La spappolatura è il processo mediante il quale i legami all'interno della struttura del legno vengono rotti meccanicamente o chimicamente. Le paste chimiche possono essere prodotte mediante processi alcalini (cioè solfati o kraft) o acidi (cioè solfiti). La percentuale più alta di polpa è prodotta con il metodo al solfato, seguito dai metodi meccanici (inclusi semichimici, termomeccanici e meccanici) e dai metodi al solfito (figura 1). I processi di spappolamento si differenziano per la resa e la qualità del prodotto, e per i metodi chimici, per le sostanze chimiche utilizzate e la percentuale che può essere recuperata per il riutilizzo.

Figura 1. Capacità mondiali di cellulosa, per tipo di cellulosa

Spappolamento meccanico

Le paste meccaniche vengono prodotte macinando il legno contro una pietra o tra lastre di metallo, separando così il legno in singole fibre. L'azione di taglio rompe le fibre di cellulosa, in modo che la polpa risultante sia più debole delle polpe separate chimicamente. La lignina che collega la cellulosa all'emicellulosa non è dissolta; si ammorbidisce semplicemente, consentendo alle fibre di essere macinate dalla matrice del legno. La resa (percentuale di legno originale nella polpa) è generalmente superiore all'85%. Alcuni metodi di spappolatura meccanica utilizzano anche sostanze chimiche (cioè le paste chimico-meccaniche); le loro rese sono inferiori poiché rimuovono più materiali non cellulosici.

Nella spappolatura del legno macinato a pietra (SGW), il metodo meccanico più antico e storicamente più comune, le fibre vengono rimosse dai tronchi corti premendole contro un cilindro abrasivo rotante. Nella raffinazione meccanica della polpa (RMP, figura 2), che ha guadagnato popolarità dopo essere diventata commercialmente praticabile negli anni '1960, i trucioli di legno o la segatura vengono alimentati attraverso il centro di un raffinatore a disco, dove vengono sminuzzati in pezzi più fini mentre vengono espulsi attraverso barre e scanalature progressivamente più strette. (Nella figura 2, le raffinerie sono racchiuse al centro dell'immagine e i loro grandi motori sono sulla sinistra. I trucioli vengono alimentati attraverso i tubi di grande diametro e la polpa esce da quelli più piccoli.) Una modifica di RMP è la spappolatura termomeccanica (TMP ), in cui i trucioli vengono cotti a vapore prima e durante la raffinazione, generalmente sotto pressione.

Figura 2. Spappolatura meccanica del raffinatore

Biblioteca Canfor

Uno dei primi metodi di produzione di paste chimico-meccaniche prevedeva la pre-vaporizzazione dei tronchi prima di farli bollire in liquori chimici per la pasta, quindi macinarli in macine di pietra per produrre paste "chemi-macinate". La moderna spappolatura chimico-meccanica utilizza raffinatrici a disco con trattamento chimico (ad es. bisolfito di sodio, idrossido di sodio) prima, durante o dopo la raffinazione. Le paste prodotte in questo modo sono denominate paste chimico-meccaniche (CMP) o paste chimico-termomeccaniche (CTMP), a seconda che la raffinazione sia stata effettuata a pressione atmosferica o elevata. Variazioni specializzate di CTMP sono state sviluppate e brevettate da numerose organizzazioni.

Polpa chimica e recupero

Le paste chimiche sono prodotte dissolvendo chimicamente la lignina tra le fibre di legno, consentendo così alle fibre di separarsi relativamente intatte. Poiché la maggior parte dei componenti del legno non fibroso viene rimossa in questi processi, le rese sono generalmente dell'ordine del 40-55%.

Nella pasta chimica, trucioli e prodotti chimici in soluzione acquosa vengono cotti insieme in un recipiente a pressione (digestore, figura 3) che può funzionare su base discontinua o continua. Nella cottura discontinua, il digestore viene riempito di trucioli attraverso un'apertura superiore, vengono aggiunti i prodotti chimici di digestione e il contenuto viene cotto a temperatura e pressione elevate. Una volta completata la cottura, la pressione viene rilasciata, "soffiando" la polpa delignificata fuori dal digestore e in un serbatoio di contenimento. La sequenza viene quindi ripetuta. Nella digestione continua, i trucioli pre-vaporizzati vengono immessi nel digestore a velocità continua. I trucioli e i prodotti chimici vengono miscelati insieme nella zona di impregnazione nella parte superiore del digestore e quindi procedono attraverso la zona di cottura superiore, la zona di cottura inferiore e la zona di lavaggio prima di essere soffiati nella vasca di soffiaggio.

Figura 3. Digestore continuo di kraft, con convogliatore di trucioli in costruzione

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I prodotti chimici per la digestione vengono oggi recuperati nella maggior parte delle operazioni di spappolatura chimica. Gli obiettivi principali sono recuperare e ricostituire i prodotti chimici della digestione dal liquido di cottura esaurito e recuperare energia termica bruciando il materiale organico disciolto dal legno. Il vapore e l'elettricità risultanti forniscono parte, se non tutto, il fabbisogno energetico del mulino.

Polpa e recupero del solfato

Il processo al solfato produce una polpa più forte e più scura rispetto ad altri metodi e richiede il recupero chimico per competere economicamente. Il metodo si è evoluto dalla polpa di soda (che utilizza solo idrossido di sodio per la digestione) e ha iniziato a guadagnare importanza nel settore dagli anni '1930 agli anni '1950 con lo sviluppo dei processi di sbiancamento con biossido di cloro e recupero chimico, che producevano anche vapore ed energia per il mulino. Anche lo sviluppo di metalli resistenti alla corrosione, come l'acciaio inossidabile, per gestire gli ambienti acidi e alcalini della cartiera ha avuto un ruolo.

