تهیه خمیرکاغذ از ساقه پنبه به روش سودا

بررسی امکان تهیه خمیر کاغذ از ساقه پنبه به روش سودا

چکیده

ضایعات حاصل از برداشت محصولات کشاورزی، ساقه محصولاتی همانند کاه گندم، کاه برنج، ساقه پنبه، ساقه ذرت، ساقه آفتاب گردان، تنباکو و حبوبات و کلزا و ... می باشند. ساقه این محصولات بین 55%-35% محتوی الیاف مورد استفاده برای صنایع کاغذ سازی می باشد که هم ارزش با محتوی الیاف گونه های درختان پهن برگ می باشد. به منظور تعیین خصوصیات الیاف، خواص شیمیایی و خمیر کاغذ دهی ساقه پنبه بررسی های زیر به عمل آمد: در بررسی خصوصیات الیاف ، میانگین طول الیاف ، قطر کلی الیاف ، قطر حفره سلولی، و ضخامت دیواره سلول به ترتیب برابر با 839 ، 47/24 ، 43/16 و 02/4 میکرون اندازه گیری شد. بر اساس اندازه گیری های انجام گرفته ضریب در هم رفتگی ، ضریب انعطاف پذیری و ضریب مقاومت در برابر پاره شدن به ترتیب برابر با 28/34 ، 14/67 و 93/48 محاسبه شد. میانگین مقدار سلولز83/47% ، لیگنین 66/21%، مواد استخراجی محلول در الکل – استن 13/2% و خاکستر ساقه پنبه 83/2% اندازه گیری شد. خشک ساقه پنبه برابر با 42/0 گرم بر سانتی متر مکعب و جرم مخصوص بحرانی 39/0 گرم بر سانتی متر مکعب اندازه گیری شد. درصد پوست در ساقه پنبه به میزان 34/27% محاسبه گردید. در بررسی خواص خمیر کاغذ دهی از ساقه پنبه با پوست و بدون پوست، درجه حرارت پخت 140 ، 160 و 180 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 ، 40 و 50 دقیقه و به روش سودا استفاده شده است. نسبت مایع پخت 5 به 1 و قلیائیت فعال 20% به طور ثابت در تمام مراحل تهیه خمیر کاغذ در نظر گرفته شد.

بیشترین میزان بازده برابر با 80/61 درصد در شرایط پخت ساقه پنبه با پوست ، درجه حرارت 140 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 دقیقه به دست آمد . در این شرایط پخت عدد کاپا به میزان7/114 اندازه گیری شد. اثر تغییرات زمان و درجه حرارت پخت روی بازده خمیر کاغذ حاصله چشمگیرتر از تغییرات حاصل از نحوه بکارگیری ماده خام می باشد.بطوریکه اثر ماده اولیه با پوست و بدون پوست برروی راندمان خمیر کاغذ حاصله چندان محسوس نبود. ولی انتخاب زمان و دمای پخت متفاوت تاءثیر محسوس روی بازده خمیر حاصله می گذارد. لذا شرایط تهیه نحوه بکارگیری ساقه پنبه بدون پوست ، دمای پخت 160 درجه سلسیوس و زمان پخت 40 دقیقه پیشنهاد می گردد. در این شرایط تهیه خمیر کاغذ سودا میزان بازده 4/50% و کاپا 15/89 می باشد.

کلیدی : ساقه پنبه ، خمیرکاغذ، سودا، بازده، کاپا

مقدمه

از آنجائیکه ماده خام داخلی مورد نیاز برای صنایع کاغذ کشور در حال کاهش روزافزون است، و از طرفی استفاده حداکثر از منابع ماده اولیه سلولزی موجود عاملی در جهت تحقق اهداف اقتصادی می باشد ، لذا لازم است در مورد انواع مواد خام داخلی مناسب برای این صنعت بررسی به عمل آید.

پنبه در جهان یکی از مهمترین محصولات استراتژیک کشاورزی به شمار می رود. این محصول که اغلب تحت شرایط بسیار متفاوت طبیعی و اقتصادی در نقاط مختلف دنیا کشت و تولید می شود به عنوان یک کالای حیاتی مورد نیاز تمام افراد بشر بوده و کاربرد روزمره دارد، تا جائیکه به آن نام " طلای سفید " داده اند. پنبه گیاهی است که منبع الیاف و منشاء غذا برای انسان و دام است . گیاه پنبه بوته ای ، چوبی ، چند ساله و گرمسیری است که امروزه به عنوان یک گیاه یکساله در سراسر جهان کشت می شود. بیش از 30 میلیون هکتار زمین زیر کشت پنبه بین 47 درجه عرض شمالی و 32 درجه عرض جنوبی قرار دارد و بالغ بر 50% تولید آن از مناطقی حاصل می شود که در بالای 30 درجه عرض شمالی قرار دارند (11).

از سال 1930 اصلاح پنبه آپلند G.hirsutum که گونه مناسب صنایع نساجی مدرن است در فیلستان واقع در منطقه ورامین آغاز شد و بتدریج این گونه جایگزین گونه های قدیمی تر گردید

در ایران تحقیق در ارتباط با استفاده از ضایعات کشاورزی جهت ساخت کاغذ از سال 1355 آغاز شده است.

یعقوب زاده (1355) در مقاله خود با عنوان "بررسی مهمترین منابع لیگنوسلولزی ایران و ارزش یابی فنی آن جهت خمیر کاغذ و مقوا " نتایج حاصل از تجزیه شیمیایی هفت نوع از ضایعات کشاورزی را ارائه داده است، در این تحقیق نامبرده خصوصیات شیمیایی ساقه آفتاب گردان ، نی ، ساقه ذرت دامی ، ساقه ذرت خوراکی ، کاه برنج ، کاه جو و کاه گندم را گزارش کرده است . بیشترین میزان سلولز مربوط به کاه جو با 3/53% و کمترین میزان مربوط به ساقه ذرت خوراکی با 91/34% می باشد

ایزد یار (1377) در بررسی خود با عنوان " بررسی مناسب ترین شرایط خمیر کاغذ سازی پخت سودا برای ساقه آفتاب گردان منطقه گرگان " ، طول الیاف ساقه آفتاب گردان را 88/1178 میکرون ، سلولز 52/47% ، لیگنین 66/22% ، خاکستر 52/7% و مواد استخراجی محلول در الکل _ استن را 35/5% گزارش کرده است . نامبرده بهترین شرایط پخت را زمان 50 دقیقه ، قلیائیت 18% ، حرارت 165 درجه سلسیوس و نسبت مایع پخت به ماده اولیه را 6 به 1 اعلام کرده است.

