کاربرد اکسیژن مایع در صنعت کاغذ سازی

فرآیند تولید خمیر کاغذ بااستفاده از اکسیژن

فرآیند تولید خمیر کاغذ با استفاده از اکسیژن که به عنوان فرآیند خمیرسازی اکسیژنی یا Oxygen Delignification شناخته میشود، یکی از روشهای مهم در صنعت کاغذسازی است. این فرآیند به منظور کاهش میزان لیگنین در خمیر کاغذ و بهبود کیفیت آن استفاده میشود. لیگنین یک ماده طبیعی است که در دیواره سلولی گیاهان وجود دارد و باعث سخت شدن چوب میشود. کاهش لیگنین در خمیر کاغذ باعث افزایش سفیدی، نرمی و کیفیت کاغذ تولیدی میشود.

مراحل اصلی فرآیند تولید خمیر کاغذ با استفاده از اکسیژن:

۱. تهیه خمیر اولیه (Pulping)

– در این مرحله، چوب یا مواد لیگنوسلولزی (مانند ضایعات کشاورزی) به صورت مکانیکی یا شیمیایی به خمیر تبدیل میشود.

– در روش شیمیایی، از مواد شیمیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) و سولفید سدیم (Na₂S) در فرآیند کرافت (Kraft Process) استفاده میشود تا لیگنین تا حدی از چوب جدا شود.

– خمیر اولیه حاصل از این مرحله هنوز حاوی مقادیر قابل توجهی لیگنین است.

۲. شستشوی خمیر (Washing)

– خمیر اولیه شسته میشود تا مواد شیمیایی و لیگنین حل شده از آن خارج شود.

– این مرحله به آمادهسازی خمیر برای فرآیند اکسیژنزدایی کمک میکند.

۳. فرآیند اکسیژن زدایی (Oxygen Delignification)

– این مرحله اصلی فرآیند است و هدف آن کاهش بیشتر لیگنین در خمیر کاغذ است.

– خمیر شسته شده به یک راکتور (Reactor) منتقل میشود که در آن اکسیژن (O₂) تحت شرایط کنترل شده (دما و فشار) به خمیر اضافه میشود.

– معمولاً از یک قلیا (مانند هیدروکسید سدیم) به عنوان کاتالیزور استفاده میشود تا واکنش اکسیداسیون لیگنین تسریع شود.

– در این واکنش، لیگنین به ترکیبات کوچکتر و محلول در آب تجزیه میشود که به راحتی از خمیر جدا میشوند.

۴. شستشوی نهایی (Final Washing)

– پس از اتمام فرآیند اکسیژن زدایی، خمیر دوباره شسته میشود تا مواد اکسید شده و باقیماندههای لیگنین از آن خارج شوند.

– این مرحله به بهبود کیفیت خمیر و آماده سازی آن برای مراحل بعدی کمک میکند.

۵. مراحل تکمیلی (Bleaching)

– پس از اکسیژنزدایی، خمیر ممکن است هنوز حاوی مقادیر کمی لیگنین باشد که باعث رنگ قهوه ای یا زرد خمیر میشود.

– برای سفید کردن خمیر، از فرآیندهای سفیدکنندگی (Bleaching) با استفاده از مواد شیمیایی مانند کلر دی اکسید (ClO₂)، هیدروژن پراکسید (H₂O₂) یا ازن (O₃) استفاده میشود.

– این مرحله باعث افزایش سفیدی و درخشندگی خمیر کاغذ میشود.

۶. خشک کردن و تولید کاغذ

– خمیر سفید شده به دستگاه تولید کاغذ منتقل میشود.

– در این مرحله، خمیر به صورت ورقهای نازک پخش شده و آب آن خارج میشود.

– سپس ورقهای کاغذ خشک شده و برای برش و بستهبندی آماده میشوند.

مزایای استفاده از اکسیژن در فرآیند خمیرسازی:

۱. کاهش مصرف مواد شیمیایی سفیدکننده: اکسیژن به عنوان یک عامل اکسیدکننده قوی، بخشی از لیگنین را تجزیه میکند و نیاز به مواد شیمیایی سفیدکننده مانند کلر یا کلر دیاکسید را کاهش میدهد. این امر هزینه های تولید را کاهش میدهد.

