- کلیات
مقدمه
صنعت کاغذسازی با تلفیق هنر، تجربه و تکنولوژی نوین از ماده‌ای همچون چوب یا دیگر مواد لیگنو سلولزی، ماده‌ای با خواص متفاوت به نام کاغذ که یکی از کالاهای مهم و استراتژیک موردنیاز انسان‌هاست را تولید می‌کند.
اهمیت کاغذ و فرآورده‌های کاغذی در زندگی نوین بر همگان آشکار است. هیچ فرآوردة صنعتی دیگری نقشی این چنین برجسته در زندگی انسان ندارد. به طوری که امروزه مصرف کاغذ به عنوان شاخصی از میزان پیشرفت فرهنگی و اجتماعی جوامع مختلف مطرح می‌گردد.
از نقطه نظر تاریخی اولین بار کاغذ با استفاده از الیاف غیرچوبی ساخته شده، ولی با توسعة سریع و رشد روزافزون این صنعت بر استفاده از ماده اولیة چوبی تمرکز یافت. در حال حاضر حجم گستردة ارتباطات فرهنگی، اقتصادی، اجتماعی و تبادل اطلاعات سبب افزایش مصرف کاغذ و محصولات کاغذی نیز خواهد شد. لذا در چند دهة اخیر اغلب کشورها سعی در کاشت درختان پهن برگ و سوزنی برگ سریع‌الرشد داشته‌اند. زیرا از رشد بیشتری برخوردار بوده و نتیجتاً سن بهره‌برداری آنها کوتاهتر خواهد بود.
همچنین کشورهایی وجود دارند که به علت نداشتن منابع طبیعی و جنگل کافی برای استفاده از آنها سعی و کوشش خود را بر استفاده از منابع الیاف سلولز غیرچوبی و سایر منابع، مانند کاغذ باطله متمرکز کرده‌اند. البته هم در کشورهای توسعه یافته و هم در کشورهای در حال توسعه، فشار فزاینده‌ای در جهت استفاده از مواد خام جایگزین و مشابه برای تهیه خمیر و کاغذ هم به لحاظ زیست محیطی و هم به لحاظ موجودی مواد اولیه وجود دارد.
اگر چه منابع سلولزی غیرچوبی سهم اندکی در کل تولید دارند، ولی نرخ رشد قابل توجه 93/3% آنها در مقایسه با 73/2% برای منابع چوبی در سالهای 1971 تا 1986 نشان دهندة علاقمندی زیاد به استفاده از منابع غیرچوبی میباشد.
جدول شماره 1- سهم منابع مختلف سلولزی در سال 1986 و نرخ رشد منابع غیرچوبی در سالهای 86-1971
نوع ماده اولیه درصد تولید از کل تولید درصد نرخ رشد
غیرچوبی 38/5 93/3
چوب 9/68 37/2
کاغذ باطله 53/2
Atchison (1987)
تاریخچه کاغذسازی در جهان
در مورد تاریخ پیدایش کاغذ، نویسندگانی چند نوشته‌اند که دو قرن پیش از میلاد مسیح برای نخستین بار توسط چینی‌ها ساخته شده است، هر چند که در بعضی از منابع مصریها را در این امر پیشگام می‌دانند که از نوعی نی، کاغذی بنام پاپیروس تهیه می‌کردند.
نخستین کاغذسازی واقعی در حدود سال 100 میلادی در چین و با استفاده از سوسپانسیونی از الیاف خیزران یاتوت عملی شد.
در سال 750 میلادی اعراب که سمرقند را در میان گرفته بودند مورد حمله چینی‌ها قرار گرفتند که پس از شکست خوردن از اعراب توسط اسرای آنها، رموز ساخت کاغذ بدست اعراب افتاد و بدین ترتیب به کشورهای وابسته و زیر نفوذ اعراب راه یافت. در این باب گفته شده است که کاغذ را ابتدا از آسیا به یونان برده‌اند.
از نوشته‌های تاریخی چنین بر می‌آید که ابتدا از کتان جهت کاغذسازی استفاده میشد. رفته رفته تکه پارچه و کهنه جای کتان را گرفته و بر اثر افزایش روزافزون مصرف کاغذ، هر گونه گیاه غیرچوبی نیز مورد استفاده قرار گرفت، تا آنجایی که از خود پنبه نیز در این صنعت استفاده گردید.
کاغذسازی در اروپا ابتدا در شهر «مور» واقع در اسپانیا مصادف با نیمه سده دوازدهم آغاز گردید و توسط این کشور به فرانسه و انگلستان نیز راه پیدا کرد. در ایتالیا نیز صنعت کاغذسازی با پیروزی اعراب در جزیره سیسیل رواج یافت و در سال 1276 این کشور به ساخت بهترین نوع کاغذ معروف شد و بین سالهای 1294- 1293 نخستین کارخانه در شهر فابریانو (Faberiano) شروع به کار کرد و پیشرفت کاغذسازی در سده پانزدهم به جنوب آلمان نیز کشیده شد.
در آمریکا نخستین بار کارخانه کاغذسازی به سال 1690 با همکاری یک چاپخانه دار آمریکایی و یک کاغذ ساز آلمانی بنیانگذاری شد.
روند مصرف خمیر کاغذ
روند مصرف خمیر کاغذ مانند روند مصرف سایر محصولات چوبی و کاغذی در طی دوره 80-1970 رو به افزایش بوده و تنها در طول بحران اقتصادی سال 1975 نسبت به سال قبل کاهش یافته است. طی این دوره مصرف خمیر کاغذ با 24 درصد افزایش از 102 میلیون تن در سال 1970 به 126 میلیون تن در سال 1980 افزایش یافت.
