بخشی از مقاله
چکیده:
در این پژوهش، امکان تولید خمیر کاغذ از کاه برنج با استفاده از فرمیک اسید در فشار اتمسفریک مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور غلظتهای متفاوتی از فرمیک اسید تهیه شده و اثر غلظت حلال بر خواص خمیر تولید شده، آزمایش گردید.پس از 3/5 ساعت پخت کاه برنج، شامل 90 دقیقه پخت با فرمیک اسید و 120 دقیقه رنگبری با هیدروژن پراکسید، خواص خمیرکاغذ تولیدی شامل میزان راندمان، درصد لیگنین و میزان خاکستر آزمایش شد. تحلیل اعداد و نمودارها نشان می دهد که با افزایش غلظت فرمیک اسید، راندمان کاهش یافته، میزان خاکستر تقریبا ثابت و در حدود %24 بوده و ارتباطی با غلظت حلال نداشت؛ همچنین آزمایش ها نشان دادند که افزایش غلظت حلال، لیگنین زدایی را افزایش می دهد که در نتیجه آن، عدد کاپا کاهش می یابد.
واژه های کلیدی: خمیر کاغذ، کاه برنج، فرمیک اسید، اتمسفریک
.1 مقدمه1
قرن ها است اندیشه بشر بر روی کاغذ نقش بسته است و اسناد و مدارک مربوط به هویت انسانی و مایملک انسان از طریق کاغذ و نوشته های بر روی آن است که دست به دست می چرخد. بنابراین اصلا اغراق نخواهد بود که بگوییم بسیاری از دانستهها به سبب وجود »کاغذ« است و حتی با وجود رسانههایی مثل تلویزیون، اینترنت و غیره، در ارتباطات بشری کاغذ حرف اول را می زند. شاید در نگاه اول، کاغذ یک ابزار ساده به نظر آید ولی واقعیت این است که صفحه سفیدی است که همچون لوح سفید وجود انسانی، هر نوشته ای را می تواند بر خود حک کرده و دست به تکثیر اندیشه بشری بزند.
افزایش چشمگیر جمعیت جهان نیاز به کاغذ را به منظور چاپ مطبوعات و کتب و مجلات از یک سو و نیاز به مقوا را به منظور بسته بندی محصولات افزایش داده است که خود باعث استفاده بیشتر از صنایع سلولزی می شود؛ به عنوان مثال مصرف جهانی کاغذ و مقوا در سال 1990حدود 237/11 میلیون تن [1]، و در سال 1997 حدود 300 میلیون تن بوده است که در سال 2000 به 323/28 میلیون تن افزایش یافته است .[2]بر اساس گزارش رسمی از بازار، برای تولید روزنامه، حدود 80 هزار تن کاغذ مصرف میشود و میزان مصرف کاغذ برای چاپ کتابهای درسی و غیردرسی نزدیک به 170 یا 180 هزار تن خواهد بود.
2.ترکیبات مواد لیگنوسلولزی
سلولز مهمترین ترکیب ساختاری دیوارههای سلول بوده و بعد از حذف لیگنین و انواع دیگر مواد استخراجی نیز مهمترین ترکیب ساختاری محسوب می شود. سلولز همچون بسیاری از پلی ساکاریدها، پلیمری با وزن مولکولی زیاد است که بسته به نوع منبع سلولزی، درجه پلیمریزاسیون آن از 10000 تا 15000 متفاوت است.ساختمان سلولز دارای یک بخش بلوری و یک بخش غیر بلوری یا بی شکل است. درجه بلورینگی بستگی به منشاء سلولز دارد به عنوان مثال سلولز بدست آمده از پنبه و انواع جلبکها مانند والونیا دارای درجه بلورینگی بسیار بالایی است در حالیکه سلولز چوب درجه بلورینگی پایینی دارد. شایان ذکر است که سلولز بوسیله باکتریها نیز تولید می شود که البته به عنوان منابع سلولزی برای کاغذ کاربردی ندارند .[3]
همیسلولز یکی دیگر از اجزای مواد لیگنوسلولزی است که گروهی از ساکاریدهای غیر ساختاری با وزن مولکولی کم و اغلب ناهمگن هستند که علیرغم نام آن، ارتباطی با سلولز نداشته و از راه بیوسنتز متفاوتی تولید می شوند. نقش همیسلولز در دیواره سلول بخوبی شناخته شده نیست، اما وزن مولکولی خیلی کم آنها نمی تواند همیسلولزها رابه عنوان یک پلیمر ساختاری مطرح کند - درجه پلیمریزاسیون آنها بین 200 - 150 است - . تحقیقات نظری در این زمینه نشان می دهد که همیسلولزها ممکن است نقشی در انتقال آب داشته باشند. بخش قابل توجهی از همیسلولز حتی بعد از لیگنینزدایی شیمیایی نیز در خمیر کاغذ باقی میمانند.