۲. کاهش آلاینده های محیطی: این فرآیند آلایندههای کمتری مانند ترکیبات آلی کلردار (AOX) تولید میکند که برای محیط زیست مضر هستند. بنابراین، سازگاری بیشتری با محیط زیست دارد.

۳. بهبود کیفیت خمیر کاغذ: کاهش لیگنین در خمیر باعث افزایش سفیدی، نرمی و مقاومت خمیر میشود. این امر کیفیت نهایی کاغذ تولیدی را بهبود میبخشد.

۴. صرفه جویی در انرژی: فرآیند اکسیژن زدایی نسبت به روشهای سنتی مانند خمیرسازی شیمیایی، انرژی کمتری مصرف میکند و بهره وری انرژی را افزایش میدهد.

۵. کاهش هزینه های تولید: با کاهش مصرف مواد شیمیایی و انرژی، هزینه های کلی تولید خمیر کاغذ کاهش مییابد. این امر به صرفه جویی اقتصادی برای کارخانه های تولید کاغذ کمک میکند.

۶. افزایش بازدهی فرآیند: اکسیژن به طور موثرتری لیگنین را تجزیه میکند و باعث میشود فرآیند خمیرسازی سریعتر و کارآمدتر انجام شود.

۷. کاهش ضایعات: این فرآیند باعث کاهش ضایعات جامد و مایع میشود، زیرا مواد زائد کمتری در مقایسه با روشهای سنتی تولید میشود.

۸. سازگاری با فرآیندهای دیگر:  فرآیند اکسیژن زدایی به راحتی با سایر مراحل خمیرسازی و سفیدکنندگی ترکیب میشود و انعطاف پذیری بیشتری در خط تولید ایجاد میکند.

۹. کاهش خطرات سلامتی: با کاهش استفاده از مواد شیمیایی خطرناک مانند کلر، خطرات سلامتی برای کارگران و محیط زیست کاهش مییابد.

۱۰. پایداری محیط زیستی: این فرآیند به دلیل کاهش آلاینده ها و مصرف کمتر منابع، به عنوان یک روش پایدار در صنعت کاغذسازی شناخته میشود و به حفظ محیط زیست کمک میکند.

کاربرد های اکسیژن در بازیافت کاغذ

اکسیژن در فرآیند بازیافت کاغذ نقش مهمی ایفا می‌کند و به طور گسترده در مراحل مختلف این فرآیند استفاده می‌شود. در اینجا به برخی از کاربردهای اصلی اکسیژن در بازیافت کاغذ اشاره می‌کنیم:

 

1. سفید کردن کاغذ (Bleaching)

– اکسیژن به عنوان عامل سفیدکننده: در فرآیند بازیافت کاغذ، از اکسیژن برای سفید کردن خمیر کاغذ استفاده می‌شود. این روش به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای سفید کردن با کلر (کلریناسیون) به کار می‌رود. اکسیژن به همراه مواد شیمیایی دیگر مانند هیدروژن پراکسید یا ازن، رنگ‌دانه‌ها و ناخالصی‌های موجود در خمیر کاغذ را اکسید کرده و باعث سفید شدن آن می‌شود.

– کاهش آلودگی: استفاده از اکسیژن در فرآیند سفید کردن، آلودگی کمتری نسبت به روش‌های سنتی مبتنی بر کلر ایجاد می‌کند و مواد سمی کمتری تولید می‌شود.

2. حذف جوهر (Deinking)

– اکسیژن در فرآیند حذف جوهر: در مرحله حذف جوهر از کاغذ بازیافتی، اکسیژن به عنوان یک عامل اکسیدکننده قوی عمل می‌کند. این فرآیند شامل استفاده از اکسیژن برای اکسید کردن و تجزیه جوهرهای چاپ شده روی کاغذ است. اکسیژن به همراه مواد شیمیایی دیگر مانند سدیم هیدروکسید و سدیم سیلیکات، جوهر را از سطح کاغذ جدا کرده و آن را به ذرات ریز تبدیل می‌کند که به راحتی شسته می‌شوند.

