بخشی از مقاله
چکیده
تاثیرات زیستی کاغذ بسیار قابل توجه است و بنابراین در سطح تجاری تغییرات صنعتی و در سطح افراد تغییرات رفتاری را موجب شده است. با استفاده از فناوریهای مدرن قیمت کاغذ بسیار ناچیز بوده بنابراین مصرف و به هدر رفت آن قابل توجه است. البته با افزایش آگاهیهای زیست محیطی از طرف ارگانهای ذیربط، با تصویب قوانین مناسب در کشورهای مختلف، حرکت در جهت توسعه پایدار در صنایع خمیر و کاغذ بیش از پیش در حال انجام است. در این مطالعه بخشهای مختلف این صنعت که موجب آلودن محیط زیست میشود به طور خلاصه تشریح شده است.
این بخشها شامل حوزه برداشت از جنگلها و حتی تاثیرات نامطلوب کشت چوب، آلودگی هوا و گازهای ایجاد کننده بارانها ی اسیدی و گازهای گلخانهای و گرم کننده زمین، آلایندههای آب و مواد رنگزا، مواد جامد معلق و مشکلات زیست محیطی بازیافت کاغذ باطله میباشد. بهعلاوه، روشهای تصفیه شیمیایی پساب کارخانهها ی کاغذسازی شامل اکسیداسیون و فرایند انعقاد و لخته سازی نیز مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین برای کنترل پساب صنایع خمیر و کاغذ علاوه بر روشهای سنتی، شیوههای جدید و کارآمد با استفاده از فناوری نانو و زیستی در حال کنکاش و ورود به صنایع است.
مقدمه
صنعت کاغذ سومین آلاینده هوا، آب و خاک در کانادا و آمریکا است که سالانه بیش از 100 میلیون کیلوگرم مواد سمی آزاد میکند
در سطح جهانی نیز صنعت کاغذ پنجمین مصرف کننده انرژی است و برای تولید یک تن کاغذ نسبت به تولید سایر محصولات صنعتی بیشترین میزان آب مصرف می شود 2]، .[3 مصرف آب بر اساس نوع فرایند تولید کاغذ متغیر است و با وجود بهترین تکنولوژیهای در دسترس برای تولید یک تن کاغذ میتواند به 60 متر مکعب برسد
تولید و استفاده از کاغذ تاثیرات نامطلوبی بر محیط زیست دارد که در بحث آلودگیهای کاغذ قرار میگیرد. کارخانههای کاغذسازی هوا ، آب و خاک را آلوده میکنند. حتی بازیافت کاغذ میتواند منبع آلودگی باشد چراکه لجن ایجاد شده حاصل از فرایند جوهر زدایی آلاینده است . اما با توجه به نیاز روزافزون به کاغذ پیشبینی میشود در سال 2020 به بیش از 5 میلیون تن کاغذ نیاز باشد
بنابراین نیاز است تا تلاشهای زیادی در زمینه تولید، مصرف،بازیافت و انهدام مناسب کاغذ صورت بگیرد تا به محیط زیست کمترین آسیب وارد آید.
قبل از تولید کاغذ دو مرحله کلی تولید خمیرکاغذ و رنگبری انجام میشود. تولید خمیرکاغذ مرحله اول و آلاینده اصلی صنعت کاغذ است. در این مرحله معمولا لیگنین از از خرده چوب جدا میشود. سپس رنگبری به منظور افزایش روشنی محصول استفاده میشود.
ترکیبات تشکیل دهنده رنگ و آلودگی پسابهای صنایع کاغذ سازی از تنوع بسیار زیادی برخوردارند. همچنین منابع مختلفی برای تولید این آلاینده ها و ترکیبات رنگ زا در حین پروسه تولید وجود دارد که پس از جمع شدن پساب هر یک از این واحدها، حجم بسیار زیادی از پساب برای تصفیه شدن در انتظار میماند. تفاوت در غلظت، اجزاء تشکیل دهنده و بار آلودگی موجود در پساب خروجی هر یک از واحدهای پروسه تولید نیز از جمله عواملی است که باعث بروز مشکلاتی در امر تصفیه این پساب ها میشود.
