Производство бумаги: глобальный взгляд на обработку целлюлозы и формирование листа

Бумага, повсеместный материал в современном обществе, играет решающую роль в коммуникации, упаковке и бесчисленном множестве других применений. Эта статья в блоге углубляется в сложный процесс производства бумаги, исследуя преобразование сырья в готовый продукт с акцентом на глобальные вариации и устойчивые методы.

I. Сущность бумаги: понимание целлюлозы

По своей сути бумага — это сеть целлюлозных волокон. Целлюлоза — это природный полимер, обнаруженный в клеточных стенках растений. Источник этих волокон существенно влияет на характеристики конечного бумажного продукта. Общие источники включают:

• Древесина: Наиболее распространенный источник, полученный как из мягкой (например, сосна, пихта), так и из твердой древесины (например, дуб, береза). Волокна мягкой древесины, как правило, длиннее и обеспечивают прочность, в то время как волокна твердой древесины обеспечивают гладкость и лучшую печатаемость.
• Переработанная бумага: Важный элемент устойчивого производства бумаги. Переработанные волокна могут быть включены в различные сорта бумаги, снижая спрос на первичную древесную массу.
• Недревесные волокна: Все более важные, особенно в регионах, где ресурсы древесины ограничены или где требуются определенные свойства бумаги. Примеры включают:
• Бамбук: Быстрорастущая и экологически устойчивая альтернатива, особенно популярная в Азии.
• Хлопок: Используется для высококачественной бумаги, такой как архивные бумаги и банкноты, известные своей прочностью и долговечностью.
• Конопля: Прочный и экологически чистый вариант, набирающий популярность на рынках специальной бумаги.
• Багасса: Волокнистый остаток, остающийся после обработки сахарного тростника, обычно используемый в производстве бумаги в таких странах, как Бразилия и Индия.
• Солома: Пшеничная, рисовая и другая солома могут быть использованы, хотя они часто требуют более интенсивной обработки.

II. Обработка целлюлозы: от сырья до суспензии волокон

Обработка целлюлозы включает в себя отделение целлюлозных волокон от сырья и подготовку их к формованию листа. Этот процесс обычно состоит из нескольких ключевых этапов:

A. Предварительная обработка: подготовка сырья

Первоначальные шаги включают подготовку сырья к варке целлюлозы. Это может включать:

• Окорка (для древесины): Удаление внешней коры с бревен, предотвращение попадания примесей в целлюлозу. Большие окорочные барабаны распространены на многих заводах по всему миру.
• Дробление (для древесины): Нарезка бревен на мелкие однородные щепки для облегчения эффективной варки целлюлозы.
• Очистка (для переработанной бумаги): Удаление загрязнений, таких как скобы, пластик и клеи.
• Измельчение и очистка (для недревесных волокон): Подготовка недревесных волокон путем измельчения их на более мелкие кусочки и удаления примесей, таких как грязь и листья.

B. Варка целлюлозы: освобождение волокон

Варка целлюлозы — это процесс отделения целлюлозных волокон от лигнина (сложного полимера, связывающего волокна вместе) и других компонентов сырья. Существуют два основных метода варки целлюлозы:

1. Механическая варка целлюлозы

Механическая варка целлюлозы полагается на физическую силу для разделения волокон. Она дает высокий выход целлюлозы (около 95%), что означает, что большая часть сырья превращается в целлюлозу. Однако получаемая целлюлоза содержит значительное количество лигнина, который может привести к пожелтению и деградации бумаги со временем. Общие методы механической варки целлюлозы включают:

• Производство древесной массы (GWP): Бревна прижимаются к вращающемуся шлифовальному станку, разделяя волокна. Этот метод обычно используется для производства газетной бумаги.
• Рефайнерно-механическая варка целлюлозы (RMP): Древесные щепки подаются между вращающимися дисками (рафинерами), которые разделяют волокна.
• Термомеханическая варка целлюлозы (TMP): Аналогично RMP, но древесные щепки предварительно нагревают перед рафинированием, что смягчает лигнин и уменьшает повреждение волокон. TMP производит более прочную целлюлозу, чем GWP или RMP.
• Химико-термо-механическая варка целлюлозы (CTMP): Древесные щепки предварительно обрабатываются химическими веществами (например, сульфитом натрия) перед термомеханическим рафинированием. Это дополнительно смягчает лигнин и улучшает качество целлюлозы.