از آنجا که خمیر کاغذ ماده اصلی و اولیه تهیه کاغذ و کارتن در جهان است که آنها نیز به نوبه خود توسط عواملی نظیر وضعیت اقتصادی کشورهای مصرف‌کننده عمده و کارتن، کمیت و کیفیت جمعیت در این کشورها و استفاده از سایر خمیرهای غیرچوبی در تولید کاغذ و کارتن تعیین می‌گردند، لذا میزان مصرف و تولیدکاغذ می‌تواند معرف تکنولوژی وضعیت اقتصادی و کلاً پیشرفت یک کشور باشد.
روند مصرف کاغذ و کارتن در جهان
مصرف کاغذ و کارتن در جهان نیز روندی رو به افزایش داشته و در طی دوره 80-1970 مصرف این گروه از محصولات کاغذ با 35 درصد افزایش از 127 میلیون تن در سال 1970 به 170 میلیون تن در سال 1980 بالغ گردیده است. بعبارت دیگر متوسط رشد مصرف کاغذ و کارتن در جهان طی این مدت 5/3% در سال بوده است که علیرغم این رشد چشمگیر، نسبت به نرخ رشد مصرف در دهه‌های گذشته کاهش یافته است.
از آنجا که مصرف کاغذ علاوه بر سطح تولید و درآمد نسبت به عواملی از قبیل جمعیت، درصد افراد باسواد در جمعیت جهان و فرهنگ کشورها حساسیت دارد عواملی اجتماعی و فرهنگی نیز همراه با عوامل اقتصادی در مصرف این گروه از محصولات کاغذی نقش مهمی ایفا می‌نماید. از این رو مصرف کاغذ و کارتن تنها بر اثر بحران شدید اقتصادی در سال 1975 مشابه خمیر کاغذ کاهش یافته است.
مصرف سرانه کاغذ و کارتن نیز از 35 کیلوگرم برای هر نفر در سال 1970 به 39 کیلوگرم در سال 1979 و 2/42 کیلوگرم در سال 1986 افزایش یافته است. البته این مقدار بطور متوسط بیان شده، چرا که در بعضی از کشورها مثل آمریکا مصرف سرانه حتی به 6/282 کیلوگرم در سال 1986 می‌رسد، در صورتی که در افغانستان به 3/0 کیلوگرم برای هر نفر بالغ می‌شود.
تاریخچه تولید کاغذ در ایران
احداث یک کارخانه کاغذسازی در ایران پیش از آغاز جنگ دوم جهانی موردنظر بوده است. در سال 1317 شرکتی در اصفهان برای برآوردن این مهم، سرمایه‌گذاری کرده ولی چون بررسی و مطالعه کافی نداشت و این کار مصادف با جنگ جهانی دوم بوده لذا به نتیجه نرسید. پس از جنگ با همکاری بانک ملی ایران و یک سرمایه‌دار آمریکایی سعی شد کارخانه‌ای در ورامین احداث شود که در 26 بهمن 1326 آنرا به ثبت رسانیدند ولی بدنبال ملی شدن نفت، انگلستان که یک طرف قرارداد بود از فرستادن تجهیزات لازم خودداری کرد و ماشین‌آلاتی را هم که قبلاً فرستاده بود بعلت فرسودگی غیرقابل استفاده بود، لذا دوباره این صنعت در ایران با شکست مواجه شد. سرانجام بدنبال بررسیها و تلاشهای بعضی از ارگانها و اشخاص، دستور ساخت اولین کارخانه مدرن تولید خمیر کاغذ و کارتن در سال 1343 توسط مقامات وقت صادر و در سال 1349 کارخانه مذبور تحت عنوان کارخانه کاغذ پارس نامگذاری و افتتاح شد. این کارخانه با استفاده از تفاله نیشکر کار می‌کرد و ظرفیت نهایی آن صد هزار تن در سال پیش‌بینی گردید.
کارخانه چوکا، کارخانه دیگری است که جهت استفاده از چوب پهن برگان شمال با ظرفیت اسمی صدو پنجاه هزار تن در سال افتتاح شد. در این راستا می‌توان از کارخانجات کاغذسازی نوظهور، شرکت نوعدوست که به تولید پوشک بچه و نواربهداشتی با خمیر حاصل از لینتر پنبه می‌پردازد و کارخانه ایران پاپیروس که به تولید کاغذ ضخیم و دوبلکس با استفاده از کاغذ باطله مشغول است نام برد.
در حال حاضر نیز کارخانه‌جاتی چند در شرف بهره‌برداری و تأسیس در ایران دارد که از ذکر آنها صرفنظر می‌شود.
صنوبر
- خواص عمومی چوب
صنوبر از جمله درختان سریع‌الرشدی است که در گروه پهن برگان پراکنده آوند میباشد. چوب صنوبر سبک بوده و با داشتن جرم ویژه کمتر از 5/0 گرم بر سانتیمتر مکعب در گروه پهن برگان خیلی سبک طبقه‌بندی می‌شود و الیاف آن کم و بیش طویل میباشد. از نظر درجه سختی نیز در گروه چوبهای خیلی نرم قرار می‌گیرد و همین امر باعث می‌شود که کار کردن با آن راحت بوده و خوب پرداخت شود. از نظر تحمل در برابر نیروها (کیفیت مکانیکی) در حد متوسط است. چوب فاقد بو و طعم بوده ودارای رنگ روشن است. برون چوب کرم رنگ و درون چوب قهوه‌ای کمرنگ خاکستری است که اختلاط آنها تدریجی است.
- خواص اکولوژیک
این درختان نورپسند بوده و حتی تحمل سایه‌های ملایم جانبی را هم ندارند. خاکهای خوب و مرطوب و عمیق را دوست دارند. خاک مخلوط با کمی رس برای آنها مناسب است. طغیانهای موقت زمستانی را تحمل می‌کنند. اما به طور کلی به خاک اسیدی و آب راکد حساسیت زیادی نشان می‌دهند. این درختان در دره‌ها و بستر رودخانه‌ها می‌روید. به طور خودرو با بیدها زندگی می‌کنند و با بذرهای سبک و رشد زیادی که دارند می‌توانند به نقاط دوری پراکنده شده و به آسانی در زمین‌های جدید مستقر گردند.
