تطبيق مولد الأوزون في تبييض اللب

1. مقدمة

صناعة الورق هي قطاع أساسي واستراتيجي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتنمية الاقتصادية الوطنية وسبل عيش الناس. ومع ذلك، فإن عمليات تبييض اللب التقليدية القائمة على الكلور تولد مياه صرف تحتوي على ملوثات مقاومة وسامة مثل الهالوجينات العضوية القابلة للامتصاص (AOX) والديوكسينات، مما يسبب تلوثًا بيئيًا شديدًا. مع تشديد اللوائح البيئية والسياسات الوطنية التي تعزز الحفاظ على الطاقة، وخفض الانبعاثات، والتنمية الخضراء منخفضة الكربون، تم اعتماد تقنيات التبييض الخالية من الكلور العنصري (ECF) والخالية تمامًا من الكلور (TCF) على نطاق واسع. من بين هذه التقنيات، حظي التبييض بالأوزون باهتمام متزايد في صناعة اللب والورق نظرًا لقصر مسار العملية، وسرعة التفاعل العالية، وانخفاض تكلفة التبييض، وانخفاض تصريف مياه الصرف.

2. خصائص الأوزون وآلية التبييض

الأوزون (O₃) هو مؤكسد قوي بجهد أكسدة يبلغ 2.07 إلكترون فولت، وهو أعلى بكثير من جهد الكلور (1.36 إلكترون فولت) وثاني أكسيد الكلور (1.5 إلكترون فولت). في صناعة الورق، يُنتَج الأوزون عادةً في الموقع من الأكسجين باستخدام الطاقة الكهربائيةعبر مولد الأوزون, بتركيز أوزون يتراوح بين 8% و14% من حيث الحجم. يتطلب إنتاج 1 كجم من الأوزون حوالي 12.24 كيلوواط/ساعة من الكهرباء، وهو ما يعادل الطاقة والتكلفة اللازمة لإنتاج ثاني أكسيد الكلور.

أثناء تبييض اللب، يتفاعل الأوزون مع اللجنين، مما يكسر الروابط بين ذرات الكربون في الحلقات العطرية لكل من هياكل اللجنين الفينولية وغير الفينولية. يحقق هذا التحلل التأكسدي للجنين إزالة اللون وتبييض اللب.

3. مزايا تبييض الأوزون

يقدم تبييض الأوزون العديد من الفوائد الهامة:

1. صديق للبيئة – عملية خالية تمامًا من الكلور (TCF)
   تحتوي مياه التبييض بالأوزون على هالوجينات عضوية غير قابلة للامتصاص (AOX)، مما يجعلها أكثر صداقة للبيئة. مقارنة بالتبييض التقليدي القائم على الكلور، لا ينتج التبييض بالأوزون مركبات كلورية عضوية.

2. أداء تبييض ممتاز وسطوع عالي لللب
   باعتباره مؤكسدًا قويًا، يتميز الأوزون بتفاعلية عالية. تظهر الخبرة العملية في المصانع الخارجية أن سطوع اللب يمكن أن يصل بسهولة إلى 93% ISO باستخدام التبييض بالأوزون. أفادت الدراسات أنه في ظل ظروف تركيز اللب بنسبة 40% وجرعة أوزون تبلغ 0.9 كجم/(دقيقة·طن)، يمكن زيادة سطوع لب قصب السكر المعالج بالأكسجين والقلويات من 58.6% إلى 74.5% ISO.

3. تقليل تكاليف التبييض
   تشير الأبحاث إلى أن 1 كجم من الأوزون له قدرة تبييض تعادل 2–3 كجم من ثاني أكسيد الكلور، ومع ذلك فإن تكلفة إنتاج 1 كجم من الأوزون مماثلة تقريبًا لتكلفة 1 كجم من ثاني أكسيد الكلور. وبالتالي، يمكن للتبييض بالأوزون أن يخفض التكاليف الإجمالية للتبييض بشكل فعال.

