Mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosulfonat từ dịch đen bột giấy sulfat

Luận án mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosulfonat từ dịch đen của NCS Nguyễn Trường Giang

• Tác giả: Nguyễn Trường Giang
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Trung Kiên
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosulfonat từ dịch đen bột giấy sulfat
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Dịch đen từ nhà máy sản xuất giấy
• 1.1. Các đặc tính vật lý
• 1.2. Các đặc tính hóa học
• 1.3. Cấu trúc phân tử lignin
• 1.4. Các nhóm chức trong lignin
• 1.5. Lignin trong công nghiệp giấy
• 1.6. Tính chất của lignin kraft
• 1.7. Các phương pháp tách lignin từ dịch đen
• 1.8. Ứng dụng của lignin
• 1.9. Biến đổi lignin
• 1.10. Cấu trúc phân tử lignosulfonat
• 1.11. Tính chất của lignosulfonat
• 1.12. Tính chất hoạt động bề mặt của lignosulfonat
• 1.13. Các phương pháp tổng hợp lignosulfonat
• 1.14. Tổng quan các nghiên cứu tổng hợp lignosulfonat từ lignin kiềm
• 1.15. Nghiên cứu động học quá trình tổng hợp lignosulfonat
• 1.15.1. Động hóa học và các thông số động học phản ứng
• 1.15.2. Tình hình nghiên cứu động học quá trình tổng hợp lignosulfonat
• 1.15.3. Kỹ thuật phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC) trong phân tích động học
• 1.15.4. Phương pháp động học đẳng nhiệt
• 1.15.5. Một số nghiên cứu về động học quá trình phản ứng sử dụng phương pháp DSC đẳng nhiệt
• 1.16. Ứng dụng của lignosulfonat làm chất trợ nghiền trong xi măng
• 1.17. Ứng dụng của lignosulfonat
• 1.18. Một số phụ gia trong xây dựng
• 1.18.1. Phụ gia giảm nước
• 1.18.2. Chế tạo phụ gia giảm nước
• 1.18.3. Cơ chế giảm nước
• 1.18.4. Ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất hỗn hợp bê tông
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu, hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4. Tách lignin từ dịch đen nhà máy giấy
• 2.5. Tối ưu hóa quá trình tách lignin
• 2.6. Tổng hợp lignosulfonat theo phương pháp metylsulfo hóa
• 2.7. Phương pháp nhiệt quét vi sai (DSC)
• 2.8. Các phương pháp phân tích
• 2.8.1. Xác định các thông số trong dịch đen
• 2.8.2. Xác định hàm lượng lignin
• 2.8.3. Xác định sức căng bề mặt dung dịch lignosulfonat
• 2.8.4. Xác định độ sulfo hóa và phổ hồng ngoại
• 2.8.5. Phương pháp phân tích nguyên liệu, sản phẩm và đánh giá hiệu quả của chất trợ nghiền
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tách lignin từ dịch đen
• 3.2. Các tính chất hóa lý của dịch đen
• 3.3. Điều kiện tối ưu tách lignin từ dịch đen
• 3.4. Xác định thông số các biến công nghệ
• 3.4.1. Kế hoạch bậc hai hỗn hợp trực giao Box – Wilson. Tối ưu hàm mục tiêu
• 3.5. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của lignin
• 3.6. Tổng hợp lignosulfonat bằng phương pháp metylsulfo
• 3.6.1. Ảnh hưởng của các yếu tố tới phản ứng tổng hợp lignosulfonat
• 3.6.1.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.6.2. Các tính chất của lignosulfonat tổng hợp từ phản ứng một giai đoạn
• 3.6.3. Đánh giá kết quả tổng hợp lignosulfonat
• 3.6.4. Mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosulfonat bằng phương pháp metylsulfo hóa
• 3.7. Độ tan của lignin tại các pH khác nhau
• 3.8. Sự thay đổi pH của phản ứng tạo tác nhân
• 3.9. Xác định các thông số động học của phản ứng tổng hợp lignosulfonat theo quy trình hai giai đoạn
• 3.9.1. Xác định các thông số động học
• 3.9.2. Mô hình hóa phản ứng tổng hợp lignosulfonat hai giai đoạn trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn đẳng nhiệt
• 3.9.3. Kiểm chứng lại mô hình bằng thực nghiệm
• 3.10. Đề xuất quy trình tổng hợp lignosulfonat theo phương pháp metylsulfo hóa cải tiến
• 3.11. Đánh giá so sánh hai quá trình tổng hợp LS
• 3.12. Tính chất vật lý của lignosulfonat được tổng hợp theo phản ứng hai giai đoạn
• 3.13. Phổ hồng ngoại của lignosulfonat tổng hợp theo hai quy trình
• 3.14. Độ sulfo hóa của sản phẩm lignosulfonat tổng hợp theo quy trình hai giai đoạn
• 3.15. Hiệu suất quá trình tổng hợp lignosulfonat
• 3.16. Ứng dụng LS cho sản xuất phụ gia trợ nghiền xi măng
• 3.16.1. Hiệu quả trợ nghiền phụ gia trợ nghiền tăng mác
• 3.16.2. Ảnh hưởng của phụ gia trợ nghiền tăng mác đến tính chất hóa lý khác của xi măng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về dịch đen và lignosulfonat