پور طاهریان (1375) بررسی بر روی خواص آناتومیکی و شیمیایی و خواص خمیر دهی کاه گندم به روش سودا را انجام داد. که اپتیمم شرایط پخت را حرارت 170 درجه سلسیوس ، زمان پخت 60 دقیقه ، قلیائیت فعال 20% و نسبت مایع پخت به ماده اولیه را 2 به 1 اعلام که در این شرایط راندمان 4/58% و کاپا 4/65 حاصل شد.

جهان لتیباری و همکاران (1375) ویژگی های کاغذ سازی ساقه ذرت را مورد بررسی قرار دادند. در این بررسی توسط روش سودا و کرافت اقدام به ساخت خمیر کاغذ شد . طول الیاف ساقه ذرت 91/0 میلی متر گزارش شده است . ترکیبات شیمیایی شامل سلولز 66/44% ، لیگنین 24/21% و خاکستر 5/5% می باشد . شرایط پخت سودا شامل درجه حرارت 165 درجه سلسیوس ، زمان پخت 30 دقیقه و قلیائیت فعال 14% بر مبناء NAOH بوده و نسبت مایع پخت به ساقه 6 به 1 انتخاب شد. بازده خمیر در این شرایط پخت 5/40% و کاپا 9/64 تعیین شد.

روح نیا (1377) تولید خمیر کاغذ از پوست دانه آفتاب گردان به روش سودا مورد بررسی قرار داد. طول الیاف 89/0 میلی متر و ترکیبات شیمیایی پوست دانه آفتاب گردان شامل سلولز 5/40% ، لیگنین 5/30% ، خاکستر 33/3% و مواد استخراجی محلول در الکل استن 93/1% تعیین کرد. بازده و عدد کاپا در بهترین شرایط درجه حرارت 165 درجه سانتی گراد و قلیائیت فعال 16% بر مبناء NAOH به ترتیب 7/55% و 96/74% بدست آمد.

سروش (1383) در بررسی خود با عنوان " بررسی تاءثیر استفاده از خمیر کاغذ سودای ساقه پنبه بر کیفیت حاصل از خمیر باز یافتی کاغذهای بسته بندی باطله" با توجه به دامنه تغییرات بازده و راندمان از پخت های مختلف ، مناسب ترین پخت را قلیائیت 20% ، زمان پخت 90 دقیقه با راندمان 41% را برای اختلاط با خمیر کاغذ باز یافتی را مطلوب گزارش کرده است.

سلیمانی (1355) مطالعه ای با عنوان " بررسی بیومتری الیاف منابع لیگنوسلولزی ایران از نظر کاغذ سازی " انجام داد. این بررسی بر روی ذرت دامی ، ساقه آفتاب گردان ، نی ، کاه گندم ، و کاه برنج انجام و خصوصیاتی شامل : میانگین طول فیبر ، قطر فیبر ، قطر حفره مرکزی ، ضخامت دیواره فیبر و ضریب نرمش ، مقاومت به پارگی و درهم رفتگی را تعیین کرد. مطالعات بیومتریک نشام می دهد که ضرایب در هم رفتگی و انعطاف پذیری این منابع خوب است و میتوان کاغذهایی با مقاومت های کشش و تا خوردن و ترکیدن خوب ساخت. عدد رانکل در مورد برنج کم می باشد در حالیکه ذرت خوراکی بیشترین ضریب نرمش را دارا می باشد.

شفیع زاده ( 1378) در بررسی امکان استفاده از خمیر سودا و NSSC ساقه پنبه برای تولید کاغذ فلوتینگ در صنایع چوب و کاغذ مازندران ، اعلام نموده است با جایگزینی حدود 20% از خمیر ساقه پنبه به جای خمیر NSSC مخلوط پهن برگان در مصرف حدود 70-60 هزار متر مکعب چوب در سال صرفه جویی می شود. وی بهترین شرایط پخت سودا را قلیائیت فعال 5/16% ، زمان پخت 90 دقیقه ، حرارت 170 درجه سلسیوس و نسبت مایع پخت به ماده اولیه را 7 به 1 اعلام که بازده آن 68% و کاپا 3/136 می باشد.

شکوئی (1376) مطالعه ای با عنوان " بررسی مقایسه ای دو فرایند سودا و کرافت در پخت ساقه پنبه " انجام داد. نامبرده طول الیاف ساقه پنبه را 9/0 میلی متر ، ترکیبات شیمیایی شامل سلولز 5/53% ، لیگنین 33/27% ، خاکستر 2/1% و مواد استخراجی محلول در الکل – استن را 67/8% گزارش کرده است وی مناسب ترین شرایط پخت را مصرف سود 16% ، زمان پخت 25 دقیقه و درجه حرارات پخت را 165 درجه سلسیوس و نسبت مایع پخت به چوب را 6 به 1 اعلام نموده است. در این شرایط پخت بازده خمیر 18/55% و کاپا 1/106 گزارش کرده است.

عزیزی موصلو (1379) بررسی بر روی ویژگی خمیر سودا از کاه گندم جهت تولید مقوا و ارزیابی تاءثیر درجات اختلاط کاغد باطله ، درجه حرارت پخت 170 درجه سلسیوس ، نسبت مایع پخت به ماده اولیه را 8 به 1 ، زمان پخت 30 دقیقه ، قلیائیت فعال 14% را شرایط پخت اپتیمم اعلام که راندمان 1/65% و کاپا 4/74 حاصل شد.