با این اوصاف چون به نور آفتاب احتیاج زیادی دارند در رقابت با سایر درختان مقاومت نموده، به آسانی از بین می‌روند.
- خواص آناتومیکی
حفرات آوندی در چوب تبریزی به طور مجزا و یا به هم چسبیده به تعداد 2، 3 و 4 در جهت شعاعی دیده می‌شوند، بسیار فراوان و به طور منظم با قطر یکسان در پهنای دایره سالیانه پراکنده‌اند. اشعه چوبی هم شکل و متعدد، تقریبا 14 شعاع در هر میلی‌متر دیده می‌شود.
پارانشیم‌ها پراکنده و در پایان دایره وجود دارند. عناصر آوندی در مقطع شعاعی دارای دریچه منفرد هستند و منافذ بین آوندی فراوان و درشت است و بافت فیبری منحصرا از فیبر تراکئید تشکیل شده است. فیبرها دارای غشایی نازک به قطر 25 تا 20 میکرون هستند. متوسط طول پره‌های چوبی 220 میکرون و متوسط پهنای پره‌های چوبی 15 میکرون و تعداد متوسط پره‌های چوبی در میلی‌متر مربع 12 است.
- خواص شیمیایی و خمیردهی
برای به دست آوردن یک کیلوگرم خمیر کاغذ 2/2 کیلوگرم چوب صنوبر با پوست لازم است. معمولا برای تهیه خمیر کاغذ از چوب صنوبر به صورت سفید و براق و بالا بردن نیروی کششی آن، آن را با خمیر کاغذ سوزنی برگان مخلوط می‌کنند. چوب صنوبر دارای فیبرهای بلند و سفید است و نیاز زیادی به مواد سفیدکننده ندارد. مقدار سلولز در برخی از صنوبرها از 50% نیز متجاوز است.
جدول شماره 2- میانگین میزان ترکیبات شیمیایی چوب صنوبر دلتوئیدس
سن سلولز لیگنین مواد استخراجی خاکستر
4 32/51 46/23 41/2 6/0
6 84/52 03/22 53/2 55/0
12 78/52 35/23 85/2 27/0
فخریان، عباس و همکاران (1377)
- امتیازات استفاده از صنوبر در صنایع کاغذسازی:
الف- چوب صنوبر سفید است و نیازی به مواد سفیدکننده ندارد و مقدار سلولز در بعضی از آنها از 50% تجاوز می‌کند.
ب- چوب صنوبر دارای فیبرهای نسبتاً بلند است و ابعاد الیاف به ویژه طول الیاف و ضخامت دیواره سلولی از خصوصیات مهم الیاف در فرآیندهای تهیه خمیر کاغذ میباشد. به طور کلی زیاد شدن طول الیاف درپهن برگان باعث بهبود خواص مقاومتی کاغذ حاصله می‌گردد. طول الیاف از لحاظ مقاومت کاغذ در مقابل پاره شدن تأثیر بسیار زیادی دارد. وجود الیاف طویل‌تر سبب تشکیل پیوندهای بیشتری در خمیر شده و باعث می‌شود که نیروهای کششی در الیاف به مقاومت به پاره شدن برسد و طول الیاف روی تشکیل کاغذ نیز تأثیر می‌گذارد. الیاف صنوبر با طولی در حدود 6/950 در رده الیاف با طول متوسط طبقه‌بندی می‌شود با توجه به این که در محدوده 1600-900 میکرون واقع است پس نتیجه‌گیری می‌شود چوب صنوبر جهت کاغذسازی از طول مناسب برخوردار است.
ج- با توجه به کمبودی که در کشورمان در صنعت چوب داریم استفاده از این گونه‌های سریع‌الرشد در صنعت باعث می‌شود که ما تا حدی مشکل کمبود چوب را برطرف کنیم.
د- گونه صنوبر دلتوئیدس از امریکا وارد ایران شده است که نسبت به گونه‌های دیگر صنوبر برای کاغذسازی مناسب‌تر است.
ذ- افزایش تعداد اتصالات الیاف، پخش نور و کاغذ را افزایش می‌دهد.
ر- خواص فیزیکی کاغذ مانند دانسیته، شفافیت، ماتی، انعکاس نور و خواص مکانیکی آن مانند مقاومت کششی مقاومت به ترکیدن و مقاومت به پاره شدن که در موارد زیادی نقش تعیین کننده‌ای در کاربرد کاغذ دارند عمدتا تحت تأثیر ساختمان شبکه الیاف قرار دارند. الیاف صنوبر دارای طول بلند و قدرت درهم رفتگی خوبی میباشد.
ز- با افزایش انتقال بین الیاف، مقاومتهای مکانیکی کاغذ افزایش یافته و ماتی کاغذ کاهش می‌یابد.
کاج:
- مشخصات عمومی کاج الدریکا:
یکی از گونه‌های سوزنی برگ که در اقصی نقاط ایران به طور طبیعی و دست کاشت وجود دارد و سازگاری خوبی از خود نشان داده است، کاج الدریکا میباشد.
رویشگاه طبیعی این گونه در یک نقطة محدود و مجزای جغرافیایی درجنوب کوه‌های قفقاز و با عرض و طول جغرافیایی 41 درجه شمالی و 45 درجه شرقی قرار دارد.
ارتفاع این درخت 20-15 متر است. تنة آن مستقیم و گاهی کج است. پوست تنة آن قهوه‌ای متمایل به خاکستری روشن میباشد و در قسمتهای مسن، ترک‌دار بوده و بزرگ قهوه‌ای متمایل به قرمز در می‌آید. برگها دائمی و چند ساله بوده که دارای یک رگبرگ ساده میباشد و هر جفت برگ داخل غلافی قرار گرفته‌اند، که به طور متناوب روی ساقه قرار دارند. برگها با طول 16-15 سانتیمتر به رنگ سبز می‌باشند.
