شیمی کاغذ

[azarafrooz 14,221]

برخلاف این تصور که تولید کاغذ اساسا یک فرآیند مکانیکی است، در این فرآیند ، پدیده‌های شیمیایی نقش برجسته‌ای دارند. از تبدیل چوب به خمیر کاغذ گرفته تا تشکیل کاغذ ، اصول شیمیایی دخالت آشکاری دارند. لیگنین زدایی از یک منبع گیاهی مناسب ، معمولا چوب ، یک فرآیند شیمیایی ناهمگن است که در دما و فشار زیاد انجام می‌شود.

 

دامنه شیمی کاغذ ، وسیع و جالب است شامل مباحثی از قبیل شیمی کربوهیدراتها ، رنگدانه‌های معدنی ، رزینهای آلی طبیعی و سنتزی و افزودنیهای پلیمری متعدد می‌باشد. در فرآیند تشکیل نیز تا حد زیادی شیمی کلوئید و شیمی سطح دخالت دارد. نقش پلیمر ، شیمی محیط زیست و شیمی تجزیه را نیز نباید فراموش کرد.

 

 

 

ترکیب شیمیایی کاغذ

از آنجا که کاغذ از الیافی ساخته می‌شود که قبلا تحت تاثیر تیمارهای فیزیکی و شیمیایی قرار گرفته‌اند، سلولهای گیاهی حاصل از ترکیب شیمیایی ثابتی نسبت به ساختار منابع گیاهی اولیه برخوردار نیستند. سلولهای گیاهی عمدتا از پلیمرهای کربوهیدراتی آغشته شده به مقادیر مختلف لیگنین (یک ترکیب پلیمری آروماتیک که میزان آن با افزایش سن گیاه افزایش می‌یابد و در حین فرآیند لیگنینی شدن تولید می‌گردد) تشکیل شده‌اند. بخش کربو هیدراتی سلول بطور عمده از پلی ساکارید سلولز تشکیل شده است. بخشی از این ترکیبات شامل پلی ساکاریدهای غیر ساختمانی با وزن مولکولی کم به نام همی سلولز هستند، که نقش بسیار مهمی در خصوصیات خمیر و کاغذ دارند.

 

به نظر می‌رسید که با توجه به نام همی سلولزها ، این ترکیبات با سلولز ارتباط داشته باشند و به روش مشابهی با سلولز بیوسنتز شده باشند. اما در حال حاضر بخوبی مشخص شده است که این پلی ساکاریدها به روش متفاوتی بیوسنتز شده باشند. اما در حال حاضر به خوبی مشخص شده است که این پلی ساکاریدها به روش متفاوتی بیوسنتز می‌شوند و نقش ویژه‌ای در دیواره سلول گیاهان ایفا می‌کنند. علاوه بر این ترکیبات مهم ، مقادیر کمی از مواد آلی قابل استخراج و مقادر بسیار کمی از مواد معدنی نیز در دیواره سلولی الیاف وجود دارد.

 

 

 

مواد عصاره‌ای و اندک (%) لیگنین(%) همی سلولزها (%) سلولز (%)

10> 25 تا 35 20 40 تا 45 سوزنی برگان 10> 17 تا 25 15 تا 35 40 تا 45 پهن برگان

ترکیب کلی استخراج الیاف گیاهی از نظر درصد کربن ، هیدروژن و اکسیژن بسته به درجه لیگنین شدن متغیر است. میزان این عناصر برای چوب حدود 50% کربن ، 6% هیدروژن و 44% اکسیژن است. از آنجایی که ترکیب عنصری کربوهیدراتها کم و بیش به صورت CH2O)n) است، میزان کربن موجود تقریبا حدود 40% است. لیگنین یک ترکیب آروماتیک با فرمول تقریبی C10H11O4 می‌باشد. بنابراین ، میزان کربن آن بطور متوسط حدود 65 - 60% است.

 

سلولز

سلولز مهمترین ترکیب ساختاری دیواره‌های سلول است و بعد از حذف لیگنین و انواع دیگر مواد استخراجی نیز مهمترین ترکیب ساختاری کاغذ محسوب می‌شود. از نظر شیمیایی ، سلولز یک پلیمر دارای ساختمان میکرو فیبریلی شبه بلوری متشکل از واحدهای D-β گلوکوپیرانوزی با اتصالات (4

 

سلولز 100% بلوری شناخته نشده است، اما ساختمان سلولز دارای یک بخش بلوری و یک بخش غیر بلوری یا بی‌شکل است. درجه بلورینگی بستگی به منشاء سلولز دارد. سلولز پنبه و انواع جلبکها مانند والونیا درجه بلورینگی بسیار بالایی است. در حالیکه سلولز چوب درجه بلورینگی پایینی دارد. سلولز بوسیله باکتریها نیز تولید می‌گردد که البته به عنوان منابع سلولزی برای کاغذ کاربردی ندارند.