) Kilphner1991 ) مقاله ای تحت عنوان " لزوم کیفیت و حمل ونقل برای الیاف خام غیر چوبی خریداری شده " منتشر کرد که در آن اشاره به تهیه خمیر کاغذ های مختلف از مواد غیر چوبی متداول مانند آباکا ، پنبه ، کنف ، الیاف گیاهان دانه های روغنی ، پارچه های کتان و سیزال داردو اشاره می کند که خمیرها به طریقی باید تهیه شوند که از نقطه نظر اقتصادی تهیه خمیر قابل قبول باشد.

Assumpcao (1991) در مقاله خود تحت عنوان " استفاده از الیاف غیر چوبی در فعالیت های تهیه خمیر و کاغذ " بیان می کند که در سال 1988 کشورهای در حال توسعه 88% کل محصولات بدست آمده از الیاف غیر چوبی را تولید کردند کشورهایی نظیر چین و هندوستان بیشترین مقدار خمیر و کاغذ خود را در کارخانه هایی کوچک با ظرفیت کمتر از 1000 تن در سال تولید می کنند. در چین سالیانه 9 میلیون تن خمیر کاغذ از منابع مختلف سلولزی تولید می شود که 75% آن از منابع سلولزی غیر چوبی است . در چین استفاده از منابع سلولزی غیر چوبی در جهت تامین خمیر کاغذ به منظور توسعه صنایع کاغذ سازی از اهمیت خاصی برخوردار است. نی ، کاه و ضایعات پنبه ، کنف و کتان از مهمترین منابعی هستند که در چین به مقیاس وسیع استفاده می شوند ، بعلاوه باگاس و بامبو نیز اخیرا" مورد توجه قرار گرفته اند.

Baharti و همکاران (1996) ویژگی های آناتومیکی و شیمیایی ساقه پنبه را مورد بررسی قرار دادند و اعلام داشتند که ساقه پنبه هم بافت آبکشی و هم فیبر مغزی دارد ، همچنین دارای بیش از 4/72% سلولز و همی سلولز و کمتر از 5/19% لیگنین دارد که وجود سلول های پوست همراه الیاف آبکش در ساخت خمیر رنگبری شده مشکلاتی را ایجاد می کند.

Goyal و همکاران (1991) در مقاله ای با عنوان: مقایسه جنبه اقتصادی تولید خمیر از ساقه غلات به روش سودا و سودا آنتراکینون ارائه نمودند. آنها در تحقیق خود از کاه گندم و کاه برنج به دو روش فوق خمیر کاغذ تهیه کردند و در نتیجه برای هر دو گونه فرایند سودا آنتراکینون با مصرف 1/0 درصد آنتراکینون را پیشنهاد کردند.

Hunter )1989) در مقاله خود با عنوان برخی ملاحضات اقتصادی در اجراء یک طرح تهیه خمیر و کاغذ از الیاف غیر چوبی آورده است: تولید خمیر کاغذ از الیاف غیر چوبی بخصوص در کشورهای روبه توسعه که موجودی چوب آنها کم است یا فاقد منابع چوبی هستند موضوع بسیار جذابی به نظر می رسد. در این مقاله هانتر اشاره دارد که انجام پروژه ها دهها میلیون دلار هزینه دارد بنابر این مواد خام باید سالیانه در مقیاس ثابت و مشابه در دسترس باشند و به هزینه هایی از قبیل جمع آوری محصول و انتخاب آن ، حمل ونقل ، آماده سازی الیاف و انبار کردن آنها توجه زیاد معطوف گردد. به عنوان مثال اگر نی به شدت مورد برداشت قرار گیرد امکان تجدید رشد آن کم است و این نظر همینطور در مورد رشد و برداشت سایر محصولات غیر چوبی نظیر باگاس و کاه برنج به شکل دیگری وجود دارد. برای تولید 1 تن خمیر سفید شده حدود 3.9 تن کاه برنج مورد نیاز است.

Jahan (2003) مطالعه ای را روی خصوصیات کاغذ حاصل از خمیر ساقه پنبه و جوت طی پنج بار بازیافت مطالعه کرد. اندیس پارگی خمیر ساقه پنبه طی دو مرحله بازیافت تغییر معنی داری را نشان نداده است.

Jasingam (1990) در مقاله خود بیان داشته: تولید تجارتی کارخانه هائیکه از الیاف غیر چوبی نظیر باگاس و کنف برای تولید کاغذ روزنامه استفاده می کنند از دهه 1970 آغاز شده است.

Jimenez و همکاران (1993) از دانشگاه کوردوبای اسپانیا مقاله ای با عنوان ارزیابی ضایعات کشاورزی برای ساخت کاغذ منتشر کردند. در این بررسی مشخصات شیمیایی و بازده خمیر حاصل از سرشاخه های زیتون ، کاه گندم ، ساقه آفتاب گردان ، سرشاخه های مو و ساقه پنبه مورد بررسی قرار گرفت. ضایعات نامبرده به روش سودا با شرایط یکسان شامل درجه حرارت 148 درجه سلسیوس ، زمان پخت 60 دقیقه و نسبت مایع پخت به ماده اولیه 6 به 1 بود. بازده خمیرهای حاصله نشان داد که بیشترین میزان بازده مربوط به ساقه پنبه و کمترین میزان آن مربوط به ساقه آفتاب گردان و کاه گندم است. مناسب ترین ماده برای تولید کاغذ کاه گندم و نامناسبترین سرشاخه های مو می باشد. همچنین خمیر ساقه پنبه کمترین میزان لیگنین زدایی را داشت.

Mona.Ali( 2001) و همکاران با استفاده از فرایند سودا آنتراکینون از ساقه پنبه مصری و آمریکایی خمیر کاغذ تهیه کردند. در یک قلیائیت ثابت 18% هر دو نوع خمیر عدد کاپای مشابهی داشتند.