- خواص آناتومیکی:
با افزایش دوایر سالیانه طول تراکئیدها از مغز به پوست افزایش می‌یابد و نیز با افزایش ارتفاع از سطح زمین، افزایش می‌یابد.
کلاً با حرکت از مغز به پوست، طول الیاف چوب بهاره و تابستانه و میانگین طول الیاف (تابستانه و بهاره) و ضخامت دیواره الیاف چوب بهاره و چوب تابستانه و میانگین ضخامت دیواره الیاف (تابستانه و بهاره) با افزایش ارتفاع از سطح زمین افزایش می‌یابد.
همچنین با افزایش فاصله از مغز، طول الیاف چوب بهاره کاهش، و طول الیاف چوب تابستانه افزایش می‌یابد. ضخامت دیوارة الیاف چوب بهاره و چوب تابستانه و میانگین ضخامت دیواره الیاف کاهش می‌یابد.
البته باید توجه داشت که الیاف چوب بهاره، بلندتر از الیاف چوب تابستانه می‌باشند، که این مطلب به سریع‌الرشد بودن بهاره نسبت به چوب تابستانه برمی‌گردد (مسعودرضا حبیبی، 1370)
کلا کاج الدریکا به خاطر داشتن عریض‌ترین حلقه‌های رویش و بالاترین مقدار چوب ثانویه، مناسبترین گونه برای کاغذسازی میباشد.
- ترکیبات شیمیایی
مقدار ترکیبات کاج الدریکا به شرح زیر میباشد (یعقوب زاده – 1355)
- سلولزها و پنتوزانها به ترتیب 11/53% و 99/9%
- لیگنین 30%
- مواد استخراجی 82/1%
- خاکستر 3/0%
کاه گندم
- ساختمان فیزیکی و خصوصیات شیمیایی:
ساقه‌های کاه غلات، مستقیم و قابل ارتجاع هستند و معمولا ساختمان لوله‌ای دارند به جز برآمدگی میان بندها یا فاصله بین دو اندام ساقه‌آی که مانند دسته‌های آوندی مجتمع شده گرد هم واقع شده‌اند و بهم پیچیده‌اند و یک حائل قوی را بین دو بند ساقه بوجود آورده‌اند. قسمت بالای ساقه تا جایی که چسبیده به محل رویش است، محور ساقه نامیده می‌شود. برگها از قسمت بندها شروع شده و قسمت غلاف مانندی به طرف بالای ساقه تشکیل می‌دهند و انتهای آن، قسمت پهن برگ را شکل می‌دهند. به طور کلی گیاه شامل قسمتهایی مانند: پوسته، غلاف برگ، تیغه، پوشینه‌ها، کرک‌ها و محور ساقه میباشد. کاه معمولا شش بند داردو تا حدود 5/0 الی 5/1 متر بسته به شرایط آب و هوا و ساختمان خاک و خصوصیات ژنتیک رشد می‌کنند. طول میان‌بندها معمولا از پایین به بالای (به طرف رأس) ساقه افزایش می‌یابد.
فیبرها که عمدتا در میان بندها واقعند، بخش عمده‌ای از منابع تأمین کنندة فیبر در تهیه خمیر هستند. به همراه الیاف، سلولهای اپیدرمی، صفحات کوچک، سلولهای مضرس و سلولهای مارپیچی وجود دارند که از نظر اندازه خیلی کوچک بوده و خصوصیات الیافی ندارند ]14[.
Rydholm (1965) اظهار می‌دارد که کاه گندم شامل 50% الیاف اسکلرانشیمی و چوبی، 30% پارانشیم، 15% اپیدرم و 5% آوند میباشد.
از نظر خواص شیمیایی طبق جدول زیر کاه نسبت به چوب دارای مقدار سلولز کمتری است ولی مقدار همی سلولزهای آن به طور تقریبی بالاست و درصد لیگنین آن کم میباشد. همچنین مقدار خاکستر کاه بیش از چوب است. کاه همانند چوب دارای درصد بالایی پنتوزان میباشد.
جدول شماره 3- مقادیر ترکیبات شیمیایی تشکیل دهنده ساقه گندم
سلولز % لیگنین % همی سلولزها % مواد استخراجی % خاکستر %
3/51 6/22 1/22 4 9/4
پورطاهریان (1375)
- خواص آناتومی:
طول الیاف کاه نسبتا کوتاه میباشد و تقریبا در حد الیاف پهن برگان است. الیاف کاه دارای نسبت طول به قطر نسبتا بالایی هستند (نسبت طول به قطر الیاف برای کاه غلات و برای کاه برنج میباشد) که سبب ایجاد خصوصیات عالی در شکل‌گیری کاغذ ساخته شده می‌گردند.
الیاف کاه نسبت به الیاف چوب ناهمگن‌تر است. همچنین برای افزایش کیفیت خمیر می‌توان آن را به صورت مخلوط با خمیر گونه‌های با الیاف بلند به کار برد.
- خواص خمیردهی:
کاه، قرن‌هاست که به عنوان یک منبع فیبری در کاغذسازی به کار می‌رود (به ویژه چین). کاه قبل از جایگزین شدن توسط چوب، در دهة 1920 در اروپا و آمریکای شمالی منبع اصلی فیبر به شمار می‌رفت.
یکی از دلایل اصلی که کاه برای تهیه خمیر استفاده می‌گردد، این است که کاه به سهولت به شکل پس ماندة حاصل از محصولات غذایی قابل دسترس است. همچنین خمیرهای رنگبری نشدة کاه برای لایه‌های میانی کنگره‌ای، مقواها و مقاصد بسته‌بندی و خمیرهای رنگبری شدة کاه برای تولید کاغذهای چاپ و تحریر مصرف می‌شوند.