2. Химическая варка целлюлозы

Химическая варка целлюлозы использует химические растворы для растворения лигнина и разделения волокон. Этот метод приводит к более низкому выходу целлюлозы (около 40-50%) по сравнению с механической варкой целлюлозы, но получаемая целлюлоза намного прочнее, ярче и долговечнее. Общие методы химической варки целлюлозы включают:

• Сульфатная варка целлюлозы (сульфатная варка): Наиболее широко используемый процесс химической варки целлюлозы. Древесные щепки варят в растворе гидроксида натрия и сульфида натрия (белый щелок). Отработанный варочный щелок (черный щелок) улавливается и перерабатывается для регенерации химикатов. Сульфатная целлюлоза известна своей прочностью и используется в широком спектре бумажных изделий, включая упаковочную, печатную и писчую бумагу.
• Сульфитная варка целлюлозы: Древесные щепки варят в растворе сернистой кислоты и основания (например, кальция, магния, натрия или аммония). Сульфитная варка целлюлозы производит более яркую целлюлозу, чем сульфатная варка, но получаемая бумага обычно слабее. Этот метод менее распространен, чем сульфатная варка, из-за экологических проблем, связанных с выбросами диоксида серы.
• Содовая варка целлюлозы: Древесные щепки варят в растворе гидроксида натрия. Этот метод в основном используется для варки целлюлозы из недревесных волокон, таких как солома и багасса.

C. Промывка и сортировка: удаление примесей и нежелательных частиц

После варки целлюлозу промывают для удаления остатков химикатов, лигнина и других примесей. Сортировка удаляет любые негабаритные частицы или пучки волокон, которые могут негативно повлиять на качество конечного бумажного листа. Обычно используются вращающиеся экраны и экраны давления.

D. Отбеливание: повышение яркости

Отбеливание используется для увеличения яркости целлюлозы путем удаления или модификации оставшегося лигнина. Доступны различные процессы отбеливания, начиная от методов на основе хлора (которые все чаще выводятся из эксплуатации из-за экологических проблем) и заканчивая методами, не содержащими хлора (например, использование кислорода, озона, перекиси водорода или надуксусной кислоты).

E. Рафинирование: модификация волокон для улучшения свойств

Рафинирование — это важный этап, который модифицирует целлюлозные волокна, чтобы улучшить их характеристики склеивания и улучшить прочность, гладкость и печатаемость бумаги. Рафинеры используют механическое воздействие для фибриллирования внешних слоев волокон, увеличивая их площадь поверхности и гибкость. Это позволяет волокнам более эффективно сцепляться друг с другом во время формирования листа.

III. Формирование листа: от суспензии целлюлозы до бумажного листа

Формирование листа — это процесс преобразования суспензии целлюлозы в непрерывную бумажную ленту. Это обычно достигается с использованием бумагоделательной машины, сложного оборудования, которое выполняет несколько критических функций:

A. Механический короб: равномерное распределение суспензии целлюлозы

Механический короб — это точка входа суспензии целлюлозы на формующую секцию бумагоделательной машины. Его основная функция — равномерно распределять целлюлозу по ширине машины и контролировать поток суспензии на формующую сетку. Существуют различные конструкции механических коробок, но цель состоит в том, чтобы создать равномерную и стабильную струю суспензии целлюлозы.