4. انخفاض تصريف مياه الصرف وتقليل حمل التلوث
   لا يحتوي المرشح الناتج عن مرحلة التبييض بالأوزون على أيونات كلوريد وهو غير قابل للتآكل. محتواه من الكلور منخفض ويمكن إعادة تدويره بعد المعالجة. باستخدام التبييض بالأوزون، يمكن تقليل تصريف مياه الصرف الصحي لكل طن من اللب إلى أقل من 10 متر مكعب، وحتى إلى 5 متر مكعب. كما تنخفض بشكل كبير كل من AOX وCODcr في مياه الصرف الناتجة عن التبييض.

5. توفير الطاقة وسرعة التفاعل
   يعمل التبييض بالأوزون في درجات حرارة منخفضة ولا يتطلب عمومًا تسخين اللب بالبخار، مما يوفر استهلاك البخار. من بين جميع عوامل تبييض اللب، يتمتع الأوزون بأعلى تفاعلية وأقصر وقت تفاعل، لذا يمكن أن يكون مفاعل التبييض مضغوطًا جدًا، مما يقلل بشكل كبير من الاستثمار الرأسمالي.

6. انخفاض عودة السطوع وتحسين قابلية تشغيل آلة الورق
   يقلل التبييض بالأوزون بشكل كبير من ميل عودة سطوع اللب (الاصفرار) ويقلل محتوى المواد المستخلصة في اللب بنسبة 50%–75%، مما يساعد على تحسين قابلية تشغيل آلة الورق.

4. التحديات والحلول في التبييض بالأوزون

على الرغم من مزاياه، يواجه التبييض بالأوزون بعض التحديات. المشكلة الرئيسية هي أن الأوزون عامل مؤكسد غير انتقائي – فبينما يتفاعل مع اللجنين، يمكنه أيضًا تحطيم الكربوهيدرات (السليلوز والهيميسليلوز)، مما يؤدي إلى انخفاض لزوجة اللب وضعف خواص القوة.

من خلال البحث الطويل في العملية، يمكن تخفيف هذه المشكلة بفعالية عبر التدابير التالية: التحكم في جرعة الأوزون، ضبط وقت التفاعل، وإضافة عوامل حماية (مثل حمض الأكساليك). أظهرت الدراسات أنه تحت ظروف درجة حرارة التبييض 10 درجات مئوية، تركيز الأوزون 80 جم/نيوتن متر مكعب، وجرعة حمض الأكساليك 1.0%، يمكن للب الأوكالبتوس تحقيق سطوع بنسبة 72.8% ISO مع لزوجة 678 مل/جم، ويكون للورق الناتج مؤشر شد 78.9 نيوتن·م/جم، مع استيفاء جميع الخواص الفيزيائية لمعايير الأداء الجيدة.

5. الوضع الحالي والآفاق المستقبلية

في عام 1992، كان مصنع يونيون كامب في فرانكلين، فيرجينيا، الولايات المتحدة الأمريكية، أول من قام بتسويق التبييض بالأوزون. بحلول سبتمبر 2011، كان 23 مصنعًا لللب حول العالم، بإجمالي 26 خط إنتاج، يستخدمون تقنية التبييض بالأوزون. وقد وصلت الطاقة الإنتاجية لـالمتقدمةمولد الأوزونالآن إلى 750–1000 كجم/ساعة، وهو ما يكفي لتلبية احتياجات التبييض لمصنع لب بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 650,000 طن.

في الصين، بدأ البحث النظري حول التبييض بالأوزون في الثمانينيات وقد وضع أساسًا متينًا. في السنوات الأخيرة، مع التحسينات المستمرة فيتحسيناتمولد الأوزونوأوعية التفاعل من قبل مصنعي المعدات المحليين والدوليين، تظهر شركات اللب والورق الصينية اهتمامًا متزايدًا وتبنيًا لتقنية التبييض بالأوزون.

6. الاستنتاج

تعتبر تقنية التبييض بالأوزون، كعملية تبييض لب الورق خضراء وفعالة، مزايا بارزة في تحسين سطوع اللب، تقليل انبعاثات الملوثات، وخفض تكاليف التبييض. مع تزايد صرامة المتطلبات البيئية والتقدم المستمر في توليد الأوزون، من المتوقع أن تصبح عملية التبييض بالأوزون عملية تبييض نظيفة رئيسية في صناعة اللب والورق، مع تطبيق أوسع في المستقبل.