یونیدو سازمان توسعه صنعتی کشورها در سال 1966 آغاز به کار کرد و تا به امروز 154 طرح در ارتباط با تهیه خمیر کاغذ را تصویب و اجرا نموده است ، اعلام کرده که 70% این طرح ها در ارتباط با تهیه خمیر از الیاف غیر چوبی می باشد. در این راستا هدف دستیابی به شرایط و خصوصیاتی است که با استفاده از آنها از ساقه پنبه که بخش عمده ای از گیاه پنبه می باشد، بتوان به صورت مناسبی در صنایع خمیر و کاغذ استفاده نمود.

مواد و روش ها

نمونه های ساقه پنبه از مزارع پنبه در اطراف شهرستان گرگان ، منطقه سرخنکلاته جمع آوری شد. جهت اندازه گیری ابعاد الیاف از طریق جدا سازی با روش فرانکلین (1945) مخلوط آب اکسیژنه و اسید استیک به نسبت مساوی استفاده گردید. برای اندازه گیری وزن مخصوص خشک و بحرانی طبق روش ارشمیدس و خشک کردن در اتو با حرارت 2-+103 درجه سلسیوس و به مدت 24 ساعت انجام شد. جهت اندازه گیری درصد پوست و چوب ساقه پنبه 100 گرم خرده چوب مرطوب پوست کنی و پوست و چوب بطور جداگانه در اتو با حرارت 2-+103 خشک و سپس توزین و درصد پوست و چوب ساقه پنبه اندازه گیری شد. برای اندازه گیری ترکیبات شیمیایی ساقه پنبه و عدد کاپا با استفاده از استانداردهایTAPPI انجام شد.

عوامل متغیر در تهیه خمیر کاغذ به روش سودا:

1- نوع بکارگیری ماده خام: در دو سطح ساقه پنبه باپوست و بدون پوست.

2- درجه حرارت پخت: در سه سطح 140، 160 و 180 درجه سلسیوس.

3- زمان پخت: در سه سطح 30، 40 و 50 دقیقه.

ترکیب عوامل فوق 18 سطح از شرایط را ایجاد که در سه تکرار انجام و در کل 54 پخت انجام گردید.

طرح آماری :

برای تعیین مشخصات الیاف و خواص شیمیایی با استفاده از روش میانگین و انحراف از معیار استفاده شد. و برای تعیین خواص خمیر کاغذدهی از طرح فاکتوریل در قالب طرح بلوک کامل تصادفی( 3 بلوک) انجام شد. تجزیه و تحلیل نهایی با استفاده از آزمون دانکن و روش تجزیه واریانس با استفاده از نرم افزار MSTAT-C انجام شد و بدین جهت اثرات مستقل و متقابل هر یک از عوامل متغییر بر خواص مورد مطالعه یعنی بازده و عدد کاپا در سطح 99% انجام شد.

نتایج

مشخصات الیاف:

ابعاد الیاف بویژه طول الیاف و قطر کلی الیاف از ویژگی های مهم الیاف در فرایندهای تهیه خمیر الیاف می باشد. طول الیاف می تواند یکی از عوامل کنترل کننده در جهت یابی الیاف در کاغذ حاصله به شمار آید، بدین ترتیب که الیافی که طول کوتاه تر دارند قادرند در جهت عمودی و یا در جهت Z کاغذ حاصله قرار گیرند. نتایج حاصل از اندازه گیری ابعاد الیاف و ضرایب کاغذ سازی در جدول شماره 1 آورده شده است.

جدول شماره 1: میانگین ابعاد الیاف و ضرایب کاغذ سازی ساقه پنبه

طول الیاف برابر با 839 میکرون برای ساقه پنبه منطقه سرخنکلاته بدست آمد . روح نیا (6) طول الیاف پوست دانه آفتاب گردان را 89/0 میلی متر ، ایزد یار(2) میانگین طول الیاف ساقه آفتاب گردان را 88/1178 میکرون ، جهان لتیباری (5) طول الیاف ساقه ذرت را 917 میکرون ، کاشانی (12) میانگین طول الیاف کاه گندم را 52/1 و کاه برنج را 35/1 میلی متر و نیز شکوئی (10) میانگین طول الیاف ساقه پنبه از منطقه قرن آباد گرگان را 910 میکرون ، قطر فیبر آن را 27/28 میکرون ، قطر حفره سلولی را 31/22 میکرون و ضخامت دیواره سلولی را 18/3 میکرون گزارش کرده است .

نتایج حاکی از آن است که غیر چوبی ها دارای طول الیاف مناسب جهت استفاده در فرایندهای پخت خمیر دارند. با استفاده از اندازه گیری های بدست آمده ، ضرایب کاغذ سازی الیاف ساقه پنبه نیز محاسبه گردید.

نسبت طول الیاف به قطر کلی الیاف که به ضریب در هم رفتگی موسوم است فاکتور مهم دیگری است که در کیفیت مقاومت مکانیکی کاغذ حاصله تاءثیر دارد.این ضریب که بین 150-20 متغییر می باشد ، هر چه میزان آن بیشتر باشد مقاومت مکانیکی کاغذ حاصله نیز بیشتر خواهد بود. میزان این ضریب در ساقه پنبه مورد مطالعه برابر با 28/34 می باشد که نشان دهنده میزان در هم رفته گی پائین می باشد.ضریب نرمش یا انعطاف پذیری 14/67 محاسبه گردید ، با توجه به اینکه این ضریب بین 90-5 متغییر می باشد می توان اظهار کرد که الیاف ساقه پنبه دارای ضریب نرمش مطلوب می باشد. ضریب رانکل یا ضریب مقاومت در برابر پاره شدن 93/48 می باشد. این ضریب بین 100- 0 متغییر می باشد، می توان اظهار کرد که الیاف ساقه پنبه دارای مقاومت به پاره شدن تقریبا" مناسب می باشند.