– بهبود کیفیت کاغذ بازیافتی: استفاده از اکسیژن در این فرآیند باعث بهبود کیفیت کاغذ بازیافتی می‌شود، زیرا جوهر و سایر آلاینده‌ها به طور موثرتری حذف می‌شوند.

3. افزایش بازدهی فرآیند بازیافت

– اکسیژن در فرآیند پالپینگ: در مرحله پالپینگ (تبدیل کاغذ به خمیر)، اکسیژن به عنوان یک عامل اکسیدکننده به کار می‌رود تا الیاف کاغذ را نرم کرده و جداسازی آن‌ها را تسهیل کند. این کار باعث افزایش بازدهی فرآیند بازیافت و کاهش مصرف انرژی می‌شود.

– کاهش مصرف مواد شیمیایی: استفاده از اکسیژن در این مرحله باعث کاهش نیاز به مواد شیمیایی دیگر می‌شود که این امر از نظر اقتصادی و زیست محیطی مفید است.

4. کاهش آلاینده‌های زیست محیطی

– اکسیژن در تصفیه پساب: در فرآیند بازیافت کاغذ، پساب‌های صنعتی تولید می‌شوند که حاوی مواد شیمیایی و آلاینده‌ها هستند. اکسیژن در سیستم‌های تصفیه پساب به عنوان یک عامل اکسیدکننده قوی استفاده می‌شود تا مواد آلی و سمی موجود در پساب را تجزیه کرده و آن‌ها را به مواد بی‌ضرر تبدیل کند.

– کاهش بو و آلودگی هوا: استفاده از اکسیژن در فرآیندهای مختلف بازیافت کاغذ باعث کاهش انتشار گازهای بدبو و آلاینده‌های هوا می‌شود.

5. بهبود کیفیت کاغذ بازیافتی

– اکسیژن در بهبود خواص مکانیکی کاغذ: در برخی موارد، اکسیژن به عنوان بخشی از فرآیند اصلاح خواص مکانیکی کاغذ بازیافتی استفاده می‌شود. این کار باعث افزایش مقاومت و دوام کاغذ می‌شود و آن را برای استفاده در کاربردهای مختلف مناسب‌تر می‌کند.

6. کاهش هزینه‌ها

– صرفه‌جویی در هزینه‌ها: استفاده از اکسیژن در فرآیند بازیافت کاغذ می‌تواند هزینه‌های کلی را کاهش دهد، زیرا این روش نیاز به مواد شیمیایی گران‌قیمت را کم کرده و بازدهی فرآیند را افزایش می‌دهد.

کاهش آلودگی محیط زیست با استفاده از اکسیژن مایع

 

استفاده از اکسیژن مایع در صنعت کاغذسازی و بازیافت کاغذ، به عنوان یک روش نوین و سازگار با محیط زیست، نقش مهمی در کاهش آلودگی‌های زیست محیطی ایفا می‌کند.

1. جایگزینی برای مواد شیمیایی مضر

– حذف کلر و ترکیبات کلردار: در فرآیند سفید کردن کاغذ (Bleaching)، به جای استفاده از کلر و ترکیبات کلردار (مانند دی‌اکسید کلر) که باعث تولید مواد سمی مانند دی‌اکسین و فوران می‌شوند، از اکسیژن مایع استفاده می‌شود. اکسیژن مایع به عنوان یک عامل اکسیدکننده قوی و غیرسمی، رنگ‌دانه‌ها و ناخالصی‌ها را از بین می‌برد و آلودگی کمتری ایجاد می‌کند.

– کاهش استفاده از مواد شیمیایی: اکسیژن مایع نیاز به مواد شیمیایی اضافی را کاهش می‌دهد و این امر باعث کاهش آلودگی آب و خاک می‌شود.

