Ongelma sellutehtaalla

Transkriptio

1 Olette luokkanne kanssa yritysvierailulla sellutehtaalla ja tutustumiskierroksella törmäätte tehtaalla ilmenevään ongelmaan. Sellunvalmistusprosessi on jouduttu keskeyttämään putkistoa tukkivien ligniinisaostumien vuoksi. Prosessia hoitava henkilö on sairastunut, eikä häntä tai toista lomalla olevaa prosessinhoitajaa tavoiteta. Tehtaalla ei mistään onnistuta löytämään toimintaohjeita ligniinisaostumien poistoon. Kuitenkin ligniinisaostumat pitäisi saada mahdollisimman nopeasti liuotettua pois putkistosta, jotta tehdas pystyy jatkamaan selluntuotantoa. Koska olette kemian opiskelijoita, teille tarjotaan mahdollisuutta auttaa tehdasta tässä ongelmatilanteessa. Tehtävänne on tutkia tehtaan laboratoriossa, mikä olisi paras mahdollinen tapa poistaa saostumat putkistoista. TAUSTAA Puu sisältää noin % selluloosaa, noin % hemiselluloosaa ja noin % ligniiniä. Selluloosa on glukoosimolekyyleistä muodostuva pitkäketjuinen polysakkaridi, joka toimii kasvisolujen seinämien tuki- ja rakennusaineena. Ligniini on puukuituja yhteen sitova polyfenoli, jolla ei ole täysin selkeää rakennetta. Hemiselluloosa taas on haaroittunut polysakkaridi, joka sitoo puun selluloosaa ja ligniiniä toisiinsa.

2 Selluloosan rakenneosa Hemiselluloosan rakenneosa Ligniinin rakenteen malli Kasvisolun rakenne (Kuva: Edward M. Rubin, Genomics of cellulosic biofuels, Nature 454, no (print 2008): ) Kemiallisessa massanvalmistuksessa eli sellunkeitossa puun kuidut erotetaan toisistaan lisäaineiden ja lämmön avulla. Yleisimmin käytetty sellun valmistusmenetelmä on sulfaattimenetelmä, jossa ligniini liuotetaan emäksisen lipeäliuoksen avulla. Menetelmässä myös muita puun aineksia liukenee, joten kaikkea puuainesta ei saada täysin hyödynnettyä. Sellunkeitossa syntynyt ligniini ja orgaaninen aines kerätään mustalipeänä, joka väkevöidään ja poltetaan sähköenergian tuottamiseksi. Sellunkeitossa osa ligniinistä jää silti selluloosamassaan. Massa valkaistaan tarvittaessa, sillä ligniini värjää siitä valmistetun paperin tai kartongin ruskehtavaksi. Aivan kaikkea ligniiniä ei ole taloudellisesti ja tuotteen

3 ominaisuuksien kannalta järkevää poistaa keittämällä ja valkaisemalla. Todella vanhat paperit alkavatkin kellastua osittain siksi, että niissä on pieniä määriä ligniiniä. Olet varmaan huomannut, että myös uusi sanomalehtipaperi kellastuu nopeasti. Arvannet syyn olevan taas ligniinissä. Osa papereista ja kartongeista valmistetaan mekaanisella menetelmällä, jossa puumassasta ei pyritä poistamaan eri osia. Näin valmistetun paperin suuri ligniinipitoisuus kellastaa paperin melko nopeasti. ETUKÄTEISTEHTÄVÄ Tutustu puun rakenneosiin ja kirjoita muistiin puun kolme eri rakenneosaa. Millaisia eri papereita tiedät? Miten eri paperilaatujen ominaisuudet (kestävyys, väri..) eroavat toisistaan? Mikä värjää puunrungon kellertäväksi? Tiedätkö miksi käsittelemätön puu harmaantuu?. REAGENSSIT NaOH-liuokset (konsentraatiot: 1M, 0.1M, 1x10-2 M, 1x10-3 M, 1x10-4 M eli liuokset ph arvoilla 14 10) kraftligniinijauhe vesi

4 TARVIKKEET koeputkiteline 8 isoa koeputkea lusikka tai spaatteli iso dekantterilasi pieniä dekantterilaseja keitinlevy magneettisekoittaja tussi TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY Laboratoriotakki, -lasit ja hanskat. Natriumhydroksidi on emäs, joka kuivattaa ja syövyttää ihoa. Kemian opetuksen keskus Huuhtele roiskeet heti runsaalla vedellä! Tarvittaessa lääkäriin. Erottele kiinteä jäte nestemäisestä. Kiinteä jäte hävitetään sekajätteen mukana. Liuosjätteet neutraloidaan ja huuhdellaan runsaalla vedellä viemäristä. TYÖOHJE Ratkaistava ongelma: Kuinka poistaisitte ligniinisaostumat putkistosta? Tutkikaa mikä olisi paras mahdollinen ph liuokselle, jolla saostumat huuhdotaan pois. Miettikää ja kokeilkaa myös muita tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa ligniinin liukenemiseen. Käytössänne on listassa mainitut työvälineet ja NaOH-liuokset, joiden konsentraatiot tunnetaan. Konsentraatiosta voi päätellä ph-arvot, kun tiedetään, että 1M NaOH-liuoksen ph on 14 ja ph laskee 1 yksikön verran, kun liuoksen konsentraatio pienenee kymmenesosaan (eli 0,1M NaOH-liuoksen ph on 13). Lisätietona: Yleisesti ph lasketaan kaavalla: ph = -log[h 3 O + ] ja emäskonsentraatio kaavalla: poh = -log[oh - ]. Näiden välillä on yhteys: ph = 14 - poh Huomioitavaa: Kraftligniinijauhe on erittäin niukkaliukoista, joten käytä sitä vain hyvin pieniä määriä, esimerkiksi mahdollisimman vähän lusikankärjellä annosteltuna. Ole varovainen vahvojen emäsliuosten käsittelyssä, sillä ne ovat syövyttäviä.

5 POHDINTAA Mitkä tekijät yleisesti vaikuttavat liukenemiseen? Millaista liuosta käyttäisit ligniinisaostumien poistoon? Mitä muita liukenemiseen vaikuttavia tekijöitä ottaisit huomioon saostuman poistamisessa? Miettikää syitä, miksi ligniiniä ei poisteta suoraan mahdollisimman väkevällä liuoksella. Tiedätkö, mitä on mustalipeä ja mistä mustalipeän väri johtuu? Keksitkö käyttökohteita sellun keittoprosessissa syntyneelle ligniinille? Miten kopio-, aikakauslehti- ja sanomalehtipaperi, sekä pahvi ja pakkauskartongit tulee kierrättää?