بطور کلی قسمت اعظم این آلودگی ها را ترکیبات استخراجی از چوب که ماهیت طبیعی دارند تشکیل میدهند. این قسمت، شامل مواد و ترکیباتی از قبیل کربوهیدرات ها، اسیدهای چرب، رزین ها و مواد آلی و غیرآلی ناشی از آنها، لیگنین و مشتقات آن، تانن ها - جوهر مازو - و اسید های آروماتیک وغیره است.
بخش دیگر این آلودگی ها را، ترکیبات شیمیایی و مواد افزودنی که در حین پروسه تولید استفاده میشود تشکیل میدهد. مانند ترکیبات فلزی، ترکیبات آلی سنتزی، رنگدانهها، پرکنندهها، آهار، چسب، صمغ، ضد کفها، اسیدها و بازها، ضد زنگ، مواد شیمیایی مصرفی برای پخت خمیر وسایر مواد شیمیایی که در خلال فرایندهای صنعتی تولید و مصرف میشوند.
بعضی از این ترکیبات دارای ساختمان پیچیده و بعضی ساختاری ناشناخته دارند. بعضی از اجزا سازنده چوب مانند اسیدهای رزینی، چربیها، ترکیبات فنولی در حلال های آلی مانند اتانول حل می شوند و برخی دیگر مانند کربوهیدرات ها، تانن ها، نمک های معدنی موجود در چوب توسط آب نیز قابل حل هستند. بطور کلی، رنگ، مواد آلی معلق و جامدات غیر آلی، آلاینده های اصلی صنایع چوب و کاغذ بهحساب میآیند.
جنگل زدایی
در چهل سال اخیر مصرف کاغذ در جهان 400 درصد افزایش یافته است که 35 درصد ماده اولیه آن از برداشت جنگل به دست آمده است. کشت چوب نیز از نظر تاثیرات اکولوژیکی نگرانیهایی را به همراه دارد. جنگل زدایی اغلب در کشورهای در حال توسعه انجام میشود اما در کشورهای توسعه یافته نیز هنوز ادامه دارد.
آلودگی هوا
دی اکسید نیتروژن - NO2 - ، دی اکسید سولفور - SO2 - و دی اکسید کربن - CO2 - در فرایند کاغذ سازی به وفور آزاد میشود. دی اکسید سولفور و دی اکسید نیتروژن مهمترین عوامل ایجاد باران اسیدی است در حالیکه دی اکسید کربن یک گاز گلخانهای است و عامل تغییرات اقلیمی و گرم شدن کره زمین است.
آلودگی آب
فرایندهای تولید کاغذ بسیار متنوع بوده و از پیچیده ترین فرایندهای صنعتی بهشمار میآید. این فرایندها بهشدت متأثر از هم هستند مثلا تغییر نوع چوب مصرفی در تولید کاغذ، ممکن است بهشدت بر پساب تولیدی کارخانه تأثیر گذارد و عملیات ویژه و متفاوت از قبلی را بطلبد. لذا اطلاعات برای هر نوع حالتی برای مهندسان تصفیه لازم بنظر میرسد. پساب کارخانههای کاغذ حاوی مواد شیمیایی از جمله هیدراکسید سدیم، کربنات سدیم، انواع بیسولفیتها، کلر و دی اکسید کلر، اکسید کلسیم، اسید کلریدریک و غیره است
اما مشکل عمده پساب میزان زیاد مواد آلی 110-20 - کیلوگرم COD در هر تن کاغذ - ، رنگ، هالیدهای آلی قابل حل - AOX - و آلایندههای سمی است .[8] از طرف دیگر موادی که برای تصفیه آب و پساب واحدها مصرف می شود - مانند آب مورد نیاز برای واحد بویلر که دارای سختی در حد صفر است - نیز سبب افزایش آلودگی پساب های کاغذ سازی میشود.