 

همی سلولزها

همی سلولزها گروهی از پلی ساکاریدهای غیر ساختاری با وزن مولکولی کم و اغلب ناهمگن هستند که ارتباطی با سلولز نداشته و از راه بیوسنتز متفاوتی تولید می‌شوند. نام همی سلولزها نشان دهنده ارتباط یا نزدیکی آنها با سلولز نیست. نقش همی سلولزها در دیوراه سلول بخوبی شناخته شده نیست، اما وزن مولکولی خیلی کم آنها نمی‌تواند همی سلولزها را به عنوان یک پلیمر ساختاری مطرح کند (درجه پلیمریزاسیون آنها بین 150 - 200 است).

 

تحقیقات نظری در این زمینه نشان می‌دهد که همی سلولزها ممکن است نقشی در انتقال آب داشته باشند. همی سلولزها معمولا از واحدهای مونومری هگزوزی مثل D- گلوکوپیرانوز ، D- مانوپیرانوز و D- گالاکتوپیرانوز و واحدهای پنتوزی مثل D- زایلو پیرانوز و –L آرابینوفورانوز تشکیل شده‌اند. بخش قابل توجهی از همی سلولزها حتی بعد از لیگنین زدایی شیمیایی ، در خمیر کاغذ باقی می‌مانند. مهمترین همی سلولز موجود در سوزنی برگان گالاکتو گلوکومانان است که حدود 20% از وزن خشک چوب را تشکیل می‌دهد.

 

لیگنین

لیگنین ، پلیمری آروماتیک با ساختاری بسیار پیچیده است. تقریبا کلیه خصویات لیگنین در کاربردهای کاغذ سازی نقش منفی دارند و کاغذهای با کیفیت خوب از الیافی ساخته می‌شود که تقریبا عاری از لیگنین هستند. لیگنین سبب شکننده شدن کاغذ می‌شود و به دلیل اکسایش نوری و تشکیل گروههای رنگی سبب افزایش زردی و تیرگی کاغذ می‌شود. کاغذ روزنامه مثال خوبی در این زمینه است و بطور کلی کلیه خمیرهای مکانیکی که در آنها مقدار زیادی لیگنین وجود دارد، چنین اثرهایی را نشان می‌دهد.

 

رزینها و مواد استخراجی

چوب حاوی مقدار کمی (کمتر از 5%) از ترکیباتی است که توسط حلالهای آلی مثل اتانول یا دی کلرومتان قابل استخراج هستند. میزان این ترکیبات در پهن برگان و سوزنی برگان و در بین گونه‌های مختلف چوبی متفاوت است. اگر چه این ترکیبات ممکن است در حین فرآیندهای شیمیایی تهیه خمیر کاغذ حذف شوند، اما همیشه مقداری از آنها در کاغذ باقی می‌ماند. ترکیب شیمیایی این مواد بسیار متغیر است و شامل آلکانها ، آلکنها ، اسیدهای چرب (اشباع یا غیز اشباع) ، استرهای گلیسرول ، مومها ، اسیدهای رزینی ، ترپنها و ترکیبات فنولی هستند.

 

میزان باقیمانده این ترکیبات این ترکیبات در خمیر و کاغذ بستگی به فرآیند تهیه خمیر مورد استفاده دارد. در مجموع ، ترکیبات اسیدی مثل اسیدهای چرب و رزینی در محیط قلیایی براحتی از طریق تبدیل شدن به نمکهای محلول حل می‌گردند، اما در خمیر سازی اسیدی ، این ترکیبات براحتی قابل حل و خارج سازی نیستند. چندین محصول فرعی مفید در عملیات خمیر سازی از مواد استخراجی قابل استحصال است که مهمترین آنها شامل تربانتین و روغن تال است. تربانتین مخلوطی از هیدروکربنهای دو حلقه‌ای با فرمول C10H16 است که ترکیبات عمده آن α و β- پنن است.