2. کاهش آلاینده‌های هوا

– جایگزینی برای سوخت‌های فسیلی: در برخی فرآیندهای کاغذسازی، از اکسیژن مایع برای بهبود احتراق در سیستم‌های گرمایشی استفاده می‌شود. این کار باعث کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و در نتیجه کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسید کربن (CO₂) و اکسیدهای نیتروژن (NOₓ) می‌شود.

– کاهش بوهای نامطبوع: در فرآیندهای بازیافت کاغذ، استفاده از اکسیژن مایع به کاهش انتشار گازهای بدبو و آلاینده‌های هوا کمک می‌کند.

3. تصفیه پساب‌های صنعتی

– اکسیژن مایع در تصفیه پساب: پساب‌های صنعتی تولید شده در فرآیند کاغذسازی حاوی مواد آلی، رنگ‌دانه‌ها و سایر آلاینده‌ها هستند. اکسیژن مایع به عنوان یک عامل اکسیدکننده قوی در سیستم‌های تصفیه پساب استفاده می‌شود. این ماده باعث تجزیه سریع‌تر مواد آلی و کاهش غلظت آلاینده‌ها در پساب می‌شود.

– کاهش مواد سمی: استفاده از اکسیژن مایع در تصفیه پساب، مواد سمی مانند ترکیبات آلی کلردار را به مواد بی‌ضرر تبدیل می‌کند و از ورود آن‌ها به محیط زیست جلوگیری می‌کند.

4. بهبود فرآیند بازیافت کاغذ

– حذف جوهر با اکسیژن مایع: در فرآیند بازیافت کاغذ، از اکسیژن مایع برای حذف جوهر و رنگ‌دانه‌ها از سطح کاغذ استفاده می‌شود. این روش نسبت به روش‌های سنتی مبتنی بر مواد شیمیایی، آلودگی کمتری ایجاد می‌کند و کیفیت کاغذ بازیافتی را بهبود می‌بخشد.

– کاهش ضایعات: استفاده از اکسیژن مایع در فرآیند بازیافت، بازدهی را افزایش داده و میزان ضایعات تولید شده را کاهش می‌دهد.

5. کاهش مصرف انرژی

– بهینه‌سازی فرآیندها: استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهای کاغذسازی و بازیافت، نیاز به انرژی را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، در فرآیند سفید کردن کاغذ، اکسیژن مایع در دماهای پایین‌تر و با بازدهی بیشتری عمل می‌کند که این امر باعث صرفه‌جویی در انرژی می‌شود.

– کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: با کاهش مصرف انرژی، انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند CO₂ نیز کاهش می‌یابد.

6. کاهش تولید پسماندهای خطرناک

– جایگزینی برای مواد شیمیایی خطرناک: در فرآیندهای سنتی کاغذسازی، از مواد شیمیایی خطرناک مانند کلر و سولفور استفاده می‌شود که پسماندهای خطرناک تولید می‌کنند. اکسیژن مایع به عنوان یک جایگزین ایمن و غیرسمی، میزان تولید این پسماندها را به شدت کاهش می‌دهد.

– کاهش دفن پسماند: با بهبود فرآیندها و کاهش تولید پسماندهای خطرناک، نیاز به دفن این مواد در خاک نیز کاهش می‌یابد.

7. افزایش بازیافت آب

– استفاده مجدد از آب: در فرآیند کاغذسازی، مقدار زیادی آب مصرف می‌شود. اکسیژن مایع در سیستم‌های تصفیه آب به بازیابی و استفاده مجدد از آب کمک می‌کند. این کار نه تنها مصرف آب را کاهش می‌دهد، بلکه از ورود آلاینده‌ها به منابع آبی نیز جلوگیری می‌کند.

بررسی اقتصادی استفاده از اکسیژن مایع

1. هزینه‌های اولیه

– سرمایه‌گذاری اولیه: استفاده از اکسیژن مایع نیازمند تجهیزات خاصی مانند مخازن ذخیره‌سازی، سیستم‌های توزیع و لوله‌کشی است. این تجهیزات ممکن است هزینه‌های اولیه بالایی داشته باشند.