تمامی گونه‌های کاه را می‌توان برای تهیة خمیر کاغذ مورد استفاده قرار داد، ولی معمولا کاه گندم و گندم سیاه جهت تولید خمیر کاغذ ترجیح داده می‌شوند. کاه گندم سیاه معمولا نسبت به کاه یولاف الیاف بلندتری دارد و تبدیل کاه جو به خمیر دشوار است. کاغذهای حاصل از گندم و گندم سیاه، معمولا سفت‌تر و محکم‌ترند.
- فرایندهای تهیه خمیر کاغذ از کاه:
فرآیندهای مختلفی شامل فرایندهای شیمیایی و یا شیمیایی- مکانیکی برای تولید خمیر کاغذ از کاه مورد استفاده قرار می‌گیرند. فرایندهای آهک یاسودا- آهک روش‌های کلاسیک برای تولید خمیر کاغذ زبر از کاه است. این خمیر کاغذ برای ساخت مقوا، کاغذ بسته‌بندی ارزان، کاغذهای بسته‌بندی و لایة وسط به عنوان مقوای کنگره‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرایندهای سودا، کرافت و سولفیت خنثی محدودة تولید انواع مختلف خمیر کاغذ شامل خمیرهای نیمه شیمیایی با راندمان بالا تا خمیر کاغذهای نرم با قابلیت رنگبری را شامل می‌شوند. فرایند سودا برای تولید خمیر کاغذی با بالاترین خصوصیات مقاومتی و سادگی فرایند، بهترین فرایند نسبت به فرایندهای کرافت و سولفیت خنثی میباشد.
فرایند سولفیت اسیدی به لحاظ تغییرات در راندمان خمیر کاغذ تولید شده و پایین بودن خصوصیات مقاومتی خمیر کاغذ برای تولید خمیر کاغذ از کاه مناسب نمی‌باشد.
فرایند کرافت، در مقایسه با روش سودا در مورد پخت کاه چندان متداول نیست، زیرا افزایش مقاومت مکانیکی خمیرحاصل از کاه، در این روش تفاوت زیادی با روش سودا ندارد و در برخی از کشورها هزینة تأمین سولفات سدیم بیشتر از سود سوزآور است. روش کرافت به علت متصاعد کردن گازها و ترکیبهای گوگردی هوا را آلوده می‌کند.
فرایندهای قابل استفاده برای تولید خمیر کاغذ از کاه گندم همراه با شرایط پخت و خصوصیات خمیر حاصله در جدول شمارة4 آورده شده است ]14[.
- امتیازهای استفاده از کاه در صنعت کاغذسازی:
1- دلیل اصلی که کاه را به عنوان یکی از مواد اولیه مهم سلولزی برای صنایع کاغذسازی معرفی می‌کنند، این است که این مواد لیگنو سلولزی اغلب پس مانده و ضایعات محصولات کشاورزی بویژه گندم، جو، برنج و سایر غلات هستند. علاوه بر این دستیابی به آنها آسان است.
2- به نظر می‌رسد هزینة تمام شده برای جمع‌آوری و آماده‌سازی کاه نسبت به چوب کمتر باشد. با در نظر گرفتن محدودیت منابع چوبی، لزوم توجه بیشتر به این ماده (کاه) مشخص می‌گردد.
3- با توجه به خواص کلی کاه گندم در بررسیها در مقایسه با گیاهان چوبی دیده می‌شود که زمان پخت ساقة گندم بسیار کوتاه بوده و راندمان آن در حد قابل توجهی است. بنابراین می‌تواند ماده اولیه غیرچوبی مناسبی برای صنعت خمیر و کاغذ باشد.
4- به منظور جلوگیری از قطع درختان و حفاظت از محیط هر روزه قوانین شدیدتری وضع می‌شود.
5- کمبود و مشکلات ارزی در کشورهای در حال توسعه رو به افزایش است، از این رو این کشورها مجبور به جایگزینی مواد اولیه داخلی و قابل تهیه درکشور خود بجای مواد اولیه وارداتی هستند.
بنابراین با توجه به دلایل فوق، در امر تولید کاغذ یکی از مناسبترین انتخاب‌ها استفاده از کاه به عنوان یک منبع سلولزی برای صنایع کاغذسازی داخلی است.
جدول شماره 4- فرآیندهای قابل استفاده برای تولید خمیر کاغذ از کاه گندم و خصوصیات خمیر کاغذ حاصله
نوع فرآیند زمان پخت (ساعت) درجة حرارت پخت (درجة سلسیوس) نسبت مایع پخت به کاه مقدار مواد شیمیایی راندمان خمیر کاغذ (درصد) نوع محصول
آهک 12-6 120-110 1 :4 آهک = 18/6% 80-70 مقوا
سودا- آهک 7 - - آهک = 16-5/5
سود = 6% 70 مقوای کنگره‌ای
سودا 2 170 1: 7 سود = 16-12% 52-45 کاغذ تحریر
کرافت 5/1-1 165 1 : 10 سولفیدیته = 25%
قلیائیت فعال = 16% 5/43 مقوای سفید
سولفیت سدیم 2 170 1: 7 سولفیت
سدیم = 7/13-9/7% 8/57-5/55 کاغذ تحریر
سولفیت خنثی - - - - 65-55 مقوای کنگره‌ای
شیمیایی- مکانیک 5/1-1 100 - سود= 12-6% 75-50 مقوا، کاغذ تحریر
پومیلیو 3-1 130-110 1: 3 سود= 3-2%
کلر= 18-12% 65-40 مقوا، کاغذ تحریر
ناکو 5/1 130 - سود، کربنات سدیم
ازن= 10-3% 48 کاغذ تحریر
مأخذ: خجسته (1370)، عطارزاده (1367).