 

این ترکیبها به صورت محصولات فرعی فرار با بازده 5-4 لیتر به ازای هر تن چوب (کاج) قابل استحصال بوده و به عنوان حلال مور استفاده اند. روغن تال عمدتا از اسیدهای رزینی به همراه حدود 10% ترکیبات خنثی تشکیل شده است. این اسیدها از نظر ساختمانی ایزومرهای اسید آبیتیک هستند و به عنوان مواد افزودنی شیمیایی و مواد آهارزنی در تهیه کاغذ مصرف می‌شوند.

 

 

 

» منبع: دانشنامه رشد

 

 

[azarafrooz 14,221]

جداسازي

براي بازيافت موفق نياز به بازيابي تميز كاغذ مي‌باشد. پس شما بايد كاغذهاي خود را دور از آلودگي‌هايي مثل غذا، پلاستيك، فلزات و ديگر زباله ها، كه بازيافت كاغذ را مشكل مي كند نگهداري كنيد. كاغذهاي آلوده كه قابل بازيافت نمي‌باشند بايد به كود تبديل شوند يا براي توليد انرژي سوزانده شوند يا در زير خاك دفن شوند. مركز بازيافت معمولا از مصرف كنندگان تقاضا مي كند كه كاغذهاي خود را بر حسب درجه يا نوع كاغذ جدا كنند. مركز بازيافت شهر مي تواند به شما بگويد كه چگونه اين نوع و درجه در جامعه شما تعريف مي‌شود.

 

جمع آوري و حمل كردن

شما ممكن است كاغذهاي جداشده خود را به مركز بازيافت محل خود تحويل دهيد يا در Recycle bin (سطل هاي بزرگي كه به منظور بازيافت در سطح شهرها تعبيه شده‌اند) بريزيد. اغلب فروشندگان كاغذ يا مركز بازيافت كاغذهايي كه شما در منزل جداسازي كرده‌ايد را جمع آوري مي كنند. در مركز بازيافت، كاغذهاي جمع آوري شده در بسته هاي تنگي پيچيده مي شوند و از آنجا به كارخانه هاي كاغذسازي فرستاده مي شوند كه در آنجا به كاغذهاي جديد تبديل مي شوند.

 

انبارداري و ذخيره‌سازي

كارگران كارخانه كاغذسازي، كاميون حاوي كاغذها را تخليه كرده و آن ها را به داخل انبار مي فرستند و تا زمان لازم كاغذها در آنجا مي مانندو درجات مختلفي از كاغذ مثل روزنامه ها يا جعبه ها به طور جداگانه نگهداري مي شوند؛ براي اينكه در كارخانه كاغذسازي درجات مختلفي از كاغذ را براي توليد انواع مختلف محصولات استفاده مي شود. هنگامي كه كارخانه آماده استفاده از كاغذ شد، كاغذها توسط ماشين ها باربري چنگك دار (Forklift) از انبار به نوار نقاله هاي بزرگي برده مي شوند.

 

چه چيزي مي توان از كاغذهاي بازيابي شده به دست آورد؟

بيشتر كاغذهاي جدا شده مجددا به كاغذ يا مقوا تبديل مي شود. با كمي استثنا قائل شدن كاغذهاي به دست آمده با همان كيفيت كاغذهاي قبلي مي باشند. به طور مثال از جعبه ها براي بازيافت جعبه استفاده مي شود.كاغذهاي نوشته و چاپ شده هنگامي كه بازيافت مي‌شوند از آنها براي كاغذهاي كپي استفاده مي شود. كاغذهاي جدا شده مي توانند براي توليد مواد ديگر نيز استفاده شوند. به طور مثال خمير كاغذ بازيافت شده براي كارتون هاي تخم مرغ يا جعبه هاي ميوه استفاده شوند. از كاغذهاي بازيافت شده مي توان به عنوان سوخت، عايق كردن ديوارها و سقف، پركننده رنگ و يا پوشش استفاده كرد.

 

مي‌دانستيد كه ...

 

آيا مي دانستيد كه اولين قطعه كاغذ از مواد بازيافت شده به دست آمده است؟

در حدود 200 سال قبل از ميلاد مسيح، چيني ها از تور ماهيگيري براي ساخت اولين قطعه كاغذ استفاده كردند.

كاغدهاي بازيافت به اندازه كاغذهاي معمولي مهم هستند. كمپاني ها كاغذسازي هميشه سودهاي اقتصادي و محيطي بازيافت را شناسايي و در نظر مي گيرند. در سال هاي اخير بازيافت كاغذ براي همه به عنوان راهي براي كمك به حفظ محيط زيست و استفاده مجدد از منابع و بقاي مناطق دفن زباله مي باشد.

