کاغذ

کاغذ
ریشه لغوی
کلمه کاغذ ، از واژه چینی کاکتز گرفته شده است. (نام فارسی آن را رخنده یا پرزه است.)
دید کلی
انسان اولیه ، به‌تدریج که نیاز به تصویر کردن اشیاء ، یادداشت کردن وقایع و ارسال پیام های کتبی را درک کرد، اهمیت و ضرورت شیئی که بتواند بر روی آن اثر به جا ماندنی را ثبت کند، دریافته بود و همواره در راه دستیابی به آن تلاش می‌کرد.
تاریخچه
در بین النهرین از لوحه‌های گلی ، در مصر (1838 ق.م) از پاپـیروس ، در چین از حکاکی بر روی لوحه‌های چوبی و نمد با قلم مو و پارچه ابریشمی ، این منظور را عملی می‌کردند. با توجه به اینکه صنعت نمد مالی در خاور دور ، سنّت و متداول بود، فردی چینی به نام "تسائی لون" (105 میلادی) از قطعات کهنه و اضافی ابریشم ، خمیر و بعد ، ورقه‌هایی به صورت نمد درست کرد و از آن به کمک قلم مو برای نقاشی و نوشتن استفاده کرد و بعد به جای ابریشم ، چوب خیزران و درخت توت را بکار گرفت. در حقیقت ، باید او را اولین مخترع کاغذ در دنیا دانست.
سیر تحولی رشد
کارگران چینی که در سال 751 به دست ایرانیان اسیر شدند، این فن را با استفاده از کتان و شاهدانه ، به مردم سمرقند آموختند و بعدها توسط مسلمانان در بغداد ، دمشق و حتی مراکش و اسپانیا متداول شد. اولین کارخانه کاغذ سازی ، درسال 1154 در اسپانیا و اولین آسیاب تهیه پودر چوب ، در سال 1190 در فرانسه تأسیس شده بود.

در ایران ، فعالیت کاغذ سازی ، اولین بار با تأسیس کارخانه مقوا سازی و با استفاده از کاغذهای باطله درسال 1313 شمسی در کرج شروع شد و حدود 15 سال است که با تأسیس دو کارخانه کاغذ سازی پارس در هفت تپه خوزستان و کارخانه چوب و کاغذ ایران (چوکا) در گیلان ، به صورت یک تکنولوژی مدرن و پیشرفته درآمده است.
مواد اولیه تهیه کاغذ
مواد اولیه انواع کاغذ ، بطور کلی ، مواد سلولزی است که از منابع مختلف تهیه می‌شوند:

ساقه کتان ، شاهدانه ، پنبه که الیاف بلند (در حدود 1.2 تا 6 میلی متر) دارند.
ساقة گیاهانی مانند گندم ، جو (کاه) ، نی ، کنف و غیره.
درختانی که برگ سوزنی دارند، مانند کاج (با الیاف بلند ) و یا برگ پهن دارند مانند چنار (با الیاف کوتاه در حدود 0.5 تا 1.2 میلی متر)
انواع کاغذ‌های باطله و یا خرده‌ها و قطعات مقوای کهنه
الیاف تفاله نیشکر
مراحل تهیه کاغذ
تبدیل چوب به قطعات ریز
با استفاده از ماشین پوست کنی و دستگاه تولید تراشه و عبور تراشه‌ها از الک مخصوص صورت می‌گیرد و قطعاتی به طول حداقل 4 و عرض 2 سانتی‌متر (در مورد چوب) بدست می‌آید.
پختن چوب و تولید خمیر
این عمل ، ممکن است از طریق مکانیکی یعنی بدون استفاده از مواد شیمیایی و توسط بخار آب جوش ، تحت فشار صورت گیرد که معمولاً برای تهیه کاغذهای ارزان و کاهی ، مانند کاغذ روزنامه متداول است. در روش شیمیایی از هیدروکسید سدیم (در روش قلیایی) ، سولفیت هیدروژن کلسیم ،  ، درمحیط اسیدی (PH=2-3 ، روش بی‌سولفیت) و یا سولفیت سدیم (در روش سولفیت) همراه با کمی کربنات سدیم در دمای بالاتر از . 100 درجه سانتی‌گراد و تحت فشار ، استفاده می‌شود. در این مرحله ، خمیر قهوه‌ای رنگی حاصل می‌شود که از آن در تهیه مقوا ، کارتن و یا کاغذ‌های کاهی استفاده می‌شود.

تصویر
شستشوی خمیر کاغذ
شستشوی قلیایی با استفاده از محلول 3 درصد سود در دمای 45 تا 50 درجه سانتی‌گراد به مدت یک تا دو ساعت صورت می‌گیرد. این عمل برای جدا کردن لیگتین و کاهش رنگ خمیر انجام می‌پذیرد.
اعمال شیمیایی (رنگ زدایی)
در دو مرحله صورت می‌گیرد :

کلر زنی ، که در PH=2 تا دمای 25 تا 45 درجه سانتی‌‌گراد به مدت تقریبی یک ساعت صورت می‌گیرد. در این مرحله ، لیگتین باقیمانده در خمیر ، به صورت محلول در می‌آید که بسته به نوع مواد شیمیایی بکار رفته برای پخت ، بین 3 تا 15 درصد ممکن است تغییرکند.