ترکیبات شیمیایی چوب و تأثیر آن بر خمیر کاغذ:
- سلولز:
سلولز جزء اصلی دیوارة سلولی گیاهان است و از این رو مهمترین ترکیب طبیعی تولید شده به وسیلة ارگانیسم‌های زنده است. سلولز در اغلب گونه‌های درختی 50-40% وزن خشک چوب را تشکیل می‌دهد، در حالیکه در گیاهان لیگنوسلولزی نظیر رامی 90-80% وزن خشک دیواره را سلولز تشکیل می‌دهد. سلولز ترکیب اصلی موجود در ساختار کاغذ است.
مولکول سلولز خطی بوده و تمایل شدید به تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی دارد. این خاصیت سلولز در هنگام ساخت کاغذ از الیاف چوب باعث افزایش مقاومتهای کاغذ می‌شود.
خصوصیات فیزیکی و مکانیکی کاغذ، بیشتر تحت تأثیر سلولز الیاف قرار دارد، بطوریکه نحوة توزیع الیاف، پیوند بین الیاف و مقاومت ذاتی آنها نقش بسیار مهمی در خواص کاغذ حاصله دارد.
مهمترین خاصیت الیاف سلولزی که سبب به کارگیری گستردة آن در کلیه فرآورده‌های کاغذ و مقوا می‌گردد، توانایی ایجاد پیوند با یکدیگر در حین از دست دادن آب و خشک شدن است.
همچنین زیاد بودن سلولزها در تهیه خمیر کاغذ باعث افزایش بازده تهیه خمیر کاغذ می‌شود.
- لیگنین:
گیاهان چوبدار ماده‌ای پلیمری و بی‌شکل به نام لیگنین دارند که نقش اصلی را در اتصال بین الیاف و تشکیل لایه‌های سلولی بازی می‌کند. لیگنین حدود 33-17% از وزن خشک چوب را تشکیل می‌دهد و بعد از سلولز مهمترین و فراوان‌ترین پلیمر آلی در درختان است.
تقریبا کلیه خصوصیات لیگنین در کاربردهای کاغذسازی نقش منفی دارند و کاغذهای با کیفیت خوب از الیافی ساخته می‌شوند که تقریبا عاری از لیگنین هستند، زیرا در فرایند ساخت کاغذ آنچه که باعث اتصال الیاف به یکدیگر می‌شود پیوندهای هیدروژنی مولکول‌های آب و سلولز است و حضور لیگنین روی سطح الیاف به عنوان ماده‌ای که آبدوستی کمتری در مقایسه با سلولز و همی سلولز دارد مشکل آفرین است.
مقدار لیگنین باقی مانده پس از تهیه خمیر کاغذ تاثیر مستقیمی روی خصوصیات کاغذ حاصله دارد. وجود لیگنین در الیاف باعث سفت شدن و محدود شدن واکشیدگی الیاف در آب، محصور شدن همی سلولزها، کاهش عملکرد سطح اتصال بین الیاف و ایجاد کاغذی با مقاومت پایین و ماتی بالا می‌شود.
با پایین بودن درصد لیگنین، می‌توان با مصرف مواد شیمیایی کمتر به خمیر کاغذ بهتر دست یافت.
با کاهش زمان پخت و کاهش تخریب هیدروکربورها و در نتیجه در صورت تهیه خمیر کاغذ، مشکلات سفیدسازی آن کمتر خواهد بود.
- مواد استخراجی:
آن دسته از کربوهیدرات‌ها و ترکیبات معدنی که در آب حل می‌شوند، جزء مواد استخراجی هستند. مقدار و نوع مواد استخراجی در گونه‌های مختلف متفاوت است و این اختلافات به شرایط جغرافیایی و فصول سال بستگی دارد. مقدار مواد استخراجی چوب کمتر از 5% وزن چوب میباشد.
افزایش درصد مواد استخراجی سبب کاهش شفافیت خمیر و نیز کاهش راندمان خمیر می‌گردد و مشکلاتی را در تولید خمیر و عملیات ساخت کاغذ ایجاد می‌کند. مثلا خروج مواد استخراجی هنگام اشباع خرده چوبها و ورود آنها به مایع پخت. مخصوصاً در پخت‌های قلیایی که از سود استفاده می‌کنند موجب مصرف زیاد از حد مایع پخت می‌گردد. لذا دانستن درصد این مواد باعث صرف‌جویی در مواد شیمیایی و زمان پخت خواهد شد.
- خاکستر :
خاکستر تشکیل شده از مواد جامد معدنی که فلزات به صورت انواع نمکها، از قبیل اگزالات، فسفات‌ها، سیلیکاتها و غیره در آن حضور دارند. زیاد بودن آن از معایب گونه بوده و در تهیه خمیر کاغذ باعث مصرف زیاد مواد شیمیایی شده و همچنین در هنگام تبدیل مکانیکی چوب باعث کندی و خوردگی دستگاه‌ها می‌شوند.
مقایسه گیاه سوزنی برگ و پهن برگ و گیاه غیر چوبی:
اختلاف بسیار مهم بین سوزنی برگان و پهن برگان در طول الیاف آن ها میباشد. در سوزنی برگان با افزایش سن طول الیاف زیاد می‌شود، در حالیکه در پهن برگان با افزایش سن تغییر محسوسی ایجاد نمی‌شود.
طول الیاف پهن برگان کوتاهتر بوده و بین 5/1 تا 1 میلی‌متر متغیر است. طول الیاف سوزنی برگان طویل‌تر بوده و در حدود 5 تا 3 میلی‌متر است. به علت تاثیر زیاد طول الیاف بر خواص کاغذ، اختلاف فیزیکی قابل توجه و مشخص بین خمیر کاغذ پهن برگان و سوزنی برگان مشاهده می‌شود.