امروزه، 520 كارخانه كاغذ و مقواسازي در امريكا (US) كاغذهاي جدا شده را بازيافت مي كنند. امروزه كاغذهاي جدا شده، يك سوم فيبر كارخانه هاي US را تشكيل مي دهد. شهروندان امريكا 50% كاغذهاي استفاده شده خود را جدا مي كنند. در آمريكا بيشتر كاغذها بازيافت مي شوند تا اينكه دفن شوند. در امريكا كاغذ بالغ بر دو سوم مواد بسته بندي بيشتر از شيشه، فلز، پلاستيك و ... براي بازيافت جدا مي شود.

 

دوباره خمير كردن و غربال كردن

كاغذها از طريق نوار نقاله به يك ظرف بزرگ به نام pulper كه حاوي مواد شيميايي و آب است فرستاده مي شوند. pulper كاغذها را به قطعات كوچك ريز مي كند. با گرما دادن به اين مخلوط قطعات ريز كاغذ سريعا به سلولز تجزيه مي شوند كه فيبر (مواد آلي گياهي) خوانده مي‌شود. در نهايت، كاغذ به مخلوط غليظ و نرمي كه pulp ناميده مي‌شود تبديل مي شود. pulp از داخل ظرفي كه داراي سوراخ هاي گوناگوني مي‌باشد عبور داده مي‌شود. غربال كننده (Screen) ذرات ريز آلودگي و قطرات كوچك چسب را غربال مي كند. به اين فرآيند Screening گفته مي‌شود.

 

پاك سازي

كارخانجات همچنين pulp را توسط گردش دور سيلندر مخروطي شكل تميز مي كنند. آلودگي هاي سنگين به خارج از مخروط پرتاب مي شوند و به انتهاي سيلندر سقوط مي كنند. آلودگي هاي سبكتر در مركز مخروط جمع مي شوند و از بين مي روند. به اين پروسه Cleaning مي‌گويند.

 

Deinking

گاهي اوقات pulp بايد دستخوش فرايند شستشوي Pulp، (فرايند pulp laundering) قرار بگيرد. كار اين مرحله پاك كردن جوهرهاي نوشته شده، چسب هاي باقيمانده و مواد چسبناك مي باشد. كارخانه هاي كاغذسازي معمولا از دو مرحله deinking متصل به هم استفاده مي كنند. ذرات كوچك جوهر طي مرحله‌اي كه Washing ناميده مي شود از pulp شسته ميشود. ذرات بزرگتر و چسب ها توسط حباب هاي هوا طي فرآيندي كه Flotation ناميده مي‌شود از pulp جدا مي‌شوند. د ر طي اين فرآيند pulp به عنوان خوراك به ظرف بزرگي كه Flotation Cell ناميده مي‌شود وارد شده و در اين ظرف هوا و مواد شيميايي صابوني شكل كه Surfactants ناميده مي‌شوند به pulp تزريق مي‌شوند. Surfactant باعث مي‌شود كه جوهر و چسب از pulp جدا شود و به حباب‌هاي هوا بچسبند و در سطح شناور شوند. حباب هاي هوا آغشته به جوهر در سطح مخلوط توليد كف مي‌كنند و از سطح مخلوط پاك مي‌شوند.

 

پالايش كردن و رنگبري

در طي پالايش به pulp ضربه‌هاي متعددي وارد مي‌شود تا فيبرهاي بازيافت شده پف كند و آن ها براي توليد كاغذ ايده‌آل شوند. اگر pulp شامل تكه هاي بزرگ فيبر باشد، فرآيند پالايش آن ها را از هم جدا مي كند. اگر كاغذ به دست آمده داراي رنگ باشد، مواد شيميايي رنگ بر، رنگ آن را از بين مي‌برد. سپس اگر نياز به توليد كاغذ سفيد باشد براي روشن تر كردن و سفيد كردن كاغذ به آن ها آب اكسيژنه (hydrogen peroxide)، دي‌اكسيد كلرين (chlorine dioxide) و يا اكسيژن داده مي شود؛ به اين فرآيند Bleaching گفته مي‌شود. اگر نياز به كاغذ قهوه‌اي مثل دستمال كاغذي باشد نياز به اين برآيند نخواهد بود.

