm tăng độ rỗng trong dăm, làm tăng
quá trinh thẩm thấu.
Ngoài ra trong quá trình nấu, nếu thẩm thấu dịch nấu không đủ, nhiệt độ nấu
cao lignin có thể bị polymer hóa (không định hình), nhưng vẫn có khả năng tan
trong dịch nấu phương pháp bazơ.
Động học nấu sulfate


21

Theo đinh luật học khuếch tán thì hằng số tốc độ của quá trình hóa học dị thể
bao gồm những phản ứng hóa học riêng sẽ xảy ra ở ranh giới bề mặt pha và quá
trình khuếch tán những chất tham gia phản ứng được biểu thị bằng công thức:

K

Trong đó:

1
1
1

Kp 

Error! Reference source not found.

K: Hằng số tốc độ của toàn bộ quá trình dị thể
Kp: Hằng số tốc độ riêng của phản ứng hóa học
Β: Hằng số tốc độ quá trình khuếch tán

Nếu như tốc độ phản ứng hóa học lớn hơn rất nhiều so với tốc độ khuếch tan,
khi đó K→ β và tốc độ chung của quá trình được quyết định bời quá trình khuếch
tán, hay có thể nói quá trình dị thể xảy ra ở miền khuếch tán. Ngược lại nếu như tốc
độ khuếch tán rất lớn so với tốc độ phản ứng hóa học, khi đó K → KP và quá trình
dị thể xảy ra ở miền động học. Trong trường hợp mà tốc độ khuếch tán và tốc độ
phản ứng hóa học có cùng bậc thì quá trình dị thể xảy ra ở miền trung gian. Quá
trình dị thể xảy ra ở miền động học hay miền khuếch tán là phụ thuộc vào điều kiện
như nhiệt độ v.v…
Động học của quá trình nấu sulfate theo nhà bác học Cvan –Arenny tuân
theo định luật hóa học sau:
K  Z .e

E
R.T

hay ln K  ln Z 

E
R.T

Trong đó: Z: Hằng số không đổi, tương ứng với tần số va chạm của phân tử
những chất tham gia phản ứng trong một đơn vị thời gian.
E: Năng lượng hoạt hóa cal/mol
R: Hằng số khí
T: Nhiệt độ tuyệt đối
2.3.3. Quá trình phản ứng hóa học khi nấu sulfate
Có thể khẳng định rằng: Bản chất hóa học của quá trình nấu bột sulfate rất ít
thay đổi trong các phương pháp nấu cải tiến so với nấu truyền thống. Do đó phương
pháp nấu bột sulfate gián đoạn truyền thống vẫn thường được các phòng thí nghiệm


22

trên thế giới áp dụng trong quá trình nghiên cứu đánh giá khả năng sản xuất bột
giấy từ các loại cây nguyên liệu mới. Đây cũng là lý do chủ yếu của việc lựa chọn
phương pháp nấu bột sulfate gián đoạn truyền thống trong quá trình nghiên cứu bột
giấy từ cây nguyên liệu: cây luồng Hòa Bình.
Bản chất nấu của quá trình sulfate là dùng các tác nhân mang tính kiềm
(NaOH + Na2S) để phân hủy lignin, hemicellulose và các thành phần hữu cơ khác
trong mảnh nguyên liệu, thu được cellulose. Do trong dich nấu sulfate có thêm ion
sulfate (S2-) và ion Hydrosulfua (HS-) so với nấu xút nên các phản ứng hóa học của
lignin trong nấu sulfate là rất phức tạp. Cho đến nay cơ chế phản ứng giữa Na2S và
lignin chưa được nghiên cứu đầy đủ, chưa có kết luận chắc chắn và có nhiều thuyết
giải thích cơ chế phản ứng này với cách nhìn nhận rất khác nhau. Tuy vậy, tất cả

thuyết này đều thống nhất ở một điểm rất quan trọng là: Natrisulfua (Na2S) trong
dịch nấu đã hạn chế rất nhiều khả năng ngưng tụ lignin, tăng cường quá trình hòa
tan lignin vào dịch nấu, giảm thời gian nấu, tăng hiệu suất của cellulose. Nghiên
cứu tác dụng của các nhân tố nấu lên các thành phần của nguyên liệu ta thấy có xảy
ra một số quá trình hóa học sau:
Quá trình phản ứng của lignin:
Trong quá trình nấu, phản ứng tách lignin là phản ứng quan trọng nhất, kết
quả của phản ứng là phân tử lớn lignin bị đứt, tạo thành lignin bazơ và lignin sulfua
hòa tan ra khỏ nguyên liệu nhờ đó sợi thực vật phân ly thành bột.
Phản ứng của quá trình nấu là phản ứng không đồn pha. Quá trình này là:
Pha rắn nguyên liệu sợi thực vật tiếp xúc với pha lỏng dung dịch nấu. Lignin ở trạng
thái rắn hấp thụ dung dịch bazơ; tiếp đến, lignin sulfua khuếch tán ra khỏi nguyên
liệu, hòa tan trong dung dịch bazơ. Trong phương pháp nấu muối sulfate, do có ion
SH- tồn tại, dễ dàng phản ứng gốc hoạt tính của lignin, ngăn cản và giảm kết hợp
của lignin, có lợi cho phản ứng của phân tử nhỏ lignin đã đứt ra.
Tuy có các phản ứng của lignin với NaOH, lignin với Na2S, nhưng đặc trưng
nhất là:
1) Các phản ứng của lignin với NaOH


23

- Phản ứng tạo phenolat.

C3

C3
+

NaOH

→

+

OCH3

H2O

OCH3

OH

ONa
(Phenolat)

- Phân huỷ liên kết ete alkyl - arkyl β - 0 - 4.
TH1: Lignin có nhóm OH chưa phenol chưa phản ứng (gọi là lignin dạng
phenol)

HOCH2

HOCH2
HC
H

C

O

H C

C3

O

OH OCH 3
H2 O
OCH3

OH

OH

H C

C3

OCH3

OH-

OCH3
OH
(Epoxy)

TH2: Lignin có nhóm OH chức phenol đã phản ứng (gọi là lignin dạng
phiphenol)

24

Chú ý: Liên kết ete alkyl-aryl -0-4 chỉ có thể bị phân huỷ khi nguyên tử
Ccó chứa nhóm -OH.

HOCH2

HOCH2

H C

O

C3

H C

OH OCH3

HC
OH-

O
OCH3

HC

OCH3

C3

OCH3

O

O
(dạng Quynolmetit)

- Phản ứng phân huỷ liên kết ete alkyl - aryl  -0-4
Dạng phenol: Dưới tác dụng của tác nhân kiềm những phân tử lignin có
nhóm hydroxyl chức phenol tự do dễ dàng bị đứt liên kết ete alkyl - aryl -0-4.
Phản ứng xảy ra qua sản phẩm trung gian là quynolmetit:

HOCH2

HOCH2

HOCH
H C

OCH3
O

HOCH
C3

OH-

OCH3

HC
+

OCH3
O

C3

OH

OCH3
O
(Quynolmetit)


25

- Phản ứng phân huỷ liên kết ete -0-4 Phenyl - Furano

C3
HOCH2

C3

HOCH2

HC

OCH3

H2C

H C

O

OCH3

OH

HC

OH-

OCH3

OCH3

OH

OH

- Phản ứng đa tụ lignin
Phản ứng ngưng tụ xảy ra chủ yếu ở nhóm hydroxinl chức rượu benzylic
với nhân benzen của đơn vị lignin khác ở vị trí C 5 hoặc C6 để hình thành liên
kết C-C mới bền vững:

C2
C2
HCOH

HC

-H2O
OCH3

OH
OCH3

OH
OH
2) Các phản ứng của lignin với Na2S
- Phân huỷ liên kết ete alkyl - aryl -0-4

HOCH2

HOCH2

HC O
H C

OHOCH3

C3

HC
OH-

HC

C3

O
OCH3

OH-+HSOCH3
O

OCH3
O
(Quynolmetit)