رنگ زدایی که توسط هیپوکلریت سدیم (به صورت محلول 3 درصد) ، دی‌اکسید کلر ، پراکسید هیدروژن ، اوزون و غیره در PH=9-10 صورت می‌گیرد تا اینکه لیگتین فقط اکسید شود و سلولز تحت تأثیر قرار نگیرد.
خشک کردن خمیر کاغذ
دراین مرحله ، خمیر کاغذ را از دستگاه تمیز کننده و توری‌هایی که دارای سوراخهای 2 تا 3 میلیمتری‌اند، عبور می‌دهند تا قسمت عمده آب خود را از دست بدهد. بعد آن را از پرسهای قوی عبور می‌دهند تا باقیمانده آب آن نیز خارج شود.
پرس کردن ، برش زدن و بسته بندی
با عبور خمیر خشک شده از میان غلتک‌های مخصوص ، آن‌را به صورت صفحات کاغذ در آورده ، توسط دستگاه برش آن را در اندازه‌های مورد سفارش و نیاز بازار مصرف برش می‌دهند و بسته‌بندی می‌کنند.

رنگبری خمیر کاغذ
جذب نور توسط خمیر کاغذ و رنگ آن عمدتاً از لیگنین موجود در آن است . برای رسیدن به میزان قابل قبولی از سفیدی ، بایستی لیگنین باقیمانده را از خمیر خارج کرد یا گوههای رنگساز آن را تا آنجا که ممکن است از بین برد . بنابراین ، برای سفید کردن خمیر کاغذ دو راه وجود دارد :
۱-   خارج ساختن لیگنین ( حذف لیگنین )
۲-   تغییر دادن لیگنین
رنگبری از طریق لیگنین زدایی که سبب سفید شدن دائمی کاغذ می شود را می توان در مورد خمیرهای شیمیایی انجام داد . این فرایند در چند مرحله و معمولاً به وسیله کلر ، دیوکسیدکلر ، اکسیژن و سایر ترکیب های رنگبر عملی می شود . به دلیل مشکلات زیست محیطی ، در طی چند سال آینده ، احتمالاً استفاده از گاز کلر برای رنگبری منسوخ خواهد شد و استفاده از دیوکسید کلر رونق خواهد یافت . اما در دراز مدت ، مواد شیمیایی فاقد کلر ( اکسیژن ، هیدروژن پروکسید و اوزون ) جای دیوکسید کلر را خواهد گرفت .
در عملیات رنگبری ، بر اثر انحلال و خروج مواد استخراجی چوب و نحذف آلودگی هایی از قبیل گردوغبار و ته مانده های پست درخت ، تمیزی خمیر کاغذ حاصل به مقدار زیادی افزایش می یابد . در مورد خمیرهای حل شونده ، هدف از رنگبری ، علاوه بر خارج ساختن لیگنین ، خرج ساختن همی سلولوزها نیز هست . در حالی که در مورد خمیرهای مورد استفاده برای کاغذ سازی ، بایستی از حل و از بین رفتن همی سلولوزها جلوگیری شود .
رنگبری با حفظ لیگنین ، معمولاً سفیدی متوسطی به کاغذ می دهد و در مورد خمیرهای مکانیکی و شیمیایی با بازده زیاد مناسب است . معمولی ترین مواد شیمیایی مورد استفاده در رنگبری با حفظ لیگنین عبارت است از دی تیونات سدیم و پروکسید هیدروژن .
رنگ بری با حذف لیگنین
سابقه تاریخی
کلر در سال ۱۷۷۴ توسط شیل کشف شد و خواص رنگبری آن در سال ۱۷۸۴ توسط بوتوله اعلام گردید . اما حدود یک قرن پس از این تاریخ تولید صنعتی کلر از طریق تجزیه الکترولیتی کلرید سدیم میسر شد و پس از آن ، مصرف کلر در صناایع مختلف رواج یافت . حدود پنجاه سال پس از این تاریخ ، مصرف کلر به عنوان رنگبر و سفید کننده در صنعت خمیر کاغذ آغاز شد . البته مصرف هیپوکلریت کلسیم و هیپوکلریت سدیم در سایر صنایع ، پیش از این تاریخ آز شد بود حدود بیست سال پس از کشف شیل ، تنانت دریافت که کلر با آهک خشک ترکیب می شود و گرد رنگبر تولید می کند . این بافته بیشتر از این نظر مهم بود که در مقایسه با گاز کلر ، حمل و نقل هیپوکلریت در کار با آن آسانتر بود . البته بعداً فناوری پیشرفت کرد و استفاده مستقیم از گاز کلر در صنایع نیز مسیر شد .
در اوایل دهه ۱۹۳۰ ، با پیشرفت در فناوری رنگبری ، رنگبری های چند مرحله ای شامل کلر ، استخراج قلیایی و سپس هیپوکلریت مسیر شد . روش رنگبری چند مرحله ای در مورد خمیر سولفیت نسبتاً موفقیت آمیز بود اما در مورد خمیر کرافت همراه با کاهش درجه بسپارش سلولوز و افت خواص مقاومتی خمیر بود .
با استفاده از دیوکسید کلر در رنگبری خمیر کرافت پس از سال ۱۹۴۰ ، تحول دیگری در رنگبری خمیر کاغذ رخ داد اگر چه توانایی دیوکسید کلر به عنوان یک عامل رنگبر سال ها قبل مشخص شده بود ف اما برای طراحی فرایندهای تولید صنعتی این ماده و کار با این گاز قابل انفجار و خورنده در کارخانه های خمیر و کاغذ به صورت ایمن و بی خطر به سال هاوقت نیاز بود . این نقطه آغاز رشد فراینده تولید خمیر کرافت رنگبری شده و کاهش تولید خمیر سولفیت بود .
نوآوری در فناوری ، سبب طراحی انواع جدید سیستم های رنگبری شد ؛ از قبیل رنگبری جابه جایی و رنگبری در فازگازی مزیت فرایندهای جدید این است که مواد شیمیایی رنگبر در خمیر نفوذ می کند که نتیجه آن ، زمان رنگبری کوتاه تر و غلظت بیشتر مواد جامد در مایعات مصرف شده رنگبری است . البته این موفقیت ها به اندازه موفقیت ها در پخت پیوسته نبوده و تعداد کارخانه های رنگبری نصب شده با استفاه از فناوری جدید اندک است .