بیشترین میزان همیسلولز، در سوزنی برگان گالاکتوگلوکومانان است که حدود 20 درصد از وزن خشک چوب را تشکیل می دهد .[4]یکی دیگر از اجزای مواد لینگوسلولزی لیگنین نام دارد. لیگنین، پلیمری آروماتیک با ساختاری پیچیده است که تقریبا کلیه خصوصیات لیگنین در کاربردهای کاغذسازی نقشی منفی دارند و کاغذهای با کیفیت خوب از الیافی ساخته می شود که تقریبا عاری از لیگنین هستند. لیگنین سبب شکننده شدن کاغذ شده و به دلیل اکسایش نوری و تشکیل گروههای رنگی سبب افزایش زردی و تیرگی کاغذ می شود. کاغذ روزنامه مثال خوبی در این زمینه است بطور کلی میتوان گفت که خمیرهای مکانیکی که در آنها مقدار زیادی لیگنین وجود دارد چنین اثرهایی را نشان می دهند .[3]
شایان ذکر است که چوب حاوی مقدار کمی - کمتر از 5 درصد - از ترکیباتی است که توسط حلالهای آلی مثل اتانول یا دیکلرومتان قابل استخراج هستند. میزان این ترکیبات در پهن برگان و سوزنی برگان و در بین گونههای مختلف چوبی متفاوت است. چندین محصول فرعی مفید در عملیات خمیرسازی از مواد استخراجی قابل استحصال است که مهمترین آنها شامل تربانتین و روغن تال است. تربانتین مخلوطی از هیدروکربنهای دو حلقه ای با فرمول C10H16 بوده که ترکیبات عمده آن α pinene و β pinene است .[5] این ترکیبات به صورت محصولات فرعی فرار با بازده 4 الی 5 لیتر به ازای هر تن چوب - کاج - بوده که میتوانند به عنوان حلال مورد استفاده قرار گیرند. روغن تال عمدتا از نظر ساختمانی ایزومرهای اسید آبیتک هستند و به عنوان مواد افزودنی شیمیایی و مواد آهارزنی در تهیه کاغذ مصرف می شود.
.3 روشهای تولید کاغذ
3؛.1 روشهای مکانیکی
در این روش الیاف سلولزی را با کمک فشار و یک سطح تراشیده شده از هم باز کرده و سپس الیاف را پالایش می کنند. کاغذ بدست آمده از این روش دارای خواص مقاومت مکانیکی پایین و راندمان بالا خواهد بود. از این نوع کاغذ عمدتا در صنعت چاپ و تحریر استفاده می شود که حدود %25 از کل خمیر تولیدی را به خود اختصاص داده است .[6]
3؛.2 روشهای نیمه شیمیایی - نیمه مکانیکی
در این روش به کمک یک ماده شیمیایی، ماده اولیه را نرم، سپس با اعمال روشهای مکانیکی الیاف سلولز را باز کرده و بعد از پالایش، کاغذ بدستمی آید. در این روش راندمان نسبت به روش مکانیکی کاهش یافته ولی مقاومت مکانیکی کاغذ افزایش می یابد. کاغذ روزنامه را میتوان از این روش تولید نمود لازم به توضیح است که حدود %5 کل خمیر تولیدی در جهان، از این طریق بدست می آید .[6]
3؛. 3 روش های شیمیایی
این روش بر پایه جداسازی لیگنین بوسیله یک ماده شیمیایی صورت می گیرد. این روش در مقایسه با روش های قبلی راندمان کمتری داشته ولی خواص مکانیکی آن به مراتب بهتر است و کاربرد فراوانی دارد. اگرچه حدود %70 خمیر تولیدی جهان توسط این روش تولید می گردند ولی به علت استفاده از ترکیبات گوگردی در این روش، آلودگیهای زیست محیطی به همراه داشته و علاوه بر آن، هزینه سرمایهگذاری اولیه در آن، بسیار بالا بوده و خمیر کاغذ تولیدی تیره رنگ است. از دیگر معایب استفاده از این روش میتوان به رنگبری سخت و هزینهبر بودن بازیابی مواد شیمیایی اشاره نمود .[6]
.4 تولید خمیر کاغذ از منابع غیر چوبی
رشد جمعیت جهان و پیشرفتهای تکنولوژیک باعث افزایش مصرف کاغذ شده و کم شدن منابع ماده اولیه سلولزی به مشکلاتی در توسعه این صنعت انجامیده است که چاره اندیشی در تامین مواد اولیه مورد نیاز این صنعت را اجتناب ناپذیر کرده است.اگر چه منابع جنگلی را در زمره منابع تجدید شونده جهان بر می شمارند، اما باید دانست که حتی این منابع نیز به علت استفاده بیش از حد در حال کاهش و نابودی هستند؛ بطوریکه امروزه تمامی صنایعی که از مواد اولیه چوبی استفاده میکنند، در یک مشکل با یکدیگر وجه اشتراک دارند و آن چگونگی تهیه مواد اولیه مورد نیاز در سالهای آینده است.