La miscela di cottura (liquore bianco) è idrossido di sodio (NaOH, "caustico") e solfuro di sodio (Na₂S). La moderna spappolatura del kraft viene solitamente eseguita in digestori continui spesso rivestiti in acciaio inossidabile (figura 3). La temperatura del digestore viene aumentata lentamente fino a circa 170°C e mantenuta a tale livello per circa 3-4 ore. La polpa (chiamata brodo bruno per il suo colore) viene vagliata per rimuovere il legno crudo, lavata per rimuovere la miscela di cottura esaurita (ora liquore nero) e inviata all'impianto di sbianca o alla sala macchine per la pasta. La legna cruda viene restituita al digestore o inviata alla caldaia elettrica per essere bruciata.

Il liquore nero raccolto dal digestore e dalle rondelle marroni contiene materiale organico disciolto la cui esatta composizione chimica dipende dalle specie legnose macerate e dalle condizioni di cottura. Il liquore viene concentrato negli evaporatori fino a contenere meno del 40% di acqua, quindi spruzzato nella caldaia di recupero. La componente organica viene consumata come combustibile generando calore che viene recuperato nella parte superiore del forno sotto forma di vapore ad alta temperatura. Il componente inorganico incombusto si raccoglie sul fondo della caldaia come un fuso fuso. Il fuso fuoriesce dalla fornace e si dissolve in una soluzione caustica debole, producendo "liquore verde" contenente principalmente Na disciolto₂S e carbonato di sodio (Na₂CO₃). Questo liquido viene pompato in un impianto di ricausificazione, dove viene chiarificato, quindi fatto reagire con calce spenta
(Ca(OH)₂), formando NaOH e carbonato di calcio (CaCO₃). Il liquido bianco viene filtrato e conservato per un uso successivo. CaCO₃ viene inviato ad un forno da calce, dove viene riscaldato per rigenerare la calce (CaO).

Solfito spappolamento e recupero

La spappolatura al solfito ha dominato l'industria dalla fine del 1800 alla metà del 1900, ma il metodo utilizzato in quest'epoca era limitato dai tipi di legno che potevano essere spappolati e dall'inquinamento creato dallo scarico di liquori di cottura di scarto non trattati nei corsi d'acqua. Metodi più recenti hanno superato molti di questi problemi, ma la pasta al solfito è ora un piccolo segmento del mercato della pasta di cellulosa. Sebbene la polpa al solfito di solito utilizzi la digestione acida, esistono variazioni sia neutre che basiche.

Il liquore di cottura dell'acido solforoso (H₂SO₃) e ione bisolfito (HSO₃^-) è preparato in loco. Lo zolfo elementare viene bruciato per produrre anidride solforosa (SO₂), che viene fatto passare attraverso una torre di assorbimento che contiene acqua e una delle quattro basi alcaline (CaCO₃, la base solfito originale, Na₂CO₃, idrossido di magnesio (Mg(OH)₂) o idrossido di ammonio (NH₄OH)) che producono l'acido e lo ione e ne controllano le proporzioni. La spappolatura al solfito viene solitamente eseguita in digestori discontinui rivestiti in mattoni. Per evitare reazioni indesiderate, il digestore viene riscaldato lentamente fino a una temperatura massima di 130-140°C e le patatine vengono cotte a lungo (da 6 a 8 ore). All'aumentare della pressione del digestore, l'anidride solforosa gassosa (SO₂) viene dissanguato e rimescolato con l'acido di cottura grezzo. Quando rimane circa da 1 a 1.5 ore di tempo di cottura, il riscaldamento viene interrotto e la pressione viene ridotta facendo fuoriuscire gas e vapore. La polpa viene soffiata in un serbatoio di contenimento, quindi lavata e vagliata.

La miscela di digestione esaurita, chiamata liquore rosso, può essere utilizzata per il recupero di calore e sostanze chimiche per tutte le operazioni tranne che a base di bisolfito di calcio. Per la polpa di solfito a base di ammoniaca, il liscivio rosso diluito viene prima rimosso per rimuovere l'SOXNUMX residuo₂, poi concentrato e bruciato. I fumi contenenti SO₂ viene raffreddato e fatto passare attraverso una torre di assorbimento dove l'ammoniaca fresca si combina con essa per rigenerare il liquido di cottura. Infine il liquore viene filtrato, fortificato con SO fresca₂ e immagazzinato. L'ammoniaca non può essere recuperata perché viene convertita in azoto e acqua nella caldaia di recupero.

Nella spappolatura al solfito a base di magnesio, la combustione del liquido di spappolamento concentrato fornisce ossido di magnesio (MgO) e SO₂, facilmente recuperabili. Nessun odore viene prodotto in questo processo; piuttosto MgO viene raccolto dai fumi e spento con acqua per produrre idrossido di magnesio (Mg(OH)₂). COSÌ₂ viene raffreddato e combinato con il Mg(OH)₂ in una torre di assorbimento per ricostituire il liquido di cottura. Il bisolfito di magnesio (Mg(HSO₃)₂) viene quindi fortificato con SO fresco₂ e immagazzinato. È possibile recuperare dall'80 al 90% dei prodotti chimici di cottura.

Il recupero del liquore di cottura al solfito di sodio è più complicato. Il liquor esaurito concentrato viene incenerito e circa il 50% dello zolfo viene convertito in SO₂. Il resto del sodio e dello zolfo viene raccolto sul fondo della caldaia di recupero come odore di Na₂S e Na₂CO₃. L'odore viene sciolto per produrre liquore verde, che viene convertito in bisolfito di sodio (NaHSO₃) in più fasi. Il NaHSO₃ è fortificato e conservato. Il processo di rigenerazione produce gas di zolfo ridotto, in particolare idrogeno solforato (H₂S).

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