همچنین رنگ پسابهای تولیدی در صنایع کاغذ سازی از مهم ترین آلوده کنندههای این صنعت بهشمار میآید و بهتر است رنگ پساب با استانداردهای زیست محیطی منطبق باشد. بنابراین حذف رنگ از پساب های صنعتی قبل از تخلیه در محیط زیست بسیار ضروری میباشد.
مواد رنگی در پساب صنایع چوب و کاغذ از تنوع زیادی برخوردارند و مهمترین آن از ترکیبات لیگنین بهعنوان پلیمر ی آلی و پیچی ده تشکیل شدهاند. همچنین مشتقات لیگنین که در اثر تجزیه آن بهوجود میآید نیز از عوامل مهم تولید رنگ میباشد. مواد دیگر رنگزا ممکن است شامل مواد استخراجی چوب مانند انواع رزینها، رنگدانهها، تانن، اسیدهای آلی آروماتیک، ترپنها و فراورده های تخریبی حاصل از واکنش کلر و لیگنین و از این قبیل باشد. این ترکیبات به علت داشتن بار منفی، یونی و دارای ساختار قطبیاند.
به طور کلی شدت این آلودگیها و اهمیت حفظ محیط زیست لزوم توجه به تصفیه پسابهای کاغذسازی را بیشتر میکند. بازیافت فاضلاب و سوزندن آن، استخرهای زیست پالایی و استفاده از مواد با آلایندگی کمتر برای ساخت خمیر کاغذ و رنگبری میتواند از بار آلودگی آب بکاهد. عوامل عمده رنگزا در پساب صنایع کاغذ سازی مربوط به گروه های زیر است:
ساختمان کوئینون رادیکالهای آزاد کمپلکس های آلی- فلزی گروه های -CH=CH-
گروه های کربنیل - C=O - متصل به حلقه آروماتیک از بین موارد فوق، گروههای با پیوند دو گانه متصل به حلقه آروماتیکی و گروه های کوئینونی، عوامل اصلی رنگزایی در پسابها هستند. همچنین نتایج حاصل از تکنیک رزونانس هستهای مغناطیسی در پسابهای تولید شده در فرایند کرفت نشان داده که گروههای شیمیایی اجزاء رنگزا ناشی از بعضی ترکیبات اشباع نشده مانند ترکیبات بنزیلیک، آروماتیکی، انیدرید اسیدها، آروماتیک های حلقوی، کتون ها، فنول ها، اسیدهای کربوکسیلیک و الکینها میباشند.
کلر و مواد کلردار
کلر و ترکیبات کلردار در فرایند رنگبری خمیرکاغذ به ویژه در خمیرکاغذ شیمیایی کرافت یا سولفیت استفاده میشود. کارخانههایی که از عنصر کلر استفاده میکنند میزان زیادی دی اکسین تولید میکنند. دی اکسینها از آلایندههای آلی پایدار هستند که بهعنوان سمیترین آلاینده تولیدی بشر در زمین محسوب میشوند. خوشبختانه دی اکسید کلر تا حد زیادی جایگزین عنصر کلر شده است .[9] در نتیجه از سال 1990 به بعد استفاده از عنصر کلر در فرایند لیگنین زدایی بسیار کاهش یافته و جایگزین روش ECF - بدون عنصر کلر - و TCF - بدون هر گونه ترکیبات کلردار - در فرایند رنگبری شده است. در سال 2005 تنها 20-19 درصد از عنصر کلر در تولید خمیرکاغذ کرافت در سطح جهانی استفاده شده است که نسبت به سال 1990 به اندازه 90 درصد کاهش را نشان میدهد
جامدات معلق - TSS -
به کل غلظت جامدات معلق موجود در پساب که پس از تبخیر آن در حرارت 103 الی 105 درجه باقی می مانند گفته می شود. کل جامدات به دو دسته کلی جامدات معلق - با قطر حداقل یک میکرون - و جامدات کلوئیدی و محلول - با قطر حداکثر یک میکرون - تقسیم میشوند.
