Độ trắng thấp của loại bột này yêu cầu một chế độ công nghệ chế biến sâu hơn, khắc nghiệt hơn với sự chuyển hóa các phản ứng hóa học vào vùng của những hiện tượng tới hạn. Sự thay đổi của những điều kiện trao đổi chất nảy sinh trong trường hợp này trở thành nguyên nhân của sự suy giảm tính chọn lựa của quá trình tách loại lignin và quá trình tẩy kết thúc. Ở đây không loại trừ khả năng là khi hàm lượng sunfua nastri trong dịch đen tăng lên thì sự suy giảm độ nhớt của bột không tẩy trắng sẽ xảy ra ngay tại giai đoạn rửa và sàng bột, tại thời điểm bột rửa dối vừa mới tiếp xúc với ôxy của không khí hoặc của nước rửa.

        Dây chuyền hiện đại để sản xuất bột sunfát tẩy trắng của hãng Aldritz cho phép loại trừ những hiện tượng không mong muốn nói trên.

Một loạt các xí nghiệp trên thế giới trong thời gian gần đây sẽ chuyển đổi sang công nghệ nấu lo-Solids. Tuy nhiên, việc cải tiến và hoàn thiện quá trình nấu trong trường hợp này cần phải tính đến việc áp dụng tất cả những giải pháp mới đã được hãng Aldritz đề xuất. Trong trường hợp ngược lại sẽ xảy ra những hiện tượng không mong muốn do tính chất của sunfua nastri gẩy a.

Thực tiễn sử dụng dịch trắng trong các nhà máy sản xuất bột giấy cho thấy, sunfua nastri có trong thành phần của dịch trắng trong quá trình điều chế bằng phương pháp lạnh có tác động ảnh hưởng mạnh hơn so với một mình NaOH. Sunfua nastri có khả năng chuyển hóa từ mô hình cấu trúc I sang mô hình cấu trúc II và tăng thêm một lượng xenluylô bổ sung. Lúc đó, tại thời điểm xử lý bằng dịch trắng bột giấy trương nở mạnh hơn là lúc tinh chế bằng NaOH. Trong rất nhiều các loại muối của axít yếu và bazow mạnh cũng như các loại chất khử được sử dụng trong công nghiệp bột giấy, chỉ có duy nhất sunfua nastri là có tính chất này (hình 1).

Cơ chế xúc tác của sunfua nátri được giải thích  bằng khả năng tạo phức với sự chuyển dịch điện tử (KPZ) của ion sunfua với mạch cấu tử piranôza. Quá trình chuyển dịch điện tử xảy ra trong KPZ làm cho khả năng đứt mạch glucô trong môi trường kiềm trở nên dễ dàng hơn.

Trong công nghiệp dệt, khả năng thủy phân liên kết  α và β- glucozít của chất khử có tính vô cực cao sẽ đảm bảo có tốc độ cao và gần như 100% tinh bột được tách ra khỏi xơ sợi bông.

Hình 1. Sự thay đổi độ trùng hợp khi xử lý bằng NaOH (100g/l) với các phụ gia khác nhau trong 30 phút và 25   0C

Giữ trong không khí : 1-không có phụ gia, 2- Na2S g/l, 3-Na2S 15g/l, 4-Na2S 30 g/l, 5-Na2S 30 g/l

Xử lý và giữ trong argông:

6-Na2S2O3 30 g/l, 7-Na2S2O3 30 g/l, 8-Na2S2O­3 30 g/l và Na­2S 15 g/l,

Bảng 1. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý bằng dịch trắng lên tính chất của bột không tẩy trắng.