در آغاز دهه ۱۹۷۰ ، فناوری رنگبری در آستانه تحول جدیدی قرار گرفت . بررسی ها نشان داده بود که در مایع مصرف شده واحدهای رنگبری ، ترکیب های آلی کلردار بسیار سمی وجود دارد .. در همین فاصله کشف شد که با استفاده از سیستم اکسیژن و قلیا می توان مقدار لیگنین خمیر را تا حد زیادی کاهش داد . پس از بررسی های آزمایشگاهی ، این فناوری به زودی در مقیاس صنعتی به کار رفت . امروزه معمولاً خمیر سفید نشده را از یک واکنشگاه اکسیژن عبور می دهند . پس از این مرحله لیگنین زدایی مقدماتی ( رنگبری با اکسیژن ) ، خمیر را وارد یک توالی رنگبری مناسب می کنند . اما مصرف کلر و سایر ترکیب های کلر دار رنگبر کمتر است . با پیشرفت و اصلاح روش های تجزیه ، تشخیص غلظت های بسار اندک مواد سمی کلردار در پاپ های رنگبری مسیر شد . پس از سال روش های تجزیه ، تشخیص غلظت های بسیار اندک مواد سمی کلردار در پاب های رنگبری مسیر شد . پس از سال ۱۹۸۰ ، با استفاده از این روش های حساس ، ترکیب های سمی کلردار از قبیل دیوکسین ها در سطح قسمت در میلیارد (ppb) حتی در کاغذد های تولید شده از خمیر رنگبری شده نیز کشف شد .
به دلیل نگرانی های زیست محیطی ، میزان مجاز تخلیه پاب های عملیات رنگبری و مقدار مجاز مواد آلی سمی موجود در آنها روز به روز کمتر می شود و در آینده ضوابط مربوط دشوارتر خواهد شد . با این وجود ، هنوز مصرف کلر و سایر ترکیب های کلردار رنگبر ادامه دارد و روش های رنگبری بدون مصرف کلر عنصری (ECF) یا بدون مصرف رنگبری های کلردار (TCF) هنوز نتوانسته اند جایگزین روشهای رنگبری فعلی شوند . در پاپ های رنگبری صدها ترکیب شناسایی شده است .
حتی اگر بعضی مواد از قبیل پروکسی استیک اسید و کلریک سدیم در مقیاس آزمایشگاهی به عنوان رنگبر و لیگنین زدا مصرف شوند ، در رنگبری صنعتی قابل مصرف نیستند . علاوه بر عوامل شیمیایی ، امکان استفاده از آنزیم ها و سایر کانالیزورهای بیولوژیکی از قبیل لیگنیازها نیز در رنگبری خمیر کاغذ مورد توجه قرار گرفته اند . از جمله موانعی که در مورد آنزیم ها وجود دارد ، دسترسی پذیری کم آنها و تمایل آنها به جذب در سطح الیاف است . بازیابی آنزیم ها نیز دشوار است و کار با آنها هزینه بیشتری دارد .
نگاه دیگری به رنگبری ، استفاده از آنزیم هایی است که پیوند بین لیگنین و پلی ساکاریدها را می شکنند . اگر یپوند بین لیگنین و کربوهیدرات ها در خمیر کاغذ سهم زیادی در رنگ خیمر داشته باشد ، این روش روشی ایده آل خوادهد بود . ثارت شده است که تیمار خمیر پهن برگان با مخلوط همی سلولازهای غنی از –B زایلاناز ، رنگبری خمیر را آسانتر می کند . اما معلوم نیست علت این امر شکستن پیوند لیگنین – زایلان است یا عوامل دیگری در کار است . یک عیب این روش ، کاهش همی سلولوزها از جمله زایلان در خمیر است .
به جای آنزیم ها ، استفاده از کاتالیزورهای به اصطلاح بایومی متیک نیز در رنگبری پیشنهاد شده است . در این راستا ، با استفاده از هموگلوبین به عنوان یک حامل اکسیژن آزمایش هایی انجام شده است . اما در مقایسه با آنزیم ها ، این نوع روش ها جنبه کاربردی نخواهند یافت .
جنبه های عمومی رنگبری
اگرچه خارج ساختن لیگنین باقیمانده از خمیر با عوامل رنگبر به صورت گزیننده تر و مؤثرتر از پخت مسیر است ، اما عوامل رنگبر گران قیمت هستند و حذف عوامل آلوده کننده محیط زیست حاصل از رنگبری بسیار دشوار است . در نتیجه ضروری است لیگنین زدایی در مرحله پخت را تا آنجا که ممکن است ادامه داد اگر چه در این مورد نیز محدودیت هایی وجود دارد در مورد پخت کرافت سوزنی برگان ، نقطه قطع پخت مربوط به زمانی است که لیگنین باقیمانده در خمیر حدود ۵% است . هنگامی که این خمیر در توالی عادی شامل رنگبری با کلر در اولین مرحله رنگبری می شود ، براساس یافته های گرانروی سنجی ، صرفاً اندکی وبسپارس سلولوز روی می دهد .
افت کربوهیدرات ها نیز متوسط است اما هنگامی که از مخلوط اکسیژن – قلیا برای اولین مرحله لیگنین زدایی استفاده می شود ، در همان ابتدای کار افت شدید گرانروی روی می دهد در این مورد ، هم وابسپارش سلولوز و هم افت کربوهیدرات ها شدید است . به همین دلیل ، لیگنین زدایی با اکسیژن را نمی توان خیلی طولانی کرد . در مرحله لیگنین زدایی با اکسیژن ، حدود ۵۰% لیگنین باقیمانده در خمیر رنگبری نشده را می توان خارج کرد . بقیه لیگنین را با سایر ترکیب های رنگبری باید از خمیر زدود .
مکانیسم عمل عوامل رنگبری تا حدی معلوم شده است . علاوه بر اکنش های شیمیایی ، فاکتورهای فیزیکی و مورفولوژیکی نیز نقش مهمی بر عهده دارند . بخش عمده دانش موجود درباره واکنش های شیمیایی ، به ویژه مکانیسم آنها ، مرهون کار با سیستم های ساده شده و ترکیب های مدل است . عقیده بر این است که ساختار ترکیب های مدل شبیه ساختار لیگنین باقیمانده در خمیر است . البته گاهی نتایج حاصل از این نوع مدل ها با مشاهدات تجربی در فرایندهای رنگبری تفاوت فاحش دارد .
به عنوان مثال ، بیشتر آزمایش های مدل در حالال های آلی انجام می شود ، در حالی که این آزمایش ها در محیط آبی ( شرایط واقعی رنگبری ) نتایج دیگری به دست می دهند . در سال های اخیر توجه زیادی به تعیین ساختار لیگنین باقیمانده شده است . بدون تردید ، آگاهی از ساختار تفصیلی لیگنین باقیمانده و ماهیت پیوند لیگنین کربوهیدرات ، به درک مکانیسم لیگنین زدایی و در نتیجه ، انتخاب بهترین شرایط رنگبری کمک می کند .