 

 

- - - Updated - - -

 

توليد كاغذ

حالا pulp تميز، آماده براي تبديل به كاغذ مي‌باشد. فيبر بازيافت شده را مي توان به طور تنها يا همراه با فيبر چوبي استفاده كرد. اين كار براي افزايش قدرت و صافي انجام مي‌شود. pulp با اب و مواد شيميايي براي رسيدن مخلوط به 99.5% آب آميخته مي‌شود. اين مخلوط آبكي وارد Heatbox مي‌شود. heatbox جعبه فلزي بسيار بزرگي در ابتداي ماشين كاغذ مي باشد. سپس pulp به روي صفحه تخت بزرگي كه به سرعت از داخل ماشين كاغذ رد مي شود پاشيده مي‌شود (Spray). در روي صفحه، آّب كم كم از درون pulp ناپديد مي شود و فيبرهاي بازيافت شده به سرعت به هم مي‌چسبند و تشكيل صفحات آبكي مي‌دهند. صفحات به سرعت از داخل يك سري غلطك (rollers) پرس كننده عبور خواهند كرد و در آنجا آب بيشتري از آن ها جدا خواهد شد. صفحات كه الان شبيه كاغذ هستند، از داخل يك سري غلطك داغ (فلز آن ها داغ است) عبور مي كنند و خشك مي‌شوند. روكش دار كردن به كاغذ صافي و سطحي جلا دار براي چاپ مي‌دهد.

در انتها كاغذ آماده، دور رول هاي بزرگي پيچانده مي‌شوند و از ماشين كاغذ جدا مي‌شوند. هر كدام از رول ها 30 متر عرض و وزني معادل 20 تن دارند. رول هاي كاغذ به رول هاي كوچكتر جدا مي‌شوند و يا به صفحات كوچك تقسيم مي‌شوند. البته قبل از اينكه به كارگاه تبديل (كه در آنجا به پاكت نامه، جعبه‌هاي مختلف، كيسه‌هاي كاغذي و ... تبديل مي‌شوند) بروند.

 

آيا تمام كاغذها مي توانند بازيافت شوند؟

تقريبا 80% كاغذهايي كه در منزل جدا مي‌شوند به طور قطع مي‌توانند بازيافت شوند. اما 20% بقيه را نمي‌توان در اين چرخه قرار داد. بيشتر بسته هاي كاغذي كه توسط مردم جمع مي‌شود همگي كاغذ نيستند، بلكه مواد زايدي مثل سيم، منگنه، گيره كاغذ، و پلاستيك هستند كه در طي مراحل بالا بايد جدا شوند.

اين مواد مانند آشغال هاي شما در زير خاك مدفون مي‌شوند. كاغذهايي كه در منزل جدا كرده‌ايد شايد شامل فيبرهايي باشد كه از قبل بازيافت شده اند. (شايد دوباره يا چندباره!!) فيبرهاي چوبي 5 الي 7 بار قبل از اين كه كوتاه و شكننده شوند قابل بازيافت خواهند بود.

كاغذهاي جدا شده شامل مواد ديگري كه فيب نمي‌باشند خواهند بود. شما مي‌توانيد به يك مجله نگاه كنيد تا بفهميد منظور ما چيست؟! كاغذهاي چاپ شده پر جوهر. اگر صفحه ها براق باشند، قطعا توسط خاك رس يا مواد ديگر جلا داده شده‌اند (coated). مجله ها همچنين شامل مواد چسبنده‌اي كه موجب مي‌شود كاغذها در كنار هم قرار بگيرند هستند. جوهر، جلا و مواد چسبنده قبل از اين كه كاغذ بازيافت شده به دست آيد از آن پاك مي‌شود.

 

هنگامي كه جوهر از كاغذ برداشته مي‌شود چه بر سر آن مي‌آيد؟

همان طور كه قبلا گفته شد، جوهر و چسب در كف توليد شده در مرحله Flotation deinking گير مي‌كنند. اين مواد همگي جمع مي‌شوند و بيشتر آب آن گرفته مي‌شود و دوباره مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مواد باقيمانده كه هنوز شامل 30 الي 50% آب مي‌باشند همچنين شامل فيبرهاي ريزي مي باشد كه طي فرآيند Deinking از pulp جدا شده است. اين مواد را مي‌توان سوزاند، يا به كود تبديل كرد، يا در زير خاك مدفون كرد. همچنين مي‌توان از آن ها در ساخت بتون يا شن براي آسفالت كردن خيابان ها استفاده كرد. البته بسته به نوع كاغذ روش هاي مختلفي وجود دارد. به طور مثال در روش Deinking به ازاي هر 100000 پوند كاغذ جدا شده، 3500 1وند جوهر، چسب و فيبرهاي كوچك خواهيم داشت.