وزن مخصوص میانگین گونه‌های سوزنی برگ در کاغذسازی بین 31/0 برای سرو خمره‌ای تا 55/0 برای فلز متغیر است. وزن مخصوص پهن برگان از 3/0 در چوب پنبه‌ای سیاه (نوعی صنوبر) تابیش از 6/0 در نارون صخره‌ای، هیکوری و بلوط سفید، که دارای لیف‌هایی با دیواره ضخیم‌ترند، تغییر می‌کند.
عموماً پهن برگان در مقایسه با سوزنی برگان هولو سلولز بیشتر، مواد عصاره‌ای بیشتر دارند ولی لیگنین آنها کمتر میباشد و بیشتر آن در لایه بین سلولی قرار دارد. در نتیجه این اختلاف مورفولوژیکی لیگنین‌زدایی پهن برگان سریعتر از سوزنی برگان انجام می‌شود. همچنین مواد استخراجی چوب شامل مواد محلول در آب است که کمتر از 5% وزن چوب بوده، متوسط مقدار مواد استخراجی در چوب پهن برگان بین 2 تا 3% وزن چوب و در چوب سوزنی برگان نظیر کاج قرمز تا حدود 10% می‌رسد.
به طور کلی مقاومت خمیر کاغذ سوزنی برگان زیادتر از خمیر کاغذ پهن برگان بوده، ولی بازده دومی کمی بیشتر است. مواد گیاهان کشاورزی، به طور کلی دارای مقدار لیگنین کمتری میباشد. اغلب مقدار لیگنین آنها نصف مقدار لیگنین چوب است. این مقدار لیگنین کمتر سبب می‌شود که این مواد بسیار آسانتر به خمیر تبدیل شوند. به طور مشخص منابع زراعی در مقایسه با چوب می‌توانند در مدت بسیار کمتری تبدیل به خمیر گردند (بین تا ).
اکثر گیاهان کشاورزی ساختمان سلولی در دسترس‌تری دارند که در نتیجه نفوذ مواد شیمیایی مورد استفاده در فرایند تهیه خمیر، با سهولت بسیار بیشتری صورت پذیرفته و سرعت تهیة خمیر نیز به واسطة آن افزایش می‌یابد. عیب عمده و اصلی تهیه خمیر ازمنابع کشاورزی حضور مقادیر زیادی مواد معدنی و سیلیس در آنهاست که در فرایند خمیرسازی قلیایی، بخش اعظم سیلیس در مایع پخت حل می‌گردد که این امر مشکلات زیادی را در برخی از مراحل عملیات بازیابی ایجاد می‌کند.
پروسه‌های تهیه خمیر کاغذ
تهیه خمیر یا Pulping پروسه‌ای است که در آن ماده چوبی با استفاده از انرژی‌های مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و ترکیبی از این انرژی‌ها به یک توده فیبری شکل تبدیل می‌گردد و اصولا پروسه‌های تجارتی تهیه خمیر چوب در دنیا بر مبنای نوع انرژی مورد استفاده، به پروسه‌های مکانیکی، شیمیایی- مکانیکی، نیمه شیمیایی و شیمیایی تقسیم‌بندی شده‌اند. جدول شماره 5 اطلاعات مختصری در مورد برخی از پروسه‌های مهم تهیه خمیر چوب را نشان می‌دهد. بعنوان مثال پروسه مکانیکی تهیه خمیر دارای راندمان 95/0 است، ولی کاغذهای تهیه شده از آن دارای مقاومت پایینی هستند. در عوض پروسه‌های شیمیایی خمیری با خصوصیات مقاومتی خوبی دارند ولی در مقایسه با خمیر مکانیکی راندمان پایینی دارند.
در جدول شماره 5 اطلاعات مختصری راجع به فرآیندهای مهم تهیه خمیر چوب آمده است.
جدول شماره 5: خصوصیات فرآیندهای مختلف تهیه خمیر چوب
فرآیند نام فرآیند چوب مورد استفاده جرم چوب راندمان% مقاومت نسبی
سوزنی برگ پهن برگ
مکانیکی SGW
RMP
TMP بیشتر سوزنی برگ
بیشتر سوزنی برگ
سوزنی برگ گرده بینه
خرده چوب
خرده چوب 95-90
95-90
90 5
6-5
7-6 3
3
-
شیمیایی
مکانیکی CGW
Cold soda پهن برگ
پهن برگ گرده بینه
خرده چوب 90-85
90-85 -
- 6-5
6-5
نیمه شیمیایی N.SS.C
H.YS
H.YK پهن برگ
بیشتر سوزنی برگ
بیشتر سوزنی برگ خرده چوب
خرده چوب
خرده چوب 80-65
75-55
70-50 -
7
7 6
6
6
شیمیایی کرافت
کرافت
سودا هر دو
هر دو
پهن برگ خرده چوب
خرده چوب
خرده چوب 50-40
55-45
55-45 10
9
- 8-7
7
8-7
جدول شماره 6- میزان تولید خمیر در دنیا با استفاده از پروسه‌های مختلف در سال 1979
پروسه تولید (میلیون تن) درصد
مکانیکی 36 1/21
شیمیایی کرافت 72 2/58
شیمیایی سولفیت 4/11 2/9
شیمیایی (خمیر حل نشدنی) 5/4 7/2
خمیرهای دیگر 6/9 8/7
همانطوریکه ملاحظه می‌شود حدود 70% کل تولید خمیر چوب با استفاده از پروسه‌های شیمیایی تولید شده‌اند و قابل توجه است که پروسه غالب کرافت به تنهایی حدود 58% کل خمیر چوب تولید شده جهان را به خود اختصاص داده است. بعلاوه سهم پروسه غالب کرافت در تولید خمیر شیمیایی جهان حدود 73% است. پروسه کرافت نسبت به پروسه‌های دیگر دارای مزایای دیگری نیز است. بعنوان مثال کاغذهای تهیه شده با آن دارای مقاومت نسبی بالاتری هستند. این مقاومت در استفاده از پهن برگان 7-8 و در هنگام استفاده از سوزنی برگان به 10 می‌رسد، در حالیکه پس از این روش سودا دارای مقاومت نسبی 7-8 (در مورد پهن برگان) و فرایند سولفیت در حالت استفاده از سوزنی برگان دارای مقاومت نسبی 9 است. در ضمن لیگنین به جای مانده در الیاف خمیر کرافت بعد از پخت در اطراف جداره‌های الیاف به صورت منظم پراکنده می‌شود، در صورتی که لیگنین موجود در الیاف خمیر سولفیت در قشرهای درونی کم و بیشتر در قشرهای بیرونی متراکم می‌گردد.