Trong điều kiện tương tự, nghĩa là tại nhiệt độ phòng và nồng độ NaOH 3,5-5,0 g/l, xenluylô cũng bị phá hủy. Ở bảng I đưa ra các kết quả nghiên cứu thí nghiệm về xử lý bột sunfát không tẩy trắng từ gỗ bạch dương bằng dịch trắng. Độ cứng của bột -122 đơn vị pecmăng, độ nhớt trong 1% dung dịch đồng- ammoniăc (m.a)-132mPas, mức dung dịch trắng 3% (tính theo kiềm hoạt tính), độ sunfua 28,7%; nồng độ bột 7%.

Bảng I cho thấy, tính chất ảnh hưởng của sunfua nastri đối với bột giấy thay đổi khi nhiệt độ tăng lên và sau 60 phút xử lý chỉ số độ nhớt của bột giảm 24% so với 3% tại nhiệ độ 200C.

Ngoài phương pháp tinh chế lạnh, dịch trắng còn được sử dụng như một tác nhân kiềm trong quá trình xử lý bột giấy bằng ôxy - kiềm. Trong trường hợp này, với mục đích gia tăng khả năng xúc tác của sunfua nastri người ta tiến hành quá trình ôxy hóa dịch trắng. Tuy nhiên, quá trình xử lý bằng ôxy - kiềm có thể được thực hiện bằng dịch trắng không ôxy hóa bằng cách gia tăng tính ổn định của bột giấy. Phương pháp này đảm bảo sự gia tăng cường độ của quá trình trao đổi chất bên trong xơ sợi trong giai đoạn trương nở xenluyô. Về mặt kỹ thuật, sự ổn định xenluyô có thể được thực hiện trước khi bổ sung ôxy bằng cách lấy ra từng phần dung dịch ngay sau khi phối trộn bột giấy với tác nhân kiềm và thay thế lượng dung dịch được lấy ra này bằng một khối lượng nước tương tự. Phương pháp sử dụng dịch trắng không ôxy hóa trong quá trình tinh chế xenluyô bằng ôxy kiềm cũng đã được ứng dụng trong công nghệ sản xuất xơ sợi hóa học.

Trong bảng II đưa ra các số liệu thí nghiệm nhận được từ quá trình ôxy hóa bột sunfát không tẩy trắng bằng ôxy kiềm. Giai đoạn xử lý bằng ôxy kiềm được thực hiện tại áp suất ôxy 0,8mPa, nồng độ bột 12%, mức dùng kiềm 4% và độ sunfua của dịch trắng 25%. Các kết quả nhận được cho thấy hiệu quả của quá trình biến tính xenluylô bằng ôxy kiềm với việc lấy ra từng phần dung dịch hoàn toàn không phụ thuộc vào loại kiềm sử dụng. Ở quy mô công nghiệp, nguyên lý tương tự của quá trình ổn định xenluylô đã được thực hiện ở Mỹ với công suất của hệ thống 1000 t/ngày.

Hoạt tích xúc tác của ion hyđrô sunfua đối với các mạch glucôzít cũng xuất hiện trong quá trình nấu bột sunfát. Người ta đã ghi nhận rằng, tế bào xơ sợi trong quá trình nấu sunfát bị phân hủy nhiều hơn so với nấu bằng xút. Khi chuyển từ phương pháp kiềm sang phương pháp sunfat và phương pháp polisunfua không chỉ xảy ra hiện tượng suy giảm độ tinh thể hóa của xenluylô mà còn có tác động mạnh hơn đối với cấu trúc tinh thể của nó. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng này thấp hơn nhiều so với dự đoán, điều này được chứng minh bằng hiệu suất của xenluylô cao hơn trong hai trường hợp sunfat và polisunfua. Sự gia tăng hiệu suất bột có mối liên quan với mức độ trương nở thấp của mảnh nguyên liệu trong môi trường kiềm khi có sự hiện diện của sunfua nastri. Lúc đó, sự suy giảm tính thẩm thấu của phần lớn hyđrát cácbon đối với dịch nấu dẫn đến kết quả là : trong quá trình nấu sunfát sự tách loại lignin trong lớp giữa của vách tế bào trong 1,5 giờ đầu tiên xảy ra nhanh hơn so với sự tách loại lignin trong vách thứ cấp. Hiệu ứng này không xuất hiện trong quá trình nấu bằng phương pháp xút. Hiệu ứng này cũng gia tăng cùng với mức độ tăng của nồng độ sunfua nastri trong dung dịch với sự hiện diện của polisunfua. Kết quả có thể thu nhận được do sự tác động của các hạt điện tích có thế điện cao lên dịch trắng. Trong bảng III thể hiện các số liệu về sự thay đổi thành phần cấu tử của dịch nấu dưới tác động của các hạt điện tích có thế điện cao này. Một số mẫu nấu thí nghiệm bột gỗ cứng và bột gỗ mềm trên cơ sở dung dịch kiềm đã xử lý và chưa xử lý cho they, cùng với sự xuất hiện của polissunfua lưu huỳnh trong dịch kiềm đã xử lý, hiệu suất bột tăng lên 1,5%.

Do sự chuyển dịch quá trình tách loại lignin vào lớp giữa của các tế bào theo hướng tăng khả năng thẩm thấu của các tác nhân kiềm vào các vách tế bào xơ sợi, quá trình nấu chuyển dịch vào pha tách loại lignin dư. Do mức độ của phản ứng tách loại lignin thấp hơn so với phản ứng phân hủy hyđrát cacsbon nên mức độ gia tăng sự phân hủy này chỉ liên quan đến sự gia tăng hàm lượng của kiềm hoạt tính mà thôi.

Mức độ phụ thuộc của tính chọn lựa của quá trình tách loại lignin vào nồng độ các thành phần cấu tử của dung dịch nấu được thể hiện trong bảng II. Một loại các nghiên cứu thí nghiệm trong các giai đoạn khác nhau của quá trình nấu được thực hiện với sự thay đổi nồng độ của một trong các thành phần cấu tử (theo thứ tự) của dung dịch nấu. Trong mẫu thí nghiệm đối chứng, trong toàn bộ thời gian nấu khống chế tỷ lệ nồng độ HO-/HS-không đổi và bằng 0,38/0,26 mol/dm3. Trong các thí nghiệm so sánh trong một trường hợp, nồng độ của ion OH tăng lên so với mẫu đối chứng 0,38 mol/dm3 lên đến 0,62 mol/dm3, trong trường hợp ngược lại, giảm nồng độ ion OH từ 0,26 xuống còn 0,13 mol/dm3.

Bảng II. Tính chất hóa - lý của bột sau giai đoạn tinh chế bằng ôxy kiềm.

Bảng III. Sự thay đổi thành phần của dịch trắng dưới tác động của các điện có thế điện cao.

Số liệu thí nghiệm cho thấy rằng, sự gia tăng nồng độ NaOH có tác động ảnh hưởng giống nhau đối với diễn biến của quá trình trong khoảng 1/3 thời gian nấu đầu tiên; sự gia tăng kiềm hoạt tính từ 0,38 lên 0,62mol/dm3 trong khoảng thời gian nấu còn lại sẽ dẫn đến sự suy giảm độ nhớt cuối cùng của xenluylô  50-75 dm3/kg.

Sự gia tăng nồng độ OH- trong 1/4 thời gian nấu đầu tiên ảnh hưởng không đáng kể cho tới khi chỉ số kappa đạt 30. Tuy nhiên, nếu quá trình nấu tiếp tục đến chỉ số kappa 20 thì độ nhớt giảm xuống với mức độ nhanh hơn tại nồng độ cao hơn so với nồng độ của mẫu đối chứng.

Sự thay đổi nồng độ sunfua trong các thí nghiệm chỉ rõ rằng, nồng độ ion hyđrôsunfua  cao chỉ có ý nghĩa lớn hơn khi chuyển từ giai đoạn tách loại lignin ban đầu vào giai đoạn tách loại lignin chính thức. Trong thời gian nấu còn lại sự giảm nồng độ sunfua không gây ảnh hưởng không có lợi đối với quá trình.

Kết quả nhận được trong điều kiện thí nghiệm thực hiện tại độ sunfua cao của dịch trắng cho thấy, độ sunfua cao trong giai đoạn đầu của quá trình nấu sẽ làm cho quá trình tách loại lignin trong pha tách loại ligin dư trở nên tốt hơn. Tuy nhiên, trong điều kiện ứng dụng công nghiệp các phương pháp nấu cải tiến có thể dẫn đến một vấn đề là : bằng cách nào có thể đạt được hàm lượng ion hyđrôsunfua ở mức độ cao trong mảnh nguyên liệu? “độ sunfua không đầy đủ” có thể được loại trừ bằng phương pháp hấp thụ sunfua bằng mảnh nguyên liệu từ dịch đen hoặc do kết quả của việc sử dụng dịch trắng với độ sunfua cao.

Trong trường hợp thứ nhất có thể xuất hiện một vài sự phức tạp liên quan đến độ pH của dung dịch trong mảnh nguyên liệu. Độ pH này có thể đạt 9 hoặc thấp hơn. Trong trường hợp này không loại trừ năng bảo vệ ion OH- bởi ion hyđrôsunfua . Sự suy giảm này của ion OH- thực ra là do sự chuyển hóa chúng thành dạng lưu huỳnh - hyđrô cũng như do phản ứng sunfua hóa lignin theo hướng không mong muốn.

Trong trường hợp thứ hai, khi sử dụng dịch trắng với độ sunfua cao có thể gây nên tác động thủy phân của các ion hyđrôsunfua  lên xenluylô trong thời điểm mảnh nguyên liệu chuyển hóa thành xơ sợi. Kết luận này được khẳng định bằng những kết quả so sánh các chỉ số chất lượng của bột gỗ cứng không tẩy trắng tại hai xí nghiệp sản xuất, trong đó một xí nghiệp sử dụng loại dịch trắng có độ sunfua thấp.

Sự cần thiết phải khống chế nồng độ ion OH-giảm dần trong quá trình nấu là điều rất rõ ràng. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một vài quan điểm khác nhau về nồng độ kiềm hoạt tính trong pha tách loại lignin dư. Hãng Kvaerner Pulping AB đề xuất mức dùng kiềm thấp trong vùng nghịch lưu so với cùng thuận lưu, còn hãng Aldrids thì ngược lại, không loại trừ phương án tăng nồng độ kiềm hoạt tính trong giai đoạn cuối của quá trình nấu. Ngoài những yếu tố ảnh hưởng đến tính chọn lựa của quá trình nấu như đã nêu ở trên, một số yếu tố khác cũng có ý nghĩa không kém phần quan trọng đó là nhiệt độ nấu và thành phần ion của dịch nấu. Những yếu tố này hình thành nên những điều kiện thuận lợi nhất định cho quá trình trao đổi chất bên trong mảnh nguyên liệu. Thay đổi những yếu tố này có thể làm thay đổi tính chọn lựa của quá trình tách loại lignin và quá trình tẩy trắng sau này. Ví dụ, hoạt tính tinh thể hóa của sunfua nastri trong quá trình tinh chế bằng ôxy - kiềm có thể được ức chế bằng cách tăng cường quá trình trao đổi chất bên trong vách tế bào xơ sợi. Trong lúc đó, với quá trình nấu sunfát thuần túy lại cần thiết phải làm giảm tốc độ quá trình trao đổi chất và sự tăng cường tiềm năng của sunfua nátri như một chất xúc tác hữu hiệu được đảm bảo bằng cách giảm nồng độ của kiềm hoạt tính.

Tác giả: Nguyễn Phan Vũ.

Nguồn: Báo công nghiệp giấy 6/2004.