مطالعه سينتيک ليگنين زدايي ساقه گندم
در فرايند خمير کاغذسازي با گليسرول

الهام صابريخواه، آزاده ابراهيميان پوربازاري*+
فومن، دانشگاه تهران، پرديس دانشکدههاي فني، دانشکده فني فومن، گروه مهندسي شيمي

جمشيد محمدي روشنده
رضوانشهر، دانشگاه تهران، پرديس دانشکدههاي فني، دانشکده فني کاسپين، گروه مهندسي شيمي

چكيده:در اين مطالعه سينتيک ليگنين زدايي فرايند خمير کاغذ سازي از ساقه گندم با استفاده از گليسرول ، در شرايط استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 2% و بـدون آن، در دماي C°222 و در زمانهـاي 02 تا 082 دقيقه درشرايط رفلاکس انجام شد .نتيجههاي بهدست آمده نشان ميدهد که با افزايش زمان خمير کاغذ سازي مقدار ليگنين باقيمانده در خميـرکاغذ، درصد کربو هيدرات و بازده در هر دو حالت استفاده از کاتاليست و بدون آن کاهش مييابد. معادلههاي سرعت بر حسب غلظت ليگنين باقيمانده در خمير کاغذ هريک از فازهاي ليگنين زدايي ارايه شد. بررسيها نشان داد که سرعت ليگنين زدايي در اين شرايط از واکنش مـرتبه اول پيروي مينمـايد و ثابت سرعت واکنشها در هر فـاز ليگنين زدايي بهترتيب برابر 0-min-0 ،0×02-0min 4-02×6 و 0-min-0 ،4×02-0 min 0-02×0 تعيين شد.

واژههاي كليدي: کاه گندم، حلال آلي، گليسرول، ليگنين زدايي، سينتيک، ثابت سرعت.

KEY WORDS: Wheat straw, Organosolv, Glycerol, Delignification, Kinetic, Rate constant.
مقدمه
خمير کاغذ و کاغذ از منابع غير چوبي با استفاده از کاه و کلش خميرکاغذ از کاه فرايند سودا است. اين فرايند براي تمام درجههاي