سایر منابع آلودگی پسابها
علاوه بر موارد ذکر شده در فوق که بهعنوان منابع اصلی تولید آلودگی محسوب میشوند، منابع دیگری نیز وجود دارند که به افزایش میزان آلودگی کمک میکنند از جمله:
- آب مورد استفاده در مرحله پوست کنی و شستشوی چوب و تولید چیپس مایعات حاصل از بخارات خروجی از دایجستر ها
- مایعات حاصل از بخارات خروجی از تبخیر کننده های واحد بازیافت
- آب سفید خروجی از غربالها و شوینده ها آب سفید ماشین های کاغذ سازی
- کاغذ باطله 40 درصد از کل ضایعات آمریکا را تشکیل میدهد
- کاغذ باطله مانند سایر ضایعات مشکلات جوهرهای سمی، رنگها و پلیمرهای سرطان زا - هنگام سوزانده شدن - یا در طی مدفون کردن به روش سنتی اغشته شدن با آبهای زیرزمینی را دارد. البته بازیافت کاغذ باطله این تاثیرات را کم میکند اما بر انرژی مصرفی تولید از نظر اقتصادی و زیست محیطی، حمل و نقل و غیره اثری ندارد.
روشهای تصفیه شیمیایی
با توجه به شدت آلودگی پساب کارخانههای کاغذ سازی اغلب روشهای فیزیکی به تنهایی برای کاهش میزان آلودگی و رنگ پسابهای صنعتی کافی نمیباشند. همچنین هرچند ترکیباتی مانند اسیدهای آلی و الکلهای با وزن مولکولی کم طی تصفیه بیولوژیکی حذف میشوند اما بعضی دیگر از آلاینده ها توسط این روش قابل حذف نیستند. لذا جهت رساندن کیفیت پسابها به حد مناسب و مطابق با قوانین زیست محیطی استفاده از روشهای دیگر از جمله روش های شیمیایی ضروری میباشد که مهمترین آنها اکسیداسیون و فرایند انعقاد و لخته سازی است و در ادامه توضیح داده شده است.
فرایندهای اکسیداسیون
این فرایندها شامل کلریناسیون، پراکسید هیدرژن، روش های فتوکاتالیستی و ، ازناسیون و روش های اکسیداسیون ترکیبی است. فرایند های اکسیداسیون پیشرفته بهعنوان فرایندهای در دمای محیطی و بر اساس رادیکال های بسیار واکنش پذیر تعریف میشوند. مخصوصاً رادیکال های هیدروکسیل که به عنوان اولین گزینه و قوی ترین عوامل اکسیدکننده در کاهش میزان آلودگی و خصوصاً رنگ در سیستم های تصفیه آب و پساب آنها مطرح میشود. در واقع این رادیکال ها تسریع کننده نرخ اکسیداسیون آلاینده هاست.
استفاده از UV در سیستم های تصفیه: در این روش انرژی بالا اشعه UV باعث تشکیل کمپلکس قوی از حالت واسطه میگردد. سطح بسیار زیاد کاتالیست به نسبت حجم محلول و توانایی بسیار کم نیمه هادی در تولید O2 از عوامل موثر در راندمان بالای این فرایند است. نورUV توسط پروتئین DNA و RNA میکروارگانیسم ها میتواند جذب شود. در دوز بالای UV جذب توسط پروتئین در سلول میتواند به تخریب غشای سلولی و حتی به مرگ سلولی منجر شود.