B. Формовочная секция: удаление воды и переплетение волокон

Формовочная секция — это место, где происходит первоначальное обезвоживание суспензии целлюлозы и где волокна начинают переплетаться, образуя лист. Существует несколько типов формовочных секций, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки:

• Форматор Fourdrinier: Наиболее распространенный тип формовочной секции. Суспензия целлюлозы распыляется на движущуюся проволочную сетку (формовочную сетку). Вода стекает через сетку, оставляя после себя паутину волокон. Различные элементы, такие как фольга и вакуумные ящики, используются для усиления удаления воды.
• Двухсеточный форматор: Суспензия целлюлозы впрыскивается между двумя движущимися проволочными сетками. Вода стекает через обе сетки, в результате чего получается более симметричный лист с улучшенными свойствами. Двухсеточные форматоры обычно используются для высокоскоростного производства бумаги.
• Щелевой форматор: Аналогично двухсеточным форматорам, но суспензия целлюлозы впрыскивается в узкий зазор между двумя формовочными сетками. Это позволяет производить бумагу на очень высокой скорости.

C. Прессовая секция: дальнейшее удаление воды и уплотнение листа

После формовочной секции бумажный лист поступает в прессовую секцию, где он проходит через ряд валков (прессов) для удаления большего количества воды и уплотнения волокон. Прессы оказывают давление на лист, выжимая воду и сближая волокна. Это улучшает прочность, гладкость и плотность листа.

D. Сушильная секция: окончательное удаление воды и стабилизация листа

Сушильная секция — самая большая часть бумагоделательной машины. Она состоит из ряда нагретых цилиндров (сушильных барабанов), через которые проходит бумажный лист. Тепло от цилиндров испаряет оставшуюся воду в листе, уменьшая его влажность до желаемого уровня. Сушильная секция обычно заключена в кожух для утилизации тепла и контроля влажности.

E. Каландровая секция: отделка поверхности и контроль толщины

Каландровая секция состоит из ряда валков, которые используются для сглаживания поверхности бумажного листа и контроля его толщины. Валки оказывают давление на лист, сплющивая волокна и улучшая его глянцевость и печатаемость. Каландрирование также может использоваться для придания определенной отделки поверхности, такой как матовая или глянцевая отделка.

F. Секция намотки: намотка готовой бумаги

Последняя секция бумагоделательной машины — это секция намотки, где готовый бумажный лист наматывается на большой рулон. Затем рулон бумаги транспортируется в секцию переработки, где он разрезается на рулоны или листы желаемого размера.

IV. Устойчивость в производстве бумаги: глобальный императив

Бумажная промышленность сталкивается с растущим давлением, чтобы принять устойчивые методы для минимизации своего воздействия на окружающую среду. Ключевые области внимания включают:

• Устойчивое управление лесами: Обеспечение ответственного управления лесами с использованием методов, которые способствуют биоразнообразию, защищают водные ресурсы и предотвращают обезлесение. Схемы сертификации лесов, такие как Лесной попечительский совет (FSC) и Программа одобрения сертификации лесов (PEFC), гарантируют, что изделия из древесины поступают из лесов, управляемых устойчивым образом.
• Использование переработанных волокон: Увеличение использования переработанных волокон в производстве бумаги снижает спрос на первичную древесную массу и минимизирует отходы. Многие страны установили целевые показатели по содержанию переработанного материала в бумажной продукции.
• Экономия воды: Сокращение потребления воды в процессе производства бумаги за счет эффективных методов управления водными ресурсами и систем замкнутого цикла. Технологии очистки воды используются для очистки и повторного использования технологической воды.
• Энергоэффективность: Снижение энергопотребления в процессе производства бумаги за счет энергоэффективного оборудования и процессов. Системы когенерации, которые производят как электроэнергию, так и тепло, могут повысить энергоэффективность.
• Сокращение использования химикатов: Минимизация использования вредных химикатов в процессах варки целлюлозы и отбеливания. Методы отбеливания без элементарного хлора (ECF) и полностью без хлора (TCF) становятся все более распространенными.
• Управление отходами: Сокращение и переработка отходов, образующихся в процессе производства бумаги. Твердые отходы можно использовать в качестве топлива в системах рекуперации энергии.
• Сокращение углеродного следа: Внедрение стратегий сокращения выбросов парниковых газов от производства бумаги. Это включает использование возобновляемых источников энергии, повышение энергоэффективности и оптимизацию логистики транспортировки.

