Kontrola jakości masy celulozowej i papieru oraz testy przesiewowe za pomocą spektroskopii NIR

Do produkcji papieru można wykorzystać wszelkiego rodzaju materiały, np. trzcinę, len, bawełnę, a nawet wytłoki z trzciny cukrowej. Jednakże większość papieru wytwarzana jest z poddanych obróbce włókien drzewnych. Przetwarzanie drewna w tym celu odbywa się w celulozowniach i papierniach, co wymaga użycia środków chemicznych i dużych ilości energii. Przesiewanie i kontrola jakości (QC) to ważne środki, które należy podjąć w całym łańcuchu produkcyjnym, od drewna po gotowy produkt papierowy. W tym artykule na blogu pokazano, jak spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIRS) może monitorować jednocześnie kilka kluczowych parametrów kontroli jakości w procesie produkcji masy celulozowej i papieru.

Wprowadzenie do przemysłu celulozowo-papierniczego

Przemysł celulozowo-papierniczy produkuje i sprzedaje produkty na bazie celulozy pochodzące z różnych gatunków drewna. Celulozownie i papiernie przetwarzają drewno metodami mechanicznymi i chemicznymi w celu wytworzenia różnych produktów papierniczych do wszelkiego rodzaju zastosowań.

Na Rys. 1 pokazano udział światowej produkcji papieru, bibuły i tektury według kraju w 2019 r. [1] Największy udział mają Chiny, a za nimi plasują się Stany Zjednoczone, Brazylia i Japonia. Na te pięć krajów przypada ponad połowa światowej produkcji.

Drewno, prekursor papieru, składa się głównie z celulozy, hemicelulozy i ligniny. Różnice w mikrostrukturze pozwalają sklasyfikować drewno jako drewno miękkie i twarde. Drzewa iglaste (z igłami i szyszkami, np. sosny, jodły i świerki) składają się z drewna iglastego. Drzewa liściaste (z liśćmi i nasionami, np. dąb, buk, orzech włoski) to gatunki liściaste.

Drewno liściaste ma krótsze włókna i daje słabszy papier. Jednak produkt końcowy jest gładszy, bardziej nieprzezroczysty i lepiej nadaje się do druku. Drewno iglaste daje długie i mocne włókna, które nadają papierowi wytrzymałość. Ten rodzaj drewna jest częściej używany do produkcji pudeł i innych opakowań.

Proces produkcji masy celulozowej i papieru

Proces produkcji masy celulozowej i papieru składa się z czterech głównych etapów, a mianowicie: przygotowania surowca, roztwarzania, bielenia i wytwarzania papieru. Każdy z tych kroków opisano w poniższych sekcjach. Ogólny przegląd całego procesu pokazano na Rys. 2.

Sprawdzanie i monitorowanie różnych parametrów kontroli jakości przed, w trakcie i po procesie produkcyjnym ma kluczowe znaczenie dla wytwarzania wysokiej jakości produktów papierowych, na których konsumenci mogą polegać. Spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIR) to metoda, którą można zastosować do kontroli jakości na wszystkich etapach produkcji masy celulozowej i papieru. W tym artykule wyjaśniono, jak ogólnie działa NIRS i pokazano w jaki sposób jest ona lepsza od innych metod kontroli jakości i przesiewania w przemyśle celulozowo-papierniczym na przykładzie masy drzewnej.

Przegląd technologii spektroskopii w bliskiej podczerwieni

Światło i materia oddziałują na wiele sposobów (np. absorpcja, odbicie, rozpraszanie, emisja i transmisja). Omawiając światło stosowane w metodach spektroskopowych, zwykle opisuje się je za pomocą długości fali lub liczb falowych. Spektrometry NIR, np. Analizator substancji stałych Metrohm DS2500, generują widma pełne informacji poprzez pomiar interakcji światło-materia (Rysunek 3). 

Wrażliwość NIRS na obecność pewnych grup funkcyjnych sprawia, że jest to doskonała metoda ilościowego określania parametrów chemicznych, takich jak zawartość wody (wilgoć), liczba kappa, zawartość ligniny, I zawartość żywicy. Ponieważ interakcja ta zależy również od matrycy próbki, wykrywanie parametrów fizycznych (np. gęstość I wytrzymałość) jest również możliwe w przypadku NIRS. 

Ogrom informacji zawartych na temat próbki w otrzymanym widmie sprawia, że NIRS jest idealny do szybkiej analizy wieloparametrowej.

Tryb pomiaru NIRS do masy celulozowej i wyrobów papierniczych

Decyzja, który tryb pomiaru NIRS zastosować, zależy od rodzaju próbki. Podczas analizy ciał stałych, takich jak miazga drzewna i produkty papierowe, należy zastosować tryb odbicia rozproszonego (Rysunek 4). W tym trybie pomiaru próbka jest poddawana działaniu światła NIR, które pochłania jego część. Niezaabsorbowane światło NIR odbija się i jest mierzone przez detektor. 