لذا لازم است صنایع کاغذسازی برای تامین ماده اولیه در آینده و همچنین کاهش فشار بر جنگلها، منابع غیر چوبی را هر چه بهتر و بیشتر مورد بررسی قرار داده و در این زمینه اولویت مصرف هر یک از منابع را برای آینده تعیین نمایند که البته در این راستا بکارگیری منابع مختلف الیاف سلولزی نظیر کاه گندم، کلش برنج، باگاس و نیز بازیابی الیاف سلولزی مصرف شده نباید از نظر دور بماند. البته نباید فراموش کرد که هزینه های تولید خمیر و کاغذ از کاه زیادتر از هزینه های تهیه خمیر و کاغذ از چوب است، بنابراین باید سعی بر آن باشد که از خمیر کاغذ حاصل از کاه و کلش، کاغذهای ویژه تولید نمود .[7]
بیشترین تمرکز در استفاده از پسماندهای کشاورزی در ایران بر روی کاه و کلش گندم، برنج، جو، باگاس، دانه های روغنی و ... می باشد که به علت سطح زیر کشت این محصولات در کشور و حجم بالای پسماند و توانایی بالای آنها برای استفاده در صنعت خمیر کاغذ می باشد.در سال 2009 تولید جهانی کاغذ و مقوا بیش از 376/8 میلیون تن بود، تجزیه و تحلیل Kaldor در سال 1999 نشان داده بود که با ادامه رشد مصرف فعلی نیاز است که تا سال 2010 تقریبا منابع جنگلی دو برابر شود که بدون یک برنامه وسیع جنگل کاری و نهال کاری، دست نیافتنی به نظر میرسد . این مطلب از یک سو و فشار های زیست محیطی در جهت حفاظت از جنگلها از سوی دیگر، استفاده از منابع فیبر جایگزین را جهت تهیه خمیر کاغذ اجتناب ناپذیر کرده است .[8]
چین و هند، کشورهای پیشرو در تولید خمیر کاغذ از الیاف منابع زراعی هستند و کشور چین بیش از 73 درصد ظرفیت جهانی خمیر کاغذ تولیدی از منابع زراعی را در اختیار دارد. فناوری تولید کاغذ از کاه، از سالیان دور بوجود آمده است. در کشورهایی که از نظر منابع چوبی دارای محدودیت هستند، استفاده از الیاف کاه غلات رو به افزایش است. آشکار است که این کشورها در این خصوص با مشکلاتی مواجه هستند که به بهره برداری اقتصادی از کاه برای کارخانه های کاغذسازی آنها مرتبط است. معمولا احیاء صنایع تولید خمیرکاغذ از کاه به وسیله مکانیزه کردن جمع آوری و ذخیره سازی میتواند انجام شود. به علاوه، توسعه فرآیندهای جدید تولید خمیرکاغذ، باید با ظرفیت تولید کم اما پربازده کارخانه های تولید خمیرکاغذ از کاه، وفق داده شود .[9] با توجه به موارد فوق الذکر و اهمیت تولید کاغذ از منابع غیرچوبی، در این پژوهش امکان تولید کاغذ از کاه برنج مورد مطالعه قرار گرفته است.
.5 روش آزمایش
در این پژوهش نسبت کاه به لیکور در عملیات پخت 1 به 10 است. بدین منظور ابتدا کاه برنج را در قطعات 3 سانتی متری بریده و به مدت 24 ساعت در آون - دمای 105 درجه سانتیگراد - قرار داده میشود تا کاه خشک بدست آید. 25 گرم کاه برنج خشک شده را وزن کرده و به لیکور پخت - فرمیک اسید با غلظت های متفاوت در هر آزمایش - در بالن اضافه میشود. بالن را در حمام روغن قرار داده و در دمای جوش به مدت 90 دقیقه پخت انجام می گیرد؛ سپس %4 هیدروژن پراکسید - H2O2 - نسبت به کاه خشک به مخلوط اضافه کرده و به مدت 120 دقیقه پخت در حمام آب در دمای 85 درجه سانتیگراد ادامه مییابد. در پایان، لیکور سیاه را از خمیر بدست آمده جدا کرده و خمیر شستشو داده میشود.در پخت اول، فرمیک اسید خالص به منظور لیگنینزدایی استفاده گردید. در این پخت دمای جوش لیکور 108 درجه سانتیگراد بدست آمد. در پخت دوم فرمیک اسید %90 استفاده شد که در ضمن آن دمای جوش لیکور 110 درجه سانتی گراد بدست آمد. همچنین دمای جوش لیکور در پخت سوم - فرمیک اسید - %80 نیز 110 درجه سانتی گراد بدست آمده است.
.6 نتیجه گیری