یک نمونه از تفاوت پاسخ عوامل رنگبر به خمیرهای سولفیت و کرافت      نشان داده شده است .
همانگونه که مشاهده می شود ، خارج ساختن لیگنین باقیماندهاز خمیر سولفیت آسان تر از خمیر کرافت است . این تفاوت پاسخ ، به ویژه در اولین مرحله رنگبری ( مرحله کلردار کردن ) آشکارتر است .
در حال حاضر ، این تفاوت ها را نمی توان به دقت توضیح داد . همین قدر می توان گفت که ساختار متراکم لیگنین کرافت و پیوند های عرضی آن با کربوهیدرات ها ، یک عامل مهم در این تفاوت به شمار می آید . در جریان خمیر سازی سولفیت ، ساختار لیگنین کمتر تغییر می کند و گروه های اسیدی قوی سولفونیک اسیدی وارد این ساختار می شود این گروه ها که در لیگنین باقیمانده خمیر رنگبری نشده نیز وجود دارند ، در همه گستره PH تفکیک می شوند و به آبدوستی خمیر در مرحله اسیدی کلردار کردن کمک می کنند . اما در خمیر گرافت ، تنها گروه های اسیدی ، گروه های هیدروکسیل فنولی و تعدادی گروه های کربوکسیل است که فقط در مرحله قلیایی تفکیک شده یونی می شوند و به این ترتیب به انحلال پذیری لیگنین کمک می کنند .
واکنش های لیگنین
کلروقلیا : واکنش های کلر با یک سوبسترای آلی از نوع یونی یا رادیکالی است . واکنش های لیگنین با ساختارهای آرماتیکی لیگنین عمدتاً از نوع استخلافی و اکسایشی و نیز تا حدی افزایشی به پیوندهای دوگانه شاخه های جانبی است . کلر و اجزای واکنش پذیر حاصل از آن الکتروندوست هستند و ترجیحاً به موضع های منفی حمله می کنند . چنین موضع های باردار بر اثر استخلاف ها به وجود می آیند . به عنوان مثال ، گروه های متوکسیل و نیز گروه های هیدروکسیل آزاد و اتری شده ، موقعیت های اورتو و پارای هسته آرماتیکی را فعال می کنند . به همین ترتیب ، پیوندهای دوگانه زنجیرهای جانبی که با حلقه آرماتیک مزدوج هستند ، مانند ساختارهای استیلبنی ، در معرض حمله های الکتروندوستی هستند .
کلردار شدن سبب استخلاف تعدادی از اتم های هیدروژن در هسته آرماتیکی و به طور همزمان ، تشکیل هیدروژن کلرید می شود . نتیجه دیگر حمله الکتروندوستی ، جابه جا شدن شاخه جانبی و تا حدی وابسپارش لیگنین است . در شرایط کلردار کردن (رنگبری) معمولی ، دست کم منصف کلر به کار رفته به سرعت در واکنش های استخلافی مصرف می شود . نیم دیگر کلر یا کمتر ، در واکنش های اکسایشی مصرف می شود که آنها نیز واکنش های سریعی هستند و در همان فاز اولیه رنگبری رخ می دهند . نتیجه اکسایش با کلر ، گسست وسیع حلقه های آروماتیکی و تولید دی کربوکسیلیک اسیدهای اشباع نشده کلردار شده از نوع موکونیک اسیدر در پلیمر لیگنین و متیل زدایی و تشکیل متانول است . حتی ساختارهای کینوبیدی و کاتکولی کلردار شده نیز تشکیل می شود ه دومی به آسانی اکسید می شود .
حتی اگر مکانیسم گسست اکسایشی پیوندهای اتری متحمل باشد ، ممکن است مکانیسم دیگری که شامل گسست هیدرولیتیک اولیه این پیوندها و سپس اکسایش کاتکول حاصل باشد نیز مکانیسم محتملی است .
عمل اکسایشی کلر از نوعی که بیان شد ، در مورد گروه های هیدروکسیل فنولی آزاد و اتری شده روی می دهد اما ، اگر چه ساختارهای آروماتیکی به شدت تخریب می شوند ، اتصال های بین واحدهای مونومری ، فقط تا حدی می شکنند و  بخش عمده فراورده های واکنش در حالت پلیمری هستند .
واکنش های مواد استخراجی
مواد استخراجی باقیمانده در خمیر ، به ویژه اگر آنها کلردار شده باشند ، به کیفیت خمیر آسیب می رسانند . در نتیجه ، ضروری است رنگبری را ر شرایطی انجام داد که مقدار مواد استخراجی در حداقل ممکن باشد . همچنین ، بسیار مهم است که از واکنش های تولید کننده مواد سمی یا مواد رزینی مضر جلوگیری شود . با این وجود ، به دلیل تنوع ترکیب های موجود و گاهی مضر حتی به مقدار بسیار کم ، سیستم بسیار پیچیده بوده کنترل آن دشوار است .
کلر معمولاً با ترکیب های اشباع نشده نظیر استرهای پایدار اسیدهای چرب موجود در خمیر پهن برگان واکنش های  افزایشی می دهد به ویژه ، مواد عصاره ای باقیمانده درخمیر پهن برگان ، پس از کلردار شدن ( رنگبری با کلر ) ، به ترکیب های دو کلردار شده تبدیل می شوند . زدودن این نوع ترکیب ها از خمیر در مراحل بعدی رنگبری بسیار دشوار است . برخلاف کلر ، دیوکسید کلر در واکنش های افزایشی شرکت نمی کند به جای آن ، عمل اکسایش را انجام می دهد . با اینجاد گروه های کربوکسیل در خمیر ، آبدوستی آن بهتر می شود و فراورده های واکنش بیشتر در آب حل می شوند . به همین دلیل است که اگر در اولین مرحله رنگبری به جای کلر از دیوکسید کلر استفاده شود ، مقدار مواد استخرای در خمیر رنگبری شده کاهش می یابد . مقدار کلر مواد عصاره ای باقیمانده نیز کم است .
رنگبری با اکسیژن پیش از مرحله کلردار کردن نیز مفید است زیرا این مرحله ، از تشکیل مواد عصاره ای کلردار شده جلوگیری می کند .
مایعات مصرف شده پس از رنگبری
رها کردن پساب های رنگبری خمیر کاغذ در طبیعت یک مشکل زیست محیطی جدی است که اخیراً مورد توجه واقع شده است . کاهش پساب های صنایع تولید خمیر رنگبری نشده ، یا انتخاب و رعایت بعضی معیارها ، از جمله سیستم های شستشوی بسته خمیر ، آسان است . اگر چه حجم پساب های کارخانه های رنگبری خمیر کاغذ رها شده است در طبیعت در دهه های اخیر به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است ، اما معلوم شده است که هنوز هم بهش عمده آلودگی محیط زیست ناشی از همین پساب هاست .
با رعایت معیارهای زیر ، می توان از حجم پساب های رنگبری خمیر کاغذ کاست .
۱- لیگنین زدایی بیشتر مثلاً از طریق بهبود گردش مایع پخت در دایجستر .
۲- رنگبری با اکسیژن که امکان استفاده از پساب حاصل در تهیه مایع پخت و در نتیجه بازسازی مواد شیمیایی را به وجود آورد .
۳- سیستم های جریان ناهمسو که سبب کاهش حجم پساب ها و افزایش درصد مواد جامد آنها می شود .
۴- جایگزین کردن کلر با دیوکسیدکلر
۵- بهبود مراحل رنگبریی نهایی با استفاده از مراحل اکسیژن ، هیدروژن پروکسید و اوزون .
۶- بهبود فرایندهای جانبی برای تخلیص و تصفیه پساب های رنگبری و نیز به کارگیری سیستم های کارآمدتر برای خنثی سازی لجن های فعال شده .
بیشتر این معیارها هم اکنون در کارخانه های خمیر و کاغذ جدید رعایت می شوند اما اقدام های انجام شده کافی نیست. به ویژه ضروری است راه هایی برای بهبود گزینندگی لیگنین زدایی با اکسیژن پیدا شود.
برای ارزیابی دقیق اثرات زیست محیطی ناشی از رها کردن پساب های رنگبری در طبیعت و نهرها و رودخانه ها ، تعیین دقیق ترکیب شیمیایی پساب ها و عوارض بیولوژیکی آنها بسیار ضروری است . پارامترهای رایج و سنتی برای ارزیابی این خطرات ، عبارتند از اکسیژن خواهی بیولوژیکی (BOD ) ، اکسیژن خواهی شیمیایی (COD) ، مواد جامد معلق کل (TSS) ، رنگ و سمیت حاد BOD معیار ساده ای است از مقدار مواد آلی تجزیه پذیر .
با اندازه گیری TSS , BOD پساب های کارخانه های خمیر کاغذ آمریکایی شمالی و اسکاندیناوی در طی دو دهه اخیر ، مشخص شده است که با وجود تقریباً دو برابر دشن تولید ، مقدار مواد سمی و مضر در پساب این کارخانه ها به حدود نصف کاهش یافته است .
از سال ۱۹۸۰ ، صرفاً با انجام آزمایش های مسمومیت حاد ماهیان ، بی مهرگان و جلبک ها ، جواز ادامه فعالیت کارخانه های خمیر و کاغذ تمدید می شود . در سال های گذشته ، بیشتر بر گازها و مواد مضر انباشته شوند در محیط زیست با غلظت های کم و با اثرهای قابل ظهور در دراز مدت تأکید می شد . پارامتر جدیدی که معرفی دشه است TOCI ( کلر آلی کل ) که بعداً با AOX ( هالوژن پیوند دار آلی قابل جذب ) جایگزین شد . AOX شامل همه مواد آلی کلردار بدون ملاحظه اثرهای خاص هر کدام است . اما خطرناکترین ترکیب ها با اثرهای زیست محیطی جدی ، مربوط به ترکیب های سبک مولکول و چربی دوست با غلظت کم در AOX است . علاوه بر مواد آلی ، یون های کلرات تولید شده از دیوکسیدکلر در واکنش های رنگبری نیز اثرات مخربی بر جلبک های قهوه ای دارد . همچنین ، از آنجا که بود یا نبود ترکیب های خطرناک در پساب های عملیات رنگبری ، بسته به شرایط و مراحل رنگبری ، به شدت متفاوت است ، نمی توان سمیت این پساب ها را صرفاً با تعدادی پارامتر اندازه گیری کرد . به همین دلیل است که تأکید بر AOX به عنوان یک پارامتر جامع و جهانی مورد انتقاد واقع شده است .
زرد شدن خمیرهای پربازده
خمیرهای پربازده را می توان تا حد زیاد اما به طور موقت سفید کرد . افت سفیدی یا پدیده « زرد شدن » ، یک خاصیت ذاتی خمیرهای لیگنین دار است و برای پایدار کردن سفیدی این نوع خمیرها ، پژوهش های زیادی انجام شده است . اما تا کنون ، روش عملی ، مناسب و اقتصادی برای رفع این مشکل پیدا نشده است و ناپایداری سفیدی ، همچنان نقطه ضعف خمیرهای پربازده نظیر CTMP , TMP , GW  است .
اگرچه کربوهیدرات ها و ماد عصاره ای نیز در رنگین شدن خمیرهای پربازده سهیم هستند ، اما علت اصلی این پدیده نامطلوب لیگنین است . رنگی شدن خمیر در فقدان نور هم روی می دهد ، اما در حضور نور و امواج UV نزدیک با طول موج زیر ۴۰۰mn شدت بیشتری می یابد . همانند رنگی شدن خمیر پربازده در تاریکی ، رنگی شدن در حضور نور نیز بر اثر اکسیژن شتاب بیشتری می یابد و رطوبت هوا تأثیر زیادی بر آن ندارد .
دانش ما درباره پدیده پیچیده رنگی شدن کاغذ و خمیر کاغذ پربازده ناقص است ، اما واضح است که آن دسته از ساختارهای لیگنین که در طول موج های ۳۰۰-۴۰۰nm جذب دارند ، در این پدیده نامطلوب سهم بیشتری دارند . طبق اولین واکنش ( مورد A ) ، در حضور اکسیژن و نور ، یک هیدروژن از ساختارهای مزدوج حامل گروه های هیدروکسیل فنولی آزاد (۱) گرفته میش ود . ادامه واکنش رادیکال های فنوکسی (۲) و پروکسی ، سبب تشکیل هیدروپروکسیدها و رادیکال های هیدروکسیل می شود که نتیجه آن ، تشکیل ساختارهای کینوییدی و سایر رنگسازها با مکانیسمی شبیه مکانیسم بیان شده .
گفته شده است که گروه های –a کربونیل در زنجیر جانبی لیگنین نقش کلیدی در پدیده رنگی شدن خمیر بر عهده دارد . طبق مورد B ، یک گروه –a کربونیل در ساختار فنولی یا غیر فنولی لیگنین (۱) ، بر اثر تابش ، به حالت برانگیخته (۲) تبدیل یم شود . سپس ، این جزء با یک ساختار دارای گروه هیدروکسیل فنولی آزاد (۳) ترکبی می شود که نتیجه آن ، رادیال بنزیل الکل (۴) و رادیکال فنوکسی (۵) است . سرانجام ، رادیکال (۴) بر اثر اکسیژن دوباره اکسید شده به ساختار کربونیلی اولیه تبدیل میشود . در نتیجه ، طبق این مکانیسم ، ساختارهای حامل گروه کربونیل به عنوان اجزای حساس کننده نوری عمل می کنند . سرانجام مورد C یک مسیر تغییر یافته است طبق آن ، گروه کربونیل تحریک شده ، انرژی خود را به یک مولکول اکسیژن در حالت پایه ( تریپلت ) منتقل می کند . سپس ، اکسیژن سینگلت حاصل ، یک اتم هیدروژن از یک گروه هیدروکسیل فنولی (۱) می گیرد . سپس ، واکنش های رادیکال فنوکسی (۲) که سبب رنگی شدن خمیر می شوند ، در حضور اکسیژن تریپلت ادامه می یابد .
پایداری سفیدی خمیرهای پربازده ، بر اثر احیای گروه های کربونیل لیگنین به گروه های الکلی به اتری کردن یا استری کردن گروه های هیدروکسیل فنولی ، به طور قابل ملاحظه ای بیشتر می شود . اما این نگرش کاربرد صنعتی ندارد . سایر روش ها از قبیل استفاده از انواع مواد پایدار کننده که مانع اثر ور و اکسیژن می شوند ، یعنی جاذب های UV و عوامل ضداکسایش ، هنوز در مرحله آزمایشگاهی و بررسی هستند . اگر چه تأثیر مثبت این روش ها و مواد بر پایداری سفیدی خمیر های پربازده ثابت شد است ، اما به دلایل اقتصادی و فنی ،؟ تاکنون هیچکدام از آنها کاربرد صنعتی پیدا نکرده اند .
جداسازی لیگنین
پس از خارج ساختن پلی ساکاریدها به وسیله آبکافت از چوب عاری از مواد استخراجی و عصاره ای ، لیگنین به صورت توده نامحلولی باقی می ماند . همچنین می توان لیگنین را آبکافت کرد و از چوب خارج نمود ، یا می توان آن را به مشتقات محلول تبدیل کرد . آنچه که به عنوان لیگنین کلازون شناخته شده است ، از طریق خارج ساختن پلی ساکاریدها به وسیله آبکافت با اسید سولفوریک ۷۲% از چوب عاری از مواد عصاره ای و رزین ها به دست می آید .
به این منظور ، سایر اسیدها را نیز می توان به کاربرد به طور کلی یان روش نقطه ضعف مهمی دارد و آن این است که در جریان عمل آبکافت ، ساختار لیگنین به شدت تغییر می کند . پلی ساکاریدها را به وسیله آنزیم ها نیز می توان از چوب کاملاً نرم شده خارج کرد . این روش خسته کننده است ، اما « لیگنین آنزیمی سلولولیتیک » ( CEL) ساختار اولیه خود را تا حدود زیادی به صورت تغییر نیافته حفظ می کند . همچنین لیگنین را می توان با استفاده از دیوکسان محتوی آب و هیدروکلریک اسید استخراج کرد ، اما در این مورد نیز تغییرات قابل ملاحظه ای در ساختار لیگنین روی می دهد .
علاوه بر لیگنین آنزیمی سلولولیتیک ، لیگنین بیورکمن که « لیگنین چوب آسیاب شده » ( MWL ) نیز نامیده می شود ، بهترین لیگنین شناخته شده است و در مطالعات مربوط به ساختار لیگنین غالباً این نوع لیگنین مورد استفاده قرار می گیرد . هگامی که چوب در یک آسیاب توپی به صورت خشک یا در حضور حلال های غیر متورم کننده ( از قبیل تولوئن ) آسیاب می شود ، ساختار سلولی چوب در هم شکسته می شود و از تعلیق حاصل ، قسمتی از لیگنین ( که معمولاً بیشتر از ۵۰% نسبت ) به وسیله استخراج با مخلوط آب و دیوکسان جدا می شود . لیگنین چوب آسیاب شده همیشه دارای مقدای کربوهیدرات است .
با هیدروژن گیری از کانیفریل الکل به وسیله هیدروژن پروکسید در حضور آنزیم پروکسید از ، لیگنین سنتزی به نام « پلیمر هیدروژن گیری » ( CHP) به دست می آید . به علاوه ، اخیراً لیگنین جدیدی به نام « لیگنین کشتی در حالت تعلق ( RSCL ) از سلول های چوب سرو تهیه شده است . RSCL یک لیگنین کانیفریلی عاری از کربوهیدرات است .
مشتقات انحلال پذیر لیگنین ( لیگنو سولفونات ها ) بر اثر ترکیب کردن وب با محلول دیوکسیدگوگرد و یون هیدروژن سولفیت در دمای بالا تشکیل می شود . همچنین وقتی چوب در دمای بالا ( ۱۷۰۰c ) با سدیم هیدروکسید با ، بهتر از آن ، با مخلوطی از سدیم هیدروکسید و سدیم سولفید ترکیب می شود . لیگنین به صورت لیگنین قلیایی یا لیگنین کرافت ( لیگنین سولفات ) به دست می آید . لیگنین بر اثر محلولی از هیدروکلریک اسید و تیوگلیکولیک اسید در ۱۰۰۰c به مشتقات انحلال پذیر در محلول های قلیایی تبدیل می شود .
لیگنین سوزنی برگان را به وسیله روش کلازون و به طریق وزن سنجی می توان تعیین کرد . چوب نرمال سوزنی برگان در حدود ۲۶ تا ۳۲% لیگنین دارد ، در حالی که مقدار لیگنین چوب فشاری ۳۵ تا ۴۰%
( به ضمیمه رجوع شود ) لیگنین موجود در پهن برگان تا حدودی در ضمن آبکافت اسیدی حل می شود . بنابراین ، ارقام حاصل از روش وزن سنجی باید با احتساب « لیگنین حل شده در اسید » و با استفاده از طیف بینی UV تصحیح شود .. روش های مستقیم طیف بینی UV برای تعیین مقدار لیگنین در چوب و خمیر کاغذ نیز توسعه یافته است . چوب نرمال پهن برگان در حدود ۲۰ تا ۲۸% لیگنین دارد ، اگر چه در پهن برگ های استوایی مقدار لیگنین به بیش از ۳۰% نیز می رسد . چوب کششی دارای ۲۰ تا ۲۳% لیگنین است

سفیدکردن
برای تولید کردن یک تن کاغذ تازه ، به 5 متر مکعب ، چوب که از 50 درخت بدست می آید، احتیاج است. در ترکیه شرکت دولتی سکا ، که 50% کاغذ را تولید می کند، تن چوب درخت را به مصرف می رساند. بازیابی 1 تن کاغذ باطله به مفهوم حفظ 17 درخت است. در سال 1992 در ترکیه نسبت بازیابی کاغذ باطله 32% و نسبت استفاده 45% بود. 66% از کاغذ باطله جمع آوری شده را بخش خصوصی و بقیه را سیکا استفاده می کند.

بازیابی کاغذهای باطله محیط زیست و جنگلها را حفظ و از هدر رفتن انرژی جلوگیری می کند. در ترکیه ، تقاضا برای کاغذ باطله هر سال 530000 تن است (15% از خارج وارد می شود). فقط یک واحد خصوصی مرکب زدایی با شناورسازی در آنکارا وجود دارد (26000 تن در سال). بقیه کاغذهای باطله جمع آوری شده ، بدون مرکب زدایی را کارخانه های دولتی استفاده می کنند. سیکا 19% و بخش خصوصی 66% کاغذ باطله را در سربرگهای خود استفاده می کنند. در ترکیه کمبود چشمگیری در کاغذ روزنامه وجود دارد.

عوامل موثر در بازیابی کاغذ :

مواد شیمیایی و پرکنهای کاغذ
روش جمع آوری و رده بندی کاغذ
نوع مرکب چاپ
عمر کاغذ باطله

مرکب زدایی کاغذ باطله بطور تجاری در سال 1950 شروع شد. در اروپا بطور مرتب از شناورسازی برای مرکب زدایی کاغذ باطله مورد بازیابی استفاده می شود. شناورسازی از نظر مصرب آب و کاهش الیاف بر روش شستشو ارجعیت دارد.

انواع مرکب و خواص آنها :

مرکب روغنی :

آبگریز است.
به سختی از کاغذ جدا می شود.
به سختی با شستشو از بین می رود.
آب شستشو محیط زیست را آلوده می کند.
میانگین اندازه ذرات آن 5 تا 10μm است.
مناسب برای فرآیند شناورسازی می باشد.
دارای چگالی پایین می باشد.

مرکب آبی:

آبدوست است.
به سادگی از کاغذ جدا می شود.
به سادگی با شستشو از بین می رود.
آب شستشو محیط زیست را آلوده نمی کند.
میانگین اندازه ذرات آن از 1μm کوچکتر است.
برای فرآیند شستشو به کار برده می شود.

ماهیت ذرات مرکب :

ذرات مرکب معمولی متشکل از مواد زیرند:

رنگدانه «کربن سیاه)
عوامل چسباننده (روغنی یا آبی)
افزودنیها «اسید آلی ، بسپارها)
پرکنها (پوشش دهنده و شفاف کننده)
خشک کنها

مرکب زدایی با شستشو:

مرکب زدایی با شستشو فرآیندی فیزیکی است که شامل شستشوی ذرات مرکب تا 10μm است در حالی که الیاف بزرگتر در توریها نگه داشته می شوند. جدول زیر مزایا و معایب مرکب زدایی با استفاده از روشهای شستشو و شناورسازی را نشان می دهد. امروزه اغلب سیستمها مرکب زدایی جدید نصب شده شامل هر دو سیستم شستشو و شناورسازی و شستشویی می شوند که انعطاف پذیری بیشتری در کار با مرکبهای گوناگون فراهم می کند.

خمیر سازی :

کاغذ باطله خردشده روزنامه سیاه و سفید با چاپ افست در دستگاه شناورسازی آزمایشگاهی بصورت لجن و خمیر درمی آید و مرکب درخمیر سازی از کاغذ باطله جدا می شود.

غربال کردن و شستشو:

عملیات غربال مرطوب و شستشو ، پیش از شناورسازی با غربال 0.044mm و پس از شناورسازی با غربال 0.037mm برای جدا کردن مرکب از الیاف اجرا می شود.

شناور سازی :

برای آزمایشهای شناورسازی از ماشین L1 شناورسازی دیفر استفاده می شود. PH با استفاده از NaOH در 9 تنظیم می شود. سدیم اولیات (5%) بعنوان گردآورنده از 10 تا mL/L30 به کار می رود. و (mL/L2 (250 Dowfroth به عنوان کف ساز استفاده می شود.

رنگبری :

پس از مرکب زدایی با شناورسازی ، ACE «ماده رختشویی) ، 2O2 و سود سوزآور به تنهایی یا به صورت مخلوط به عنوان عامل رنگبر به محفظه شناورسازی افزوده شد.

مرکب زدایی با شناورسازی :

چهار مرحله در مرکب زدایی کاغذهای باطله وجود دارد:

جدا کردن ذرات مرکب از الیاف کاغذ به وسیله لجن سازی در مجاورت مواد شیمیایی
تولید پاشیدگی پایدار ذرات در محلول موجود
شناورسازی ذرات مرکب
جلوگیری از رسوب دوباره ذرات مرکب روی الیاف

مقایسه روشهای شستشو و شناورسازی :

مزایا و معایب مرکب زدایی با شناورسازی :

استفاده از واکنشگر گران قیمت
اتلاف کم پرکن
بازیابی بالا
اتلاف کم ریزدانه ها
تصفیه ساده آب بازگشتی
مناسب برای مرکبهای روغنی

مزایا و معایب مرکب زدایی با شستشو:

فرآیند کم هزینه
استفاده از واکنشگرهای ارزان قیمت
اتلاف زیاد پرکن
بازیابی کم
اتلاف زیاد ریزدانه ها
تصفیه پیچیده آب بازگشتی
مناسب برای مرکبهای آبی

اثر اولیه سود سوزآور ، افزایش تورم الیاف سلولزی است. افزودن قلیا باعث صابونی شدن مواد چسباننده به مرکبهای چاپی مرسوم میشود. با افزایش غلظت قلیا ، بالا رفتن کارآیی مرکب زدایی نیز مشاهده می شود. به نظر می رسد جذب یون های OH- دامنه الکتروستاتیکی بین ذرات مرکب و الیاف را افزایش می دهد که به گسستگی بیشتر مرکب می انجامد.

در گام اول ، یونهای هیدروکسیل الیاف و ذرات مرکب را باردار می کنند. در گام دوم ، بخش آبگریز شوینده به ذرات مرکب می چسبد و تحت تاثیر دافعه منفی بین الیاف و رنگدانه ذره مرکب از الیاف بیرون می آید