Разные страны и регионы приняли различные правила и инициативы для содействия устойчивому производству бумаги. Например, схема Ecolabel Европейского союза определяет продукты, которые соответствуют высоким экологическим стандартам на протяжении всего их жизненного цикла. В Северной Америке Инициатива устойчивого лесного хозяйства (SFI) продвигает ответственные методы управления лесами.

V. Инновации в технологии производства бумаги

Бумажная промышленность постоянно развивается, и продолжаются исследования и разработки, направленные на повышение эффективности, снижение воздействия на окружающую среду и улучшение свойств бумаги. Некоторые ключевые инновации включают:

• Наноцеллюлоза: Использование наноцеллюлозы, материала, полученного из древесной массы, для повышения прочности и других свойств бумаги. Наноцеллюлозу также можно использовать в других областях, таких как упаковка и биомедицинские материалы.
• Цифровизация и автоматизация: Внедрение передовых систем автоматизации и управления для оптимизации работы бумагоделательной машины и повышения эффективности. Это включает в себя использование датчиков, анализа данных и искусственного интеллекта для мониторинга и управления процессом производства бумаги.
• Специальная бумага: Разработка новых типов специальной бумаги с уникальными свойствами для конкретных применений, таких как проводящая бумага для электроники, барьерная бумага для упаковки и декоративная бумага для мебели и дизайна интерьера.
• 3D-печать с использованием бумаги: Изучение использования бумаги в качестве материала для 3D-печати, открывающее новые возможности для создания сложных и нестандартных объектов.
• Био-покрытия: Разработка био-покрытий для бумажной упаковки для улучшения барьерных свойств и уменьшения зависимости от материалов на основе ископаемого топлива.

VI. Глобальный рынок бумаги: тенденции и перспективы

Глобальный рынок бумаги — это большой и разнообразный рынок со значительными различиями в моделях производства и потребления в разных регионах. Азия является крупнейшим регионом по производству и потреблению бумаги, чему способствует рост таких экономик, как Китай и Индия. Северная Америка и Европа также являются крупными рынками бумаги, но их потребление снижается в некоторых сегментах из-за все более широкого использования электронных средств массовой информации.

Основные тенденции на мировом рынке бумаги включают:

• Растущий спрос на упаковочную бумагу: Обусловленный расширением электронной коммерции и расширением использования упакованных товаров.
• Снижение спроса на печатную и писчую бумагу: Из-за увеличения использования электронных средств массовой информации и цифровой связи.
• Растущий спрос на экологичные бумажные изделия: Обусловленный растущей осведомленностью потребителей об экологических проблемах и растущим принятием устойчивой политики закупок предприятиями и правительствами.
• Региональные различия в спросе: С более быстрым ростом на развивающихся рынках по сравнению с развитыми странами.

VII. Заключение: непреходящая важность бумаги

Несмотря на рост цифровых технологий, бумага остается важным материалом в современном обществе. От коммуникации и упаковки до гигиены и специальных применений — бумага играет жизненно важную роль в нашей повседневной жизни. Процесс производства бумаги, хотя и сложный, постоянно развивается, чтобы стать более эффективным, устойчивым и инновационным. Понимая тонкости обработки целлюлозы и формирования листа, а также применяя устойчивые методы, мы можем гарантировать, что бумага продолжит оставаться ценным и экологически ответственным ресурсом для будущих поколений. По мере развития технологий и изменения мировых рынков бумажная промышленность должна продолжать адаптироваться, внедрять инновации и уделять приоритетное внимание устойчивому развитию, чтобы оставаться актуальной и конкурентоспособной в предстоящие годы.