فرایندکرافت (سولفات)
اصطلاح فرایند قلیایی تولید خمیر کاغذ شامل فرایندهایی است که در آنها ماده لیگنو سلولز تحت تأثیر محلول رقیق قلیا به خمیر کاغذ تبدیل می‌گردد. دو فرایند اصلی تولید خمیر قلیایی شامل فرایند سودا و فرایند کرافت است که در هر دو از هیدروکسید سدیم به عنوان ماده شیمیایی اصلی پخت استفاده می‌شود. در فرایند سولفات، سولفید سدیم نیز در مایع پخت وجود دارد.
در فرایند سولفات از مخلوط سولفید سدیم و هیدروکسید سدیم برای تولید خمیر چوب استفاده می‌شود. سرعت لیگنین‌زدایی در اثر وجود سولفید افزایش یافته و در نتیجه آن خرده چوبها به مدت کمتری – در مقایسه با سودا- در معرض قلیایی گرم قرار خواهند گرفت و در نتیجه تولید خمیر کاغذ قوی‌تر از سودا میسر می‌شود.
این روش جدید خمیرسازی، برای نخستین بار در سال 1885 در سوئد به مرحلة تولید رسید. با توجه به استحکام کاغذ حاصل، این نوع کاغذ را به حق کاغذ کرافت نامیدند. واژة‌کرافت یک واژة آلمانی و سوئدی به معنای محکم است. پس از این موفقیت، بسیاری از کارخانه‌های سودا به کرافت تبدیل شدند تا بتوانند از نظر کیفیت محصول با کاغذ سولفیت رقابت کنند. در حالیکه خمیر سولفیت محکمتر، ارزانتر و سفیدتر از خمیر سودا بود، در فرایند کرافت با قیمت تمام شدة کمتر، خمیری محکمتر اما تیره رنگ تولید میشد.
امتیازهای فرایند سولفات را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
- قابلیت انطباق حداکثر به گونه‌های چوبی مختلف و امکان استفاده از چوبهای متفاوت.
- تحمل درصد بیشتر پوست در خرده چوب.
- زمان پخت کوتاهتر.
- قابلیت رنگبری و سفید کردن تا درجه شفافیت زیاد (ولی با هزینه بیشتر از خمیر کاغذ سولفیت).
- عدم وجود مسأله پیچ.
- مقاومت زیاد خمیر کاغذ.
- مواد جانبی با ارزش نظیر تال اول وتر بانتین.
- سهولت در بازیابی مواد شیمیایی مصرف شده.
عیب‌های اصلی فرایند سولفات شامل موارد زیرند:
- سرمایه‌گذاری زیاد در احداث کارخانه.
- مسأله بوی گازهای خروجی.
- رنگ نامناسب خمیر کاغذ قهوه‌ای.
- هزینه زیاد سفید کردن.
- اشکال در تصفیه خمیر کاغذ جهت تولید خمیر کاغذ قابل حل.
اصطلاحات فرایند کرافت
در فرایند کرافت مایع سفید که محتوی مواد شیمیایی فعال پخت هیدروکسید سدیم (NaOH) و سولفید سدیم (Na2S) است، برای پخت خرده چوبها مورد استفاده قرار می‌گیرد. مایع سیاه که محتوی ترکیبهای حاصل از انحلال لیگنین است، پس از تغلیظ در کورة بازیابی سوزانده می‌شود تا گدازه‌های معدنی مفید، یعنی کربنات سدیم (Na2Co3) و سولفید سدیم، به دست آید. این گدازه در آّب حل شده مایع سبز را می‌دهد که با آهک زنده (CaO) ترکیب می‌شود؛ در نتیجه Na2Co3 به NaOH تبدیل و مایع سفید بازسازی می‌شود. بر سر اینکه آیا قلیای فعال یا قلیای موثر معیار بهتری از غلظت مواد شیمیایی فعال در پخت کرافت است، اختلاف نظر وجود دارد. اگر چه NaOH و Na2S هر دو در واکنش‌های پخت شرکت دارند، می‌توان نشان داد که NaOH عامل پیش‌برندة اصلی است. از آن جا که در محلول، Na2S به صورت زیر هیدرولیز می‌شود.
چنین نتیجه می‌گیریم که فقط نصف Na2S در تعیین سنیتیک واکنش واقعا موثر است.
اصطلاحات مهم مورد استفاده برای تعریف و تعیین ویژگیهای مایعات در فرایند کرافت، در جدول شماره 7 فهرست شده است.
جدول شماره 7- تعریف اصطلاحات در مورد مایع پخت در فرآیند کل
اصطلاح تعریف واحد
قلیای کل (TA) مجموع همه ترکیبهای قلیایی سدیم‌دار، یعنی (غیر از NaCl)
g/l بر حسب Na2O
قلیای کل قابل سنجش (TTA) مجموع
g/l بر حسب Na2O
قلیای فعال (AA) مجموع
g/l برحسب Na2O
قلیای مؤثر (EA) مجموع
g/l بر حسب Na2O %
فعالیت نسبت
% بر مبنای Na2O
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 57 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله مقایسه خمیردهی پخت کرافت سه گونه کاج، صنوبر، کاه گندم