UV یا روش فتوکاتالیستی میتواند مستقیماً با اصلاح DNA میکروبها و میکرو ارگانیسم های همراه آب و پساب و از کار انداختن سیستم ژنتیکی ارگانیسم های مضر برای ضد عفونی کامل آنها استفاده شود. در نتیجه از تکثیر و عفونت زایی آنها جلوگیری میشود. همچنین قادر است میزان سمیت پساب های سلولزی را کاهش دهد و قابلیت تصفیه بیولوژیکی این پساب ها را افزایش دهد. این روش باعث کاهش رنگ و سمیت پسابهای کاغذ سازی و تجزیه لیگنینهای حل شده و مشتقات آن میشود. تکنولوژیUV چارهای مطمئن نسبت به استفاده سنتی از اکسیدکننده های شیمیایی مانند کلر است
بعلت پیشرفت های چشمگیر در بازده انرژی برای سیستم های تولید UV و طراحی راکتور ، استفاده از تکنولوژی UV بعنوان طبیعی ترین شکل ضدعفونی، در عملیات تصفیه آب و فاضلاب، هوا و سایر سطوح در سراسر دنیا در حال افزایش است
کلریناسیون پساب: گاز کلر حلالیت کم دارد و سنگینتر از هواست. کلر و مشتقات آن مانند هیپوکلریت سدیم و دی اکسید کلر ClO2 بهعنوان یک ماده ضد عفونی کننده و رنگزای بسیار قوی شناخته شده است و در تصفیه پساب صنایع کاغذسازی و نساجی بسیار کاربرد دارد. استفاده از کلر بخاطر سمیت آن باعث جلوگیری از رشد میکروارگانیسم های مختلف مانند باکتریها و جلبکها در محیط آبی میشود. همچنین کلر قابلیت جذب بوی تند ترکیبات نیتروژنی مانند آمونیاک را نیز دارد.
افزودن کلر باعث می شود که فلزاتی مانند آهن و منگنز و دیگر فلزات محلول در پساب بهصورت مواد نامحلول اکسید شوند. کلر همچنین از سایر اکسیدکنندهها مانند ازن بسیار ارزانتر است. با این حال تمام تلاشها در جهت کم کردن استفاده از کلر و جایگزینی کامل آن با مواد و روش های دیگر در جریان است. زیرا کلریناسیون آلاینده ها باعث تولید ترکیباتی مانند اسید های چرب کلرینه، رزینها و هیدروکربن ها و ترکیبات آروماتیک کلرینه، کلرولیگنینها، کلروفنلیکها و ترکیبات آلی هالوژن دار قابل جذب - AOX - و تری هالومتان ها - THM - میشود که این مواد بسیار سمی هستند و سمیت آنها باعث مقاومت آنها در مقابل فرایند تصفیه بیولوژیکی می شود. همچنین استفاده مستقیم یا در معرض قرار گرفتن انسان در برابر گاز کلر باعث سوزش و سوختگی چشم، مخاط بینی، گلو، نای، دندانها - حتی در دوز کمتر از - ppm15 و بروز بیماریهای شدید مانند برونشیت، ذات الریه و ورم ریوی و نتیجتاً مرگ میشود.
همچنین طی آزمایشاتی ثابت شده که وجود حتی PPM 0/1 کلر در آب باعث مرگ نیمی از میکروارگانیسم های آب شده که نشان میدهد که کلر بهشدت برای موجودات آبزی سمی و مضر است و نباید در پساب تصفیه شده خروجی حتی به میزان کم وجود داشته باشد.
پرمنگنات پتاسیم : پرمنگنات پتاسیم بعنوان یک عامل رنگ زائی فعال است که به گروه های C-C حمله کرده و آنها را درخلال فرایند اکسیداسیون میشکند. این ماده وقتی به پساب افزوده میشود MnO2 تولید میکند که مادهای با رنگ قهوهای و نامحلول در آب است و فرایند فیلتراسیون نهائی را مشکل میسازد. با این وجود بهخاطر قیمت زیاد از آن استفاده زیادی نمیشود.
پراکسید هیدروژن: پراکسید هیدروژن - آب اکسیژنه - نیز می تواند به عنوان یک اکسیدکننده قوی برای حذف رنگ به پساب افزوده شود.