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
11
افزايش چشمگير جمعيت و نياز روزافزون به استفاده از کاغذ و فراوردههاي سلولزي از يک طرف و تخريب شديد جنگلها و منابع تجديد شونده از طرف ديگر، موجب رويکرد گسترده به استفاده از الياف غير چوبي شده است ]1[. گياهان غير چوبي از راهکارهاي مهمي براي تأمين منابع الياف سلولزي در صنايع خمير و کاغذ بهشمار مي آيند]2[. در بين منابع الياف سلولزي غير چوبي، کاه و کلش جايگاه خاصي دارد. بهطوري که بالغ بر ۶۴ درصد کل توليد شده است]3[ چرا که به سادگي قابل دسترسي است و خمير به دست آمده از کيفيت بالايي برخوردار ميباشد ]۶[.
امروزه کاه و کلش طي فرايندهاي متفاوت شيميايي و يا شيميايي ـ مکانيکي، در مقياس آزمايشگاهي ،نيمه صنعتي و صنعتي به خمير و کاغذ تبديل ميشوند ]5[. فرايندهاي سودا، کرافت و سوداي تغيير يافته براي ساخت خمير کاغذ از انواع کاه مناسب هستند. متداولترين فرايند مورد استفاده در ساخت کاغذ متداول است .شايان ذکراست در اين فرايند توسعه و استقرار سامانه تخليه پساب، در واحدهايي که خميرکاغذ بدون استفاده از سامانه بازيابي مواد شيميايي بخار توليد ميشود ،لازم بوده و اين ميتواند بهعنوان ايراد عمده براي فرايند سودا باشد ]3[.
در اين راستا فرايندهايي که در آنها از حلالهاي آلي مانند گليسرول استفاده مي شود داراي برتري هايي نسبت به فرايند سودا ميباشند، زيرا اين فرايندها از نظر زيست محيطي کم ضررتر ميباشند ،بازده خميرسازي بالايي دارند، به آساني رنگبري ميشوند، حلال نيز به آساني بازيافت ميشوند، همچنين نياز به سرمايه گذاري هنگفت براي احداث واحدهاي جديد ندارند، ليگنين و قندهاي موجود درمايع پخت آنها براي استفادههاي بعدي قابل بازيافت هستند]۴[.
در طراحي و کنترل فرايند توليد خمير کاغذ سازي، مکانيسم واکنش و سينتيک فازهاي ليگنين زدايي از مهمترين عاملهاي کنترل کننده و نشان دهنده تغيير مرحله اي در فرايند توليد خمير کاغذ است. بنابراين، مطالعه سينتيک ليگنينزدايي از اهميت زيادي در کارآمدي بيشتر يک فرايند ليگنينزدايي برخوردار است ]7،8[. سينتيک شيميايي شامل مطالعه سرعت واکنشهاي شيميايي و بررسي مکانيسم واکنشهاست. به طوري که با مطالعه سينتيکي يک واکنش شيميايي ميتوان درجه واکنش، تأثير دما بر سرعت واکنش ،براي پيشرفت واکنش و انرژي آزاد شده در يک واکنش را بررسي کرد. با توجه به اينکه درك درست از سينتيک واکنش خمير کاغذسازي، پايه اي براي اصلاح و بهينه سازي فرايند است، درنتيجه به وسيله ي شناخت جنبههاي گوناگون سينتيک فرايند، ميتوان امکان بهره برداري و کنترل بهتر تجهيزات را فراهم کرد ]8[.
عبدالکريم و همکاران بررسي سينتيکي فرايند کرافت کاه گندم را انجام دادند و نشان دادند که واکنش شيميايي ليگنينزدايي از مرتبه اول است]9[. سينچ و همکاران فرايند ليگنينزدايي از کاه گندم را بهوسيله محلول سولفيت بافري شده با سديم هيدروکسيد انجام دادند و دريافتند که سينتيک ليگنينزدايي از مرتبه دوم است ]11[.
پژوهش حاضر به منظور تعيين معادلههاي سرعت واکنش ليگنين زدايي کاه گندم، تعيين مرتبه واکنش در هر دو حالت با استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 2% و بدون آن و بررسي تأثير دو عامل، زمان پخت و کاتاليست بر غلظت ليگنين باقيمانده در خمير کاغذ با استفاده از فرايند خميرسازي با حلال آلي، گليسرول، انجام شده است.
15
بخش تجربي
نمونه برداري و تهيه ساقه گندم
در اين پژوهش، ساقه گندم از مزرعههاي منطقه اردبيل جمع آوري شد. نمونهگيري بهصورت تصادفي و به مقدار کافي انجام گرفت. قبل از انجام عمليات پخت، جدا کردن کاه، سنبله و گرههاي موجود انجام شد. سپس ساقههاي گندم توسط قيچي باغباني به طول ۶-3 سانتيمتر بريده شدند. ساقههاي خرد شده بهمدت 2۶ ساعت در محيط آزمايشگاه قرار گرفت تا به تعادل رطوبتي با محيط برسد. سپس رطوبت ساقه گندم با سه تکرار اندازهگيري شد.
آنگاه با در نظر گرفتن درصد رطوبت ساقه گندم، نمونههاي 211 گرمي ) بر مبناي وزن خشک ( آماده شده و در کيسههاي پلاستيکي بسته بندي شد.

فرايند ليگنينزدايي
در اين پژوهش ليگنين زدايي با استفاده از حلال آلي انجام شد .
در تمام موارد ابتدا 81 گرم از ساقه گندم آماده شده را بر اساس وزن خشک، توزين شده و سپس به نسبت 1 به 11، حلال گليسرول به آن افزوده شده و داخل بالن رفلاکس قرار داده شده و پس از رسيدن به دماي رفلاکس ،دماي C -195 °C°215، عمليات پخت، در زمانهاي 31، ۶5، ۴1، 91، 121، 151 و 171 دقيقه در دو شرايط با استفاده از کاتاليست هيدروکسيد سديم 2% و بدون آن انجام گرفت. پس از طي شدن زمان ليگنين زدايي براي هر پخت، ساقههاي گندم پخته شده را پس از خنک شدن از بالن تخليه کرده و بهطور کامل با آب شستشو داده تا مايع پخت از آن جدا شود. آنگاه خمير کاغذ سازي را در دستگاه جداسازي الياف مدل LTD ساخت کشور انگلستان ريخته تا بهصورت رشته رشته درآيد و سپس آبگيري بهطور کامل انجام شد .