وزن مخصوص خشک و بحرانی و درصد پوست و چوب ساقه پنبه

نتایج حاصل از اندازه گیری وزن مخصوص خشک و بحرانی نشان می دهد که وزن مخصوص خشک ساقه پنبه برابر با 42/0 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد و از این لحاظ دارای وزن مخصوص خشک پائین و جزء چوبهای بسیار سبک(5/0 – 4/0 گرم بر سانتی متر مکعب) محسوب می گردد. جرم مخصوص بحرانی آن نیز 39/0 گرم بر سانتی متر مکعب اندازه گیری شد. ایزدیار(2) دانسیته خشک ساقه آفتاب گردان را 398/0 گرم بر سانتی متر مکعب و شکوئی(10) دانسیته خشک ساقه پنبه منطقه قرن آباد را 41/0 گرم بر سانتی متر مکعب اعلام نموده است.

نتایج اندازه گیری میزان پوست و چوب ساقه پنبه نشان می دهد که ساقه پنبه دارای 34/27% پوست
می باشد. در مقایسه با نسبت پوست درختان 5-10% نشان می دهد که میزان پوست در ساقه پنبه به مراتب بیشتر از میزان پوست در درختان است.

ویژگی های شیمیایی

نتایج اندازه گیری ترکیبات شیمیایی ساقه پنبه در جدول شماره 2 آورده شده است.

جدول شماره2: میانگین ترکیبات شیمیایی تشکیل دهنده ساقه پنبه

خاکستر (%)	مواد استخراجی محلول در الکل- استن (%)	لیگنین (%)	سلولز (%)
21/0-+83/2	43/0-+13/2	3/1-+66/21	87/0-+83/47

سلولز جزء اصلی چوب بوده و تعیین میزان آن به لحاظ شناخت خصوصیات کاربردی یک گونه چوبی ویا ماده خام لیگنوسلولزیک ضروری می باشد. میزان آن در ساقه پنبه پوست کنی شده برابر با 83/47% اندازه گیری شد که نشان دهنده مطلوبیت آن به عنوان ماده خام برای صنایع تبدیل شیمیایی می باشد. روح نیا (6) میزان سلولز پوست دانه آفتاب گردان را 5/40% ، ایزدیار (2) سلولز ساقه آفتاب گردان را 52/47% و شکوئی (10) میزان سلولز ساقه پنبه از منطقه قرن آباد را 5/53% گزارش نموده اند.

ویژگی های خمیر کاغذ دهی

بازده خمیر کاغذ:

در نتیجه ترکیب شرایط فاکتور نوع بکارگیری ماده خام در دو سطح ساقه پنبه با پوست و ساقه پنبه بدون پوست ، فاکتور دمای پخت در سه سطح 140 ، 160 و 180 در جه سلسیوس و فاکتور زمان پخت در سه سطح 30 ، 40 و 50 دقیقه ، 18 نوع شرایط ایجاد شده است که در سه تکرار انجام گردید، نتایج در جدول شماره 3 آورده داده شده است.

جدول شماره 3: میانگین بازده و گروه بندی دانکن برای شرایط متفاوت

گروه بندی دانکن (سطح اعتماد99%)	میانگین بازده ( % )	زمان پخت ( دقیقه)	دمای پخت ( درجه سلسیوس )	نحوه بکارگیری ماده خام
A A B	80/61 20/61 54	30 40 50	140	باپوست
C CD E	80/51 20/51 49	30 40 50	160
F G I	80/44 00/43 00/32	30 40 50	180
A A B	60/61 80/60 60/53	30 40 50	140	بدون پوست
CD D E	40/51 40/50 00/48	30 40 50	160
H I J	00/41 80/33 80/27	30 40 50	180

با توجه به نتایج به دست آمده مشخص می گردد که میانگین بازده خمیر کاغذ حاصله در سطح 99% با یکدیگر اختلاف معنی داری دارند. بیشترین میزان بازده مربوط به ساقه پنبه با پوست، دمای پخت 140 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 دقیقه می باشد که برابر با 80/61% می باشد و در گروه بندی دانکن در گروه (A) قرار دارد. کمترین میزان بازده مربوط به ساقه پنبه بدون پوست، دمای پخت 180 درجه سلسیوس و زمان پخت 50 دقیقه می باشد که در این شرایط میزان بازده برابر با 80/27% و در گروه بندی الفبایی دانکن در گروه (J) قرار می گیرد.

محاسبات آماری تجزیه واریانس که در جدول شماره 4 آورده شده است نشان می دهد که اثرهای مستقل و متقابل فاکتورهای فوق در سطح اعتماد 99% معنی دار می باشد. ضریب تغییرات برابر با 12/1% محاسبه گردید که نشان دهنده قابل قبول بودن این آزمایش می باشد.

جدول شماره 4: تجزیه واریانس بازده خمیر کاغذ تهیه شده از ساقه پنبه

جدول 0.1%F	محاسبه F	میانگین MSمربعات	مجموع مربعات SS	درجه آزادی d.f	منابع تغییر S.O.V
29/5 44/7 29/5 29/5 29/5 29/5 93/3 93/3 --	7576/23 8640/250 8184/7175 7282/150 7428/1007 6288/15 9026/123 6481/12 --	094/7 907/74 283/2137 007/45 907/300 667/4 997/36 777/3 299/0	188/14 907/74 573/4274 013/90 813/601 333/9 987/147 107/15 152/10	2 1 2 2 2 2 4 4 34	بلوک فاکتورA (ماده اولیه ) فاکتورB (دمای پخت) اثرمتقابلAB (ماده اولیه +دمای پخت) فاکتورC (زمان پخت) اثر متقابلAC (ماده اولیه +زمان پخت) اثر متقابBCل(دمای پخت + زمان پخت) اثر متقابلABC (ماده اولیه+دما + زمان پخت) خطا
ضریب تغییرات CV= 12/1%			073/5237	53	کل

نتایج بررسی تاءثیر شرایط تهیه خمیرکاغذ بر بازده نشان می دهد که عواملی که اثر تخریبی بر ساقه پنبه دارند تاثیر منفی بر بازده نیز دارند. در اثر زیاد شدن دما و زمان پخت که اثر تخریبی بر ترکیبات تشکیل دهنده ساقه پنبه دارند میزان بازده بطور معنی داری کم شده است.

عامل پوست در تهیه این نوع خمیر چندان محسوس نبوده و در شرایط پخت یکسان یعنی دمای پخت 140 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 دقیقه و با ساقه پنبه بدون پوست میزان بازده برابر با 60/61% بوده و در گروه بندی الفبایی دانکن نیز در گروه (A قرار می گیرد. شفیع زاده (9) بهترین شرایط پخت مخلوط خمیرهای سودا وNSSC ساقه پنبه را برای تولید کاغذ فلوتینگ را قلیائیت فعال 5/16% ، زمان 90 دقیقه ، حرارت 170 درجه سلسیوس و نسبت مایع پخت 7 به 1 اعلام که بازده 68% و کاپا 3/136 را به دست آورده است . پورطاهریان (3) برای تهیه خمیر سودا از کاه گندم بهترین شرایط پخت را حرارت 170 درجه سلسیوس ، زمان پخت 60 دقیقه ، قلیائیت فعال 20% و نسبت مایع پخت را 20 به 1 اعلام که راندمان خمیر در این شرایط برابر با 4/58% و کاپا 4/65 گزارش شده است.

شکوئی (10) بهترین شرایط پخت خمیر سودا از ساقه پنبه از منطقه قرن آباد را قلیائیت 16%، زمان پخت 25 دقیقه و حرارت پخت 165 درجه سلسیوس و نسبت مایع پخت 6 به 1 اعلام و راندمان در این شرایط برابر با 18/55% و کاپا 1/106 بدست آورد. روح نیا (6) برای تولید خمیر از پوست دانه آفتاب گردان بهترین شرایط پخت سودا را قلیائیت فعال 16%، حرارت پخت 165 درجه سلسیوس و نسبت مایع پخت 6 به 1 اعلام که راندمان 7/55% و کاپا 96/74 می باشد. عزیزی (13) برای تهیه خمیر سودا از کاه گندم شرایط حرارت پخت 170 درجه سلسیوس ، زمان پخت 30 دقیقه ، قلیائیت فعال 14% و نسبت مایع پخت 8 به 1 را انتخاب که میزان راندمان بدست آمده در این شرایط برابر با 1/65% و کاپا 4/74 می باشد. ایزدیار (2) برای تهیه خمیر سودا از ساقه آفتاب گردان ، بهترین شرایط پخت را حرارت پخت 165 درجه سلسیوس، زمان 50 دقیقه ، قلیائیت 18% و نسبت مایع پخت 6 به 1 را اعلام که میزان بازده خمیر در این شرایط برابر با 78/54% و کاپا 82/93 می باشد.

عدد کاپا:

در نتیجه ترکیب شرایط فاکتور نحوه بکارگیری ماده خام در دو سطح ساقه پنبه با پوست و ساقه پنبه بدون پوست، فاکتور دمای پخت در سه سطح 140، 160 و 180 درجه سلسیوس و فاکتور زمان پخت در سه سطح 30 ، 40 و 50 دقیقه ، کلا" 18 سطح از ترکیب شرایط بدست آمد. میانگین محاسبات در جدول شماره 5 آورده شده است.

بیشترین میزان عدد کاپای خمیر کاغذ حاصله از ساقه پنبه مربوط به شرایط تهیه نحوه بکارگیری ساقه پنبه باپوست ، دمای پخت 140 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 دقیقه می باشد که برابر با 7/114 می باشد . و در گروه بندی الفبایی دانکن در گروه (A ) قرار می گیرند و کمترین میزان عدد کاپا مربوط به شرایط تهیه ساقه پنبه بدون پوست ، دمای پخت 180 درجه سلسیوس و زمان پخت 50 دقیقه می باشد که برابر با 32/64 می باشد و در گروه بندی دانکن در گروه (J ) قرار می گیرند.نتایج بررسی تاءثیر شرایط تهیه خمیر کاغذ از ساقه پنبه بر عدد کاپا نشان می دهد که عوامل مخرب بر ساقه پنبه یعنی دما و زمان پخت تاءثیر منفی بر عدد کاپا داشته اند و در اثر زیاد شدن میزان این عوامل میزان لیگنین زدایی نیز بیشتر می شود و عدد کاپا کاهش می یابد.

جدول شماره 5: میانگین عدد کاپا و گروه بندی دانکن برای شرایط متفاوت.

گروه بندی دانکن (سطح اعتماد99%)	میانگین کاپا	زمان پخت ( دقیقه)	دمای پخت ( درجه سلسیوس )	نحوه بکارگیری ماده خام
A C F	7/114 107 75/94	30 40 50	140	با پوست
C D G	108 4/100 89	30 40 50	160
E EF H	92/96 93/95 04/83	30 40 50	180
B D G	2/111 4/100 47/88	30 40 50	140	بدون پوست
C G I	4/108 45/89 81/78	30 40 50	160
J J J	28/65 28/65 32/64	30 40 50	180

جدول تجزیه واریانس(جدول شماره 6) عدد کاپا نشان از معنی دار بودن اثرات نحوه بکارگیری ماده خام ، دمای پخت و زمان پخت در سطح اعتماد 99% می باشد. ضریب تغییرات در این جدول برابر با 85/0% بدست آمد که قابل قبول می باشد.

جدول شماره6: تجزیه واریانس عدد کاپا خمیر کاغذ تهیه شده از ساقه پنبه

جدول 0.1%F	محاسبه F	میانگین MSمربعات	مجموع مربعات SS	درجه آزادی d.f	منابع تغییر S.O.V
29/5 44/7 29/5 29/5 29/5 29/5 93/3 93/3 --	5731/14 5150/3739 6076/4519 7756/1049 4675/2278 1739/47 5942/211 1713/91 --	060/9 733/2324 691/2809 611/652 448/1416 326/19 541/131 678/56 622/0	119/18 733/2324 381/5619 222/1305 869/2832 653/58 164/526 713/226 137/21	2 1 2 2 2 2 4 4 34	بلوک فاکتورA (ماده اولیه ) فاکتورB (دمای پخت) اثرمتقابلAB (ماده اولیه +دمای پخت) فاکتورC (زمان پخت) اثر متقابلAC (ماده اولیه +زمان پخت) اثر متقابلBC (دمای پخت + زمان پخت) اثر متقابلABC (ماده اولیه+دمای پخت+زمان پخت) خطا
ضریب تغییرات CV = 85/0%			018/12933	53	کل

بحث و نتیجه گیری:

با توجه به نتایج بدست آمده از بررسی ویژگیهای الیاف ، خصوصیات شیمیایی و همچنین خمیر کاغذ تهیه شده از ساقه پنبه در ترکیب شرایط مختلف نحوه بکارگیری ماده خام در دو سطح ساقه پنبه با پوست و ساقه پنبه بدون پوست ، درجه حرارت پخت در سه سطح 140، 160 و 180 درجه سلسیوس و زمان پخت در سه سطح 30 ، 40 و 50 دقیقه و تجزیه و تحلیل نهایی با استفاده از روش آماری فاکتوریل در قالب بلوک تصادفی انجام و در نهایت مقایسات میانگین ها به روش دانکن صورت گرفت.

نتایج اندازه گیری ویژگی های ساقه پنبه نشان می دهد که طول الیاف ساقه پنبه 839 میکرون، قطر کلی الیاف 47/24 میکرون ، قطر حفره سلولی 43/16 میکرون و ضخامت دیواره سلولی 02/4 میکرون می باشد. اندازه گیری مشخصات الیاف در تعیین ضرایب کاغذسازی اهمیت زیادی دارد. که ضرایب محاسبه شده برای ضریب در هم رفته گی برابر 28/34 ، ضریب انعطاف پذیری 14/67 و ضریب مقاومت در برابر پاره شدن برابر 93/48 می باشد. ضرایب محاسبه شده نشان از قوت و ضعف های کاغذ ساخته شده از ساقه پنبه خواهد داشت ، بطوریکه ضریب لاغری پائین و در نتیجه کاغذ حاصله از مقاومت مکانیکی پائینی برخوردار خواهد شد. ضریب نرمش یا انعطاف پذیری در حد مطلوبی می باشد و ضریب مقاومت در برابر پاره شدن نیز تقریبا" مناسب می باشد.

نتایج اندازه گیری ترکیبات شیمیایی ساقه پنبه نشان می دهد که ساقه پنبه حاوی 83/47% سلولز ، 66/21% لیگنین، 13/2% مواد استخراجی محلول در الکل – استن و 83/2% خاکستر می باشد. سلولز جزء اصلی دیواره سلول می باشد و هر چه میزان آن در ساقه پنبه بیشتر باشد ، بهتر است.

نتایج حاصل از اندازه گیری میزان بازده خمیر کاغذ حاصله نشان می دهد که بیشترین میزان بازده مربوط به شرایط نحوه بکارگیری ساقه پنبه با پوست ، درجه حرارت پخت 140 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 دقیقه می باشد که برابر با 80/61% و در گروه بندی الفبایی دانکن در گروه (A) قرار می گیرد. کمترین میزان بازده خمیر کاغذ حاصله مربوط به شرایط نحوه بکارگیری ساقه پنبه بدون پوست ، درجه حرارت پخت 180 درجه سلسیوس و زمان پخت 50 دقیقه می باشد که برابر با 80/27% و در گروه بندی الفبایی دانکن در گروه ( J ) قرار می گیرند.

نتایج حاصل از اندازه گیری عدد کاپای خمیر حاصله نشان می دهد که بیشترین میزان عدد کاپا مربوط به شرایط تهیه نحوه بکارگیری ساقه پنبه با پوست ، درجه حرارت پخت 140 درجه سلسیوس و زمان پخت 30 دقیقه می باشد که برابر با 7/114 می باشد و در گروه بندی الفبایی دانکن در گروه (A ) قرار می گیرند. کمترین میزان عدد کاپا مربوط به شرایط تهیه نحوه بکارگیری ساقه بدون پوست ، درجه حرارت پخت 180 درجه سلسیوس و زمان پخت 50 دقیقه می باشد که برابر با 32/64 می باشد و در گروه بندی الفبایی دانکن در گروه ( J ) قرار می گیرد.

با توجه به نتایج بدست آمده در خصوص بازده و عدد کاپا خمیر کاغذ حاصله از ساقه پنبه می توان اظهار کرد در دماهای پائینتر و زمان کمتر بازده و عدد کاپا هر دو میزان بیشتری را نشان می دهد که این محدوده به علت عدد کاپای بالاتر نمی تواند مورد قبول باشد. در دماهای بالاتر و زمان طولانی تر نیز بازده و عدد کاپا هر دو میزان کمتری را نشان می دهند که این محدوده نیز به علت داشتن راندمان پائین نمی تواند مورد قبول باشد. لذا شرایط تهیه نحوه بکارگیری ساقه پنبه بدون پوست ، دمای پخت 160 درجه سلسیوس و زمان پخت 40 دقیقه پیشنهاد می گردد.

منابع

1- اسموک ، گری ، 1374، تکنولوژی خمیر و کاغذ ، ترجمه سید احمد میرشکرائی ، انتشارات پیام نور.

2- ایزد یار ، ع . 1377 . بررسی مناسب ترین شرایط خمیر کاغذ سازی (پخت) سودا برای ساقه آفتاب گردان منطقه گرگان. پایان نامه کارشناسی ارشد. دانشگاه علوم کشاورزی گرگان.

3- پور طاهریان، رضا. 1375. بررسی خواص آناتومیکی، شیمیایی و خمیردهی کاه گندم به روش سودا. پروژه کارشناسی ارشد. دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

4- جهان لتیباری ، ا . حسین زاده ، ع . 1373 . تکنولوژی تولید خمیر کاغذ ، فرایندهای قلیائی . موسسه تحقیقات جنگلها و مراتع . وزارت جهاد کشاورزی.

5- جهان لتیباری ، ا . و همکاران . 1375 . بررسی ویژگی های کاغذ سازی ذزت دانه ای . مجله پزوهش و سازندگی ش 32 . وزارت جهاد کشاورزی .

6- روح نیا ، م . 1377 . تولید خمیر کاغذ از پوست دانه آفتاب گردان به روش سودا . پایان نامه کارشناسی ارشد. دانشگاه علوم کشاورزی گرگان.

7- سلیمانی ، پ . 1355 . یررسی بیومتریک الیاف منابع لیگنوسلولزیک ایران از نظر کاغذ سازی . نشریه دانشکده منایع طبیعی ش 33 . دانشگاه تهران.

8- سروش ، ص . 1383 . بررسی تاءثیر استفاده از خمیر کاغذ سودای ساقه پنبه بر کیفیت حاصل از خمیر بازیافتی کاغذهای بسته بندی باطله. پایان نامه کارشناسی ارشد . دانشگاه علوک کشاورزی گرگان.

9- شفیع زاده ، ف . 1378 . بررسی امکان استفاده از خمیر سودا و NSSC ساقه پنبه برای تولید کاغذ فلوتینگ در صنایع چوب و کاغذ مازندران . پایان نامه کارشناسی ارشد . دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

10- شکوئی ، م . 1376 . بررسی مقایسه ای کاربرد دو فرایند سودا و کرافت در پخت ساقه پنبه . پایان نامه کارشناسی ارشد . دانشگاه علوم کشاورزی گرگان.

11- کهل ، آر ، جی . لوئیس ، سی ، اف . مترجم ناصری ، ف . 1374 . پنبه . انتشارات آستان قدس رضوی . معاونت فرهنگی.

12- کاشانی ، پ . 1376 . بررسی مقاومت های کاغذ ساخته شده از کاه گندم و کلش برنج به روش سودای سرد. پایان نامه کارشناسی ارشد. دانشگاه علوم کشاورزی گرگان.

13- عزیری موصلو، قربانعلی. 1379. بررسی ویژگی خمیر سودا از کاه گندم جهت تولید مقوا و ارزیابی تاثیر درجات مختلف اختلاط کاغذ باطله. پایان نامه کارشناسی ارشد. دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

14- یونسی ، م . 1378 . بررسی مناسب ترین شرایط تهیه خمیر آلفا سلولز از ضایعات پارچه های پنبه ای برای ساخت کاغذ. پایان نامه کارشناسی ارشد . دانشگاه علوم کشاورزی گرگان.

15- یعقوب زاده ، ن . 1355 . بررسی مهمترین منابع لیگنوسلولزی ایران و ارزشیابی فنی آنها جهت خمیر کاغذ و مقوا . نشریه دانشکده منابع طبیعی ش 34 . دانشگاه تهران.

16- Assumpcao , R.M.V. 1991 . Nonwood fiber utilization in pulping and papermaking activities. Paper presented st 1991 pulping conference held 3-7 Nov 1991 at Orlando , fl , USA , pp 493-504.

17- Baharti , R . et al. 1996 . Morphological and Mechanical pulping studies of India cotton stalk. Proceeding from the 1996 Tappi pulping conference . Nashville , Teessee , pp . 149-255.

18- Goyal , S , R . and A , K , Ray. 1991 . Economic comparison of soda and soda-AQ pulping processes for cereal straw. Nonwood plant fiber pulping . progress report No. 19. PP: 247.

19-Hunter, A, M.1989. "Some economic consideration in the implementation of a non wood pulp and paper project." Paper presented at 1989 pulping conference: Book 2 , held 22-25 oct. pp 677-690.

20- Jahan , M , S. 2003 . Chenges of paper properties of nonwood pulp on recycling , Tappi journal , july 2003. vol, 2.

21-Jeyasinga, J . 1990. " Non-wood fibers Red in news print furnishes can expand." Pulp pap. Int vol 32, No. 4 .Apr. pp 89-92.

22-Jimenez , L. Lopez , F. 1993 . Characterization of paper sheets from agricultural residues. Wood sience and technology. 27, pp: 468-474.

23-Kilpiner, O. 1991. " Quality and shipping requirements for purchased non-wood raw fibers." Paper presented at 1991. pulping conference held 3-7 Nov. 1991 at Orlando , fl, USA, pp 61-72

24- Mona, ali. Byrd , Jr and Jameel , H. 2001 . Soda-AQ pulping of cotton stalks. Presented at the 2001 Tappi pulping conference.

Study on using from Agricultural Residues (cotton stalk) for Soda Pulping

Abstract:

The agricultural harvesting residues are the crop stalks which include: the straws of wheat, rice, cotton, maize, beans, tobacco and sunflower other grain and rape etc. These agriculture residues are content of fiber being between 35-55% near to fiber contents of broad-leaved tree species.

This study evaluated Anatomical, Chemical and Pulping characteristics of Cotton stalk as a non-wood material.

Fiber length, Total fiber diameter, Lemun and Cell wall thickness were measured 839, 24.47, 16.43 and 4.02 Micron respectively. Paper making coefficients were also measured. Mix up coefficient, Flexibility coefficient and Ranckl coefficient were 34.28, 67.14 and 48.93 respectively.

Chemical analysis of cotton stalk was determined at 47.83% cellulose, 21.66% lignin, 2.13% alcol-aceton extractives and 2.83% ash.

Soda pulping conditions were studies utilizing three level, Digest Temperature (140, 160 and 180 degree of Celsius), Digest Time (30, 40 and 50 minutes) and Raw Material (bark and debark stalks). Active alkali of 20% based on NAOH and liqur to wood ratio of 5:1 were used stable during the soda pulping. The best choices were 160 degree of Celsius of digest temperature, 40 minutes of digest time and debark raw material with yield 50.4% and kappa 89.15.

Key words: Cotton stalk, Pulping, Soda, Yield, Kapa