– هزینه تولید یا خرید اکسیژن مایع: اگر شرکت‌ها تصمیم به تولید اکسیژن مایع در محل داشته باشند، نیاز به سرمایه‌گذاری در واحدهای جداسازی هوا (Air Separation Units) خواهند داشت. در غیر این صورت، باید اکسیژن مایع را از تامین‌کنندگان خارجی خریداری کنند که هزینه‌های حمل و نقل نیز به آن اضافه می‌شود.

2. کاهش هزینه‌های عملیاتی

– کاهش مصرف مواد شیمیایی: استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهایی مانند سفید کردن کاغذ یا حذف جوهر، نیاز به مواد شیمیایی گران‌قیمت مانند کلر یا هیدروژن پراکسید را کاهش می‌دهد. این امر باعث صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌های مواد اولیه می‌شود.

– کاهش مصرف انرژی: اکسیژن مایع در برخی فرآیندها مانند احتراق یا اکسیداسیون، بازدهی را افزایش داده و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. این موضوع به ویژه در سیستم‌های گرمایشی یا فرآیندهای شیمیایی مشهود است.

– کاهش هزینه‌های تصفیه پساب: با استفاده از اکسیژن مایع در تصفیه پساب، هزینه‌های مربوط به مواد شیمیایی تصفیه و انرژی مصرفی کاهش می‌یابد.

3. کاهش هزینه‌های زیست محیطی

– کاهش جریمه‌های زیست محیطی: استفاده از اکسیژن مایع باعث کاهش آلاینده‌های هوا، آب و خاک می‌شود. این امر از جریمه‌های زیست محیطی و هزینه‌های مربوط به رعایت قوانین زیست محیطی می‌کاهد.

– کاهش هزینه‌های مدیریت پسماند: با کاهش تولید پسماندهای خطرناک، هزینه‌های مربوط به جمع‌آوری، حمل و نقل و دفن این مواد نیز کاهش می‌یابد.

4. افزایش بازدهی فرآیندها

– بهبود کیفیت محصول: استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهایی مانند سفید کردن کاغذ یا حذف جوهر، کیفیت محصول نهایی را بهبود می‌بخشد. این موضوع می‌تواند به افزایش فروش و سودآوری منجر شود.

– کاهش ضایعات: با افزایش بازدهی فرآیندها، میزان ضایعات تولیدی کاهش یافته و هزینه‌های مربوط به مدیریت ضایعات نیز کمتر می‌شود.

5. صرفه‌جویی در هزینه‌های حمل و نقل

– استفاده از اکسیژن مایع در محل: اگر شرکت‌ها تصمیم به تولید اکسیژن مایع در محل بگیرند، هزینه‌های حمل و نقل مرتبط با خرید اکسیژن مایع از تامین‌کنندگان خارجی حذف می‌شود. این موضوع به ویژه برای شرکت‌های بزرگ که حجم بالایی از اکسیژن مایع مصرف می‌کنند، بسیار مقرون به صرفه است.

6. منافع بلندمدت

– کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری: تجهیزات مورد استفاده در سیستم‌های اکسیژن مایع معمولاً عمر طولانی‌تری دارند و نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری نسبت به سیستم‌های سنتی دارند.

– افزایش رقابت‌پذیری: با کاهش هزینه‌های تولید و بهبود کیفیت محصول، شرکت‌ها می‌توانند در بازار رقابتی موقعیت بهتری داشته باشند.

7. چالش‌های اقتصادی

– هزینه‌های اولیه بالا: سرمایه‌گذاری اولیه برای تجهیزات و سیستم‌های مورد نیاز ممکن است برای برخی شرکت‌ها، به ویژه شرکت‌های کوچک و متوسط، چالش‌برانگیز باشد.

– نیاز به تخصص فنی: استفاده از اکسیژن مایع نیازمند نیروی کار متخصص و آموزش‌دیده است که ممکن است هزینه‌های آموزش و استخدام را افزایش دهد.

منابع:

 

www.airproducts.com

www.ehs.ufl.edu/programs

www.sciencedirect.com/science

www.sciencedirect.com/article