تجزيه ترکيبهاي ماده اوليه
تجزيه ترکيبهاي ساقه گندم بر اساس استانداردهاي زير انجام گرفت:
هولوسلولز [11]، ليگنين کلاسون 98(-TAPPI T222 om)
،]13[ (Kurshchner–Hoffner) سلولز کروشنر ،]12[
،[12] (TAPPI T 204 cm-)79 مواد استخراجي
[12] (TAPPI T211 om-)39 ميزان خاکستر
2 12 122 112 522
زمان )دقيقه(

شکل 1ـ رابطه بين عدد کاپا و زمان خمير کاغذ سازی در دمای C° 522 و با استفاده از کاتاليزور هيدروکسيد سديم 5% و بدون استفاده از آن.

اندازهگيري ويژگيهاي خمير کاغذ
بازده خمير کاغذ با تعيين درصد خشکي خمير، اندازه گيري شد .
محاسبه ليگنين باقيمانده در خمير کاغذ )عدد کاپا( بر طبق آيين نامه شماره 99 T 23۴ -om استاندارد TAPPI ]12[ انجام شد .
درصد ليگنين خميرکاغذ بر اساس وزن خشک کاه که بر اساس معادله زير محاسبه شد]1۶[:
بازده خمير کاغذ× 153/1× درصد ليگنين خمير بر اساس وزن خشک خمير کاغذ = درصد ليگنين خمير کاغذ و درصد کربوهيدراتهاي خمير) LFY()1( بر اساس معادله زير محاسبه شد]15[:
درصد ليگنين خمير ـ بازده کل خمير = LFY

نتيجهها و بحث
با استفاده از استانداردهاي ياد شدده تجزيد شد يميايي سداه گندم ب منظور تعيين ميزان ترکيب شـ يميايي آن، شـامل سـلولز،هولوسلولز، ليگنين، مواد استخراجي و خاکستر انجـام گرفـت، کـهنتيجهها در جدول 1 نشان داده شده است.
14
-4292570461

-6603-2703848

2 12 122 112 522
زمان )دقيقه(

شکل 5ـ رابطه بين راندمان و زمان خمير کاغذ سازی در دمای C° 522 و با استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 5% و بدون استفاده از آن.

با بررسي نتيجههاي به دست آمده از فرايند خميرسازي ساقه گندم
با حلال آلي گليسرول، مشخص شد که با افزايش زمان خمير کاغذ سازي، عدد کاپا کاهش يافته و اين کاهش يک رابطه غير خطي را نشان ميدهد. که در شکل 1 ارايه شده است .
کاهش درصد عدد کاپا در خمير کاغذ سازي با استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 2%، چشمگيري است. به عبارتي، تغييرهاي زمان پخت تاثير زيادي بر ليگنين زدايي از خمير کاغذ سازي داشته، ضمن اينکه استفاده از کاتاليست اثر مثبتي بر اين کاهش اعمال نموده است. با توجه به بررسي ضريب همبستگي )2R( بهدست آمده از نتيجههاي خمير کاغذ سازي در دماي C°211 )شکل 1( ليگنين زدايي با دو شيب متفاوت صورت ميگيرد که بيانگر اين نکته است که ليگنين زدايي در هر دو حالت ، استفاده از کاتاليزوز هيدروکسيد سديم 2% و بدون آن، داراي دو مرحله ميباشد.
با دقت در مقدارهاي ضريب همبستگي )2R(، رابطه بين زمان خمير کاغذ سازي و درصد بازده خمير )شکل 2( در دو حالت ، با استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 2% و بدون استفاده از آن،
)0( Lignin Free Yield

2 12 122 112 522
زمان )دقيقه(

شکل 4ـ رابطه بين درصد کربوهيدرات و زمان خمير کاغذسازی در دمای C°522 و با استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 5% و بدون استفاده از آن.

که بهترتيب برابر 999/1 و 979/1 ميباشد، نشان ميدهد که در حالت اول به تقريب از يک رابطه خطي و درحالت دوم از يک رابطه غير خطي پيروي ميکند .
با دقت در شکل 3 مشاهده ميشود که رابطه بين زمان خمير کاغذ سازي و درصد کربوهيدرات در دماي C°211 و با استفاده از کاتاليست سديم هيدروکسيد 2% و بدون استفاده از آن نيز همانند عدد کاپا و بازده با افزايش دما کاهش مييابد .
در زمانهاي گوناگون و در دو حالت با استفاده از کاتاليست از اين روش موقعي ميتوان استفاده نمود که غلظت واکنش دهندهها
با توجه به نتيجههاي بهدست آمده از خمير کاغذ سازي

0
/
3

3
/
3

5
/
3

3

0
/
4

لگاريتم

ليگنين

طبيعي
باقيمانده

522

112

122

12

2

با
کاتاليزور

بدون

کاتاليزور



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید