Zostałaś(eś) przekierowany do lokalnej wersji strony
Zapytaj o ofertę
Kontrola jakości masy celulozowej i papieru oraz testy przesiewowe za pomocą spektroskopii NIR

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

15 sty 2024

Artykuł

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.

Global paper, tissue, and board production share by country in 2019. Source: Statista
Rysunek 1. Udział światowej produkcji papieru, bibuły i tektury według kraju w 2019 r. [1].

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.

Przygotowanie surowców (drewna) zazwyczaj obejmuje rozdrabnianie, korowanie, odpryski i przesiewanie. 

Jak sama nazwa wskazuje, korowanie usuwa zewnętrzną warstwę kory z kłód przed rozdrabnianiem, ponieważ kora jest zanieczyszczeniem w procesie roztwarzania. Po okorowaniu kłody przepuszczane są przez rozdrabniarkę. W ten sposób powstają zrębki o stałym rozmiarze i kształcie, co pozwala zmaksymalizować wydajność procesu roztwarzania. 

Ostatnim etapem przygotowania surowca jest przesiew zrębków. Zrębki drzewne, które są zbyt małe lub duże, są oddzielane od masy i wykorzystywane do odzyskiwania energii lub kierowane do dalszego przetwarzania.

W procesie roztwarzania chemicznego wiązania ligniny i celulozy ulegają rozkładowi. Dzieje się to w wysokociśnieniowej komorze fermentacyjnej, w której stosuje się różne chemikalia. Najpopularniejszą metodą roztwarzania drewna jest tzw. Proces Krafta. 

Wodny roztwór wodorotlenku sodu i siarczku sodu, tzw. «biały trunek», selektywnie rozpuszczają ligninę. Po dwóch do czterech godzinach mieszaninę odprowadza się z komory fermentacyjnej. Miąższ myje się w celu oddzielenia go od produktów ubocznych ("czarny likier", chemikalia do roztwarzania masy celulozowej i odpady drzewne). 

Ta obrobiona masa celulozowa, zwana na tym etapie procesu „brunatną masą”, jest gotowa do wybielenia.

Wybielanie polega na dodawaniu środków chemicznych do poddanej obróbce masy celulozowej w różnych kombinacjach, w zależności od końcowego zastosowania produktu. 

Najpopularniejszymi chemikaliami wybielającymi są chlor, dwutlenek chloru, nadtlenek wodoru, tlen, soda kaustyczna i podchloryn sodu. Obawy związane z tworzeniem się chlorowanych produktów ubocznych, takich jak dioksyny, furany i chloroform, spowodowały odejście od stosowania chlorowanych środków chemicznych w procesie bielenia. 

Ścieki z tego etapu są gromadzone w zbiornikach i albo ponownie wykorzystywane na innych etapach jako woda do mycia, albo kierowane do oczyszczania ścieków.

Przygotowanie masy celulozowej obejmuje rozdrabnianie, mechaniczną obróbkę wstępną, mieszanie mas o różnej jakości oraz wprowadzanie wypełniaczy i innych dodatków do produkcji papieru. Rodzaj procesu różni się w zależności od jakości papieru.

Illustration of the general pulp and paper manufacturing process.
Rysunek 2. Ilustracja przedstawiająca ogólny proces produkcji masy celulozowej i papieru.

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). 

Near-infrared spectra resulting from the interaction of NIR light with paper samples.
Rysunek 3. Widma bliskiej podczerwieni powstałe w wyniku oddziaływania światła NIR z próbkami papieru. Zwróć uwagę na piki przypisane zawartości wilgoci, celulozy i grup hydroksylowych.

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. 

Po lewej: Pomiar próbek stałych zwykle przeprowadza się w kubkach na próbki. Po prawej: tryb pomiaru nazywany jest odbiciem rozproszonym, w którym próbka jest wystawiona na działanie światła, a rozproszone światło odbite zostaje absorbowane.
Rysunek 4. a) Pomiar próbek stałych przeprowadza się zazwyczaj w kubkach na próbki. b) Tryb pomiaru nazywany jest odbiciem rozproszonym, w którym próbka jest wystawiona na działanie światła, a rozproszone światło odbite zostaje absorbowane.

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.

Tabela 1. Różne badania przesiewowe i kontrola jakości parametrów wyrobów celulozowo-papierniczych wraz z typową metodą stosowaną do analizy.

Część procesuParametrKonwencjonalna metoda analizy
Analiza surowcówGęstość nasypowaDensymetria
Zawartość wilgociMiareczkowanie Karla Fischera
Badania mające na celu poprawę genetyczną:
Wydajność pulpyAnaliza grawimetryczna
Zawartość celulozyAnaliza grawimetryczna
Zawartość ligninyHydroliza / Analiza grawimetryczna / Fotometria
Roztwarzanie chemiczne i wybielanieZawartość ligninyHydroliza / Analiza grawimetryczna / Fotometria
Zawartość celulozyAnaliza grawimetryczna
Zawartość żywicy HPLC
Numer KappyMiareczkowanie
Siła rozbijaniaTest ściskania o krótkiej rozpiętości (SCT)
Siła wyboczeniaTest zgniatania pierścienia (RCT)
Wytrzymałość na rozciąganieTensometria
Wolność miąższuKanadyjski standardowy test mętności (CSF)
Alkohol i surowy olej talowyMiareczkowanie
Gotowy produkt QCZawartość wilgociMiareczkowanie Karla Fischera
Gramatura papieruAnaliza grawimetryczna
Zawartość popiołuPiekarnik
Poziomy silikonuGC
Stosunek drewna liściastego do drewna iglastegoMikroskopia
Warstwy powłokiFotometria

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 2. Dostępne wstępne kalibracje NIRS do analizy kluczowych parametrów jakościowych produktów celulozowych.

ParametrZakresStandardowy błąd walidacji krzyżowej (SECV)R2
Zastosowana gęstość (g/cm3)0,2–0,650,0390,855
Wytrzymałość na wyboczenie (MPa)20–947,40,821
Wytrzymałość na zrywanie (MPa)6–322,60,828
Wytrzymałość na rozciąganie (MPa)6–6850,905
Numer Kappy0–1753,80,996
Wolność miąższu (ml)130–800720,766

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. 

Tabela 3. Przykład analizy wieloskładnikowej masy drzewnej przy użyciu Vis-NIRS.


Parametr		Liczby zasług
R2Standardowy błąd kalibracji (SEC)SECV
Numer Kappy0,9862,9 mg3,0 mg
Zastosowana gęstość0,9030,0292 g/cm230,0308 g/cm23
Wolność miąższu0,78568ml71ml
Siła rozbijania0,8032,5 MPa2,6 MPa
Siła wyboczenia0,7687,2 MPa7,4 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie0,8755 MPa5 MPa

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)

Zwiększ wydajność w laboratorium kontroli jakości: jak NIRS pomaga obniżyć koszty nawet o 90%

Kliknij i pobierz - wersja EN

Niedocenianie procesów kontroli jakości jest jednym z głównych czynników prowadzących do wewnętrznych i zewnętrznych awarii produktów, które według doniesień powodują utratę obrotów o 10–30%. W rezultacie wprowadzono wiele różnych norm, które mają wspierać producentów w tym zakresie. Jednakże czas potrzebny na uzyskanie wyniku i związane z nim koszty środków chemicznych mogą być dość nadmierne, co powoduje, że wiele firm wdraża spektroskopię w bliskiej podczerwieni w procesie kontroli jakości. Poniższe opracowanie ilustruje potencjał NIRS i przedstawia potencjał oszczędności kosztów do 90%.

Autor
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Kontakt

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Kontakt

DS2500 Solid Analyzer

DS2500 Solid Analyzer

2.922.0010

Robust near-infrared spectroscopy for quality control, not only in laboratories but also in production environments.The DS2500 Analyzer is the tried and tested, flexible solution for routine analysis of solids, creams, and optionally also liquids along the entire production chain. Its robust design makes the DS2500 Analyzer resistant to dust, moisture, vibrations, and temperature fluctuations, which means that it is eminently suited for use in harsh production environments.The DS2500 covers the full spectral range from 400 to 2500 nm and delivers accurate, reproducible results in less than one minute. The DS2500 Analyzer meets the demands of the pharmaceutical industry and supports users in their day-to-day routine tasks thanks to its simple operation.Thanks to accessories tailored perfectly to the instrument, optimum results are achieved with every sample type, no matter how challenging it is, e.g. coarse-grained solids such as granulates or semi-solid samples such as creams. The MultiSample Cup can help improve productivity when measuring solids, as it enables automated measurements of series containing up to 9 samples. 

Pre-calibration for the lumber industry

Pre-calibration for the lumber industry

6.6072.300

Pre-calibration for the determination of the kappa number and density as well as breaking, tensile and buckling strength in wood pulp by means of NIR spectroscopy.

DS2500 large sample cup

DS2500 large sample cup

6.7402.050

Large sample cup for the spectral recording of powders and granulates in reflection at various sample positions using the NIRS DS2500 Analyzer.

Vision Air 2.0 Complete

Vision Air 2.0 Complete

6.6072.208

Vision Air - Universal spectroscopy software. Vision Air Complete is a modern and simple-to-operate software solution for use in a regulated environment.Overview of the advantages of Vision Air: Individual software applications with adapted user interfaces ensure intuitive and simple operation; Simple creation and maintenance of operating procedures; SQL database for secure and simple data management; The Vision Air Complete version (66072208) includes all applications for quality assurance using Vis-NIR spectroscopy: Application for instrument and data management; Application for method development; Application for routine analysis; Additional Vision Air Complete solutions: 66072207 (Vision Air Network Complete); 66072209 (Vision Air Pharma Complete); 66072210 (Vision Air Pharma Network Complete);  

2 / 4

Powiązane aplikacje (16)

Identification of Forensic Fabrics Using a Portable Raman Spectrometer
// Obronność & bezpieczeństwo (CBRNE) // Tekstylia & skóra // Papier & celuloza, tekstylia & skóry
NanoRam-1064 Fast Fact: Raw Material Verification of Cellulose and its Derivatives
// Identification, qualification // Spektroskopia (NIR i Raman) // Żywność i napoje
Pulp and paper analyses using near-infrared spectroscopy
// Moisture-water // Lipids, cellulose, lignin, proteins, // Paper pulp-wood pulp
Textile analysis using near-infrared spectroscopy
// Tekstylia & skóra // Moisture-water // Other
2 / 4