Korzyści dla producentów papieru przy stosowaniu NIRS

Spektroskopia NIR oferuje użytkownikom wiele korzyści w zastosowaniach analitycznych, szczególnie jeśli chodzi o kontrolę jakości i badania przesiewowe. Oszczędność czasu i kosztów należą do najważniejszych korzyści z wielu powodów. Przygotowanie próbki nie jest wymagane, a wyniki są dostarczane w ciągu kilku sekund. NIRS to technika analizy wieloparametrowej, eliminująca potrzebę wykonywania kilku oddzielnych, czasochłonnych analiz na różnych instrumentach w celu uzyskania tych samych wyników. Technika ta jest również nieniszcząca i nie wymaga stosowania żadnych odczynników chemicznych.

Oprócz tych punktów, NIRS jest również zatwierdzony do celów kontroli jakości przez organizacje normalizacyjne, takie jak ASTM [2] Ponadto NIRS jest przyjazny dla użytkownika i może być obsługiwany przez personel nietechniczny, co odróżnia go od bardziej złożonych technik analitycznych.

Badania przesiewowe produktów i parametry kontroli jakości w produkcji celulozy i papieru

Badania, rozwój i kontrola jakości opierają się na testach laboratoryjnych. Celulozownie i papiernie stosują kilka znormalizowanych metod badawczych w celu określenia właściwości fizycznych i chemicznych surowców, półproduktów i produktów końcowych. Najbardziej odpowiednie parametry testowe do przesiewania i kontroli jakości wyrobów z masy celulozowej i papieru można znaleźć w Tabeli 1.

Gotowe rozwiązanie do analizy masy celulozowej i papieru

Rozwiązanie Metrohm NIRS do analizy miazgi jest wyposażone w: gotowy do użycia model do wstępnej kalibracji w celu ustalenia liczby kappa, gęstości, siły wyboczenia, siły zrywającej, wytrzymałości na rozciąganie i swobody miazgi (Tabela 2). Dzięki zestawowi do wstępnej kalibracji rozwiązanie to może być stosowane jako model startowy „pod klucz” bez konieczności wcześniejszego opracowywania metody.

Tabela 3 przedstawia wyniki kontroli jakości przetworzonej masy celulozowej. Ten przykład pokazuje, że spektroskopia w bliskiej podczerwieni w zakresie widzialnym (Vis-NIRS) może jednocześnie określić sześć różnych parametrów kontroli jakości (liczba kappa, gęstość nałożona, swoboda miazgi, wytrzymałość na zerwanie, wytrzymałość na wyboczenie i wytrzymałość na rozciąganie) w miazdze drzewnej. 

Streszczenie

Stosowanie NIRS do kontroli jakości i przesiewania produktów celulozowo-papierniczych jest lepsze niż inne konwencjonalne, referencyjne metody laboratoryjne. Ta metoda spektroskopowa nie tylko oszczędza czas producentów i zapewnia wysoką jakość produktu, ale jest także przyjazna dla środowiska i łatwa w użyciu. Podczas jednego skanu jest możliwa jednoczesna analiza wielu kluczowych parametrów jakościowych. 

Wyniki liczby kappa, gęstości nałożonej, odwadniania masy celulozowej (CSF), wytrzymałości na zrywanie (SCT), wytrzymałości na wyboczenie (RCT) i wytrzymałości na rozciąganie masy celulozowej mogą być dostarczone w ciągu 30 sekund, nawet przez personel nietechniczny. Można również przejąć większą kontrolę nad produkcją, ponieważ dane są generowane częściej niż w przypadku innych technik laboratoryjnych.

Bibliografia

[1] Dział Badań Statista. Udział globalnej mocy produkcyjnej papieru według kraju. Statysta. https://www.statista.com/statistics/664968/global-paper-production-capacity-share-by-country/ (dostęp: 23.11.2023).

[2] ASTM Międzynarodowy. Standardowe praktyki wieloczynnikowej analizy ilościowej w podczerwieni; ASTM E1655-17; Międzynarodowe ASTM, 2018.

Dodatkowe materiały

Notka aplikacyjna: Wieloparametrowa analiza masy celulozowej metodą spektroskopii Vis-NIR

Notka aplikacyjna: Oznaczanie zawartości drewna twardego i miękkiego w wyrobach drzewnych metodą spektroskopii w bliskiej podczerwieni

Notka aplikacyjna: Oznaczanie ligniny w miazdze drzewnej

Notka aplikacyjna: Oznaczanie zawartości lintera i pulpy bawełnianej w celulozie

Notka aplikacyjna: Czystość, stopień podstawienia i zawartość wody w karboksymetylocelulozach

Notka aplikacyjna: Wilgotność i wartość pH w surowym oleju talowym (CTO)