Dịch đen là sản phẩm thải ra từ quá trình nấu và rửa bột giấy, chứa nhiều hợp chất hữu cơ và hóa chất. Đặc điểm nổi bật của dịch đen là độ nhớt cao và màu sắc tối, với nồng độ chất khô từ 25-35%. Theo nghiên cứu, thành phần chính trong dịch đen bao gồm lignin, axit hữu cơ và các hợp chất vô cơ. Lignin, một thành phần quan trọng trong dịch đen, có khả năng tạo ra lignosulfonat khi trải qua quá trình sulfo hóa. Lignosulfonat là một dẫn xuất của lignin, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như chất hoạt động bề mặt trong sản xuất xi măng và xây dựng. Việc tận dụng lignin từ dịch đen để sản xuất lignosulfonat không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tăng giá trị kinh tế cho ngành công nghiệp giấy.

II. Quy trình tổng hợp lignosulfonat

Quá trình tổng hợp lignosulfonat từ lignin có thể được chia thành các giai đoạn chính, bao gồm tách lignin từ dịch đen và sulfo hóa lignin. Tách lignin thường sử dụng các phương pháp như xử lý nhiệt và hóa học để thu hồi lignin từ dịch đen. Sau đó, lignin được sulfo hóa bằng các tác nhân sulfo hóa như NaHSO3 để tạo ra lignosulfonat. Quy trình này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất thu hồi lignin mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chất lượng lignosulfonat. Việc mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosulfonat giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế.

2.1. Tách lignin từ dịch đen

Tách lignin từ dịch đen là bước quan trọng trong quy trình tổng hợp lignosulfonat. Các phương pháp tách lignin thường được áp dụng bao gồm xử lý nhiệt, xử lý hóa học và các phương pháp kết hợp. Xử lý nhiệt giúp giảm độ nhớt của dịch đen, trong khi xử lý hóa học sử dụng các tác nhân như NaOH để làm tăng khả năng hòa tan của lignin. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện tách lignin có thể dẫn đến hiệu suất thu hồi cao hơn và giảm thiểu ô nhiễm trong quá trình sản xuất. Đặc biệt, việc xác định các thông số như nhiệt độ, thời gian và pH là rất cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất trong quá trình tách lignin.

2.2. Sulfo hóa lignin

Sulfo hóa lignin là quá trình chuyển đổi lignin thành lignosulfonat, một chất có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Quá trình này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các tác nhân sulfo hóa như NaHSO3 trong điều kiện kiểm soát nhiệt độ và pH. Nghiên cứu cho thấy rằng thời gian phản ứng và tỷ lệ giữa lignin và tác nhân sulfo hóa có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sulfo hóa. Việc mô hình hóa quá trình sulfo hóa không chỉ giúp dự đoán kết quả mà còn tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để đạt được sản phẩm chất lượng cao. Lignosulfonat thu được từ quá trình này có thể được sử dụng làm phụ gia trong ngành xây dựng và sản xuất xi măng, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.

III. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng của lignosulfonat

Lignosulfonat, sản phẩm thu được từ quá trình sulfo hóa lignin, đã cho thấy nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành xây dựng và sản xuất xi măng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lignosulfonat có khả năng giảm nước, cải thiện tính dẻo và tăng cường tính chất cơ lý của bê tông. Việc sử dụng lignosulfonat làm phụ gia trợ nghiền không chỉ giúp tăng cường hiệu suất nghiền mà còn giảm thiểu lượng nước cần thiết trong quá trình sản xuất xi măng. Đặc biệt, lignosulfonat còn có khả năng cải thiện khả năng chống lại lực kéo và lực uốn của bê tông, điều này rất quan trọng trong các công trình xây dựng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất lignosulfonat từ dịch đen không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Ứng dụng trong ngành xây dựng

Lignosulfonat được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng như một chất phụ gia trong sản xuất bê tông và xi măng. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng lignosulfonat có khả năng giảm lượng nước cần thiết trong hỗn hợp bê tông mà vẫn giữ được tính chất cơ lý tốt. Việc sử dụng lignosulfonat không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn cải thiện độ bền của bê tông, giúp các công trình xây dựng đạt được chất lượng cao hơn. Hơn nữa, lignosulfonat còn có khả năng tăng cường tính dẻo và khả năng thi công của hỗn hợp bê tông, làm cho quá trình thi công trở nên dễ dàng hơn.

3.2. Hiệu quả kinh tế

Việc sản xuất lignosulfonat từ dịch đen không chỉ mang lại lợi ích về mặt môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế cao cho các nhà máy sản xuất giấy. Thay vì xả thải dịch đen, việc thu hồi lignin và chuyển hóa thành lignosulfonat giúp tăng cường hiệu suất sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm. Các nhà máy có thể tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có để sản xuất các sản phẩm có giá trị cao, từ đó nâng cao lợi nhuận và cạnh tranh trên thị trường. Điều này không chỉ có ý nghĩa đối với các nhà máy mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp giấy và xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosufonat từ dịch đen nấu bột giấy sulfat làm phụ gia xây dựng" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Giang dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Trung Kiên và GS.TS Phạm Văn Thiêm tại Bộ môn Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (hoàn thành vào tháng 09 năm 2017). Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học / Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy tại Việt Nam phát triển với nhiều cơ sở quy mô vừa và nhỏ. Quá trình nấu và rửa bột giấy theo phương pháp sulfat (kraft) thải ra lượng lớn dịch đen chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (chất khô chiếm 25 - 35%, trong đó lignin chiếm từ 30 - 45%). Hầu hết các nhà máy hiện nay chỉ cô đặc dịch đen để đốt thu hồi kiềm hoặc xả thải, gây lãng phí nguồn tài nguyên sinh khối và làm gia tăng ô nhiễm môi trường với các chỉ số COD, BOD cao.

Lignosulfonat là dẫn xuất sulfonat hóa quan trọng của lignin, có tính chất hoạt động bề mặt cao, độ độc sinh học thấp ($\text{LC}{50} \approx 5.400\text{ ppm}$, $\text{LD}{50} > 40\text{ g/kg}$ trên chuột thí nghiệm), được ứng dụng phổ biến làm phụ gia giảm nước, phụ gia trợ nghiền tăng mác xi măng, chất phân tán trong thuốc bảo vệ thực vật, gốm sứ và phẩm nhuộm. Tại Việt Nam, nguồn chế phẩm lignosulfonat thương mại phục vụ ngành xây dựng chủ yếu phải nhập khẩu từ Trung Quốc và Nhật Bản. Các nghiên cứu trong nước trước đây về thu hồi lignin và chuyển hóa thành lignosulfonat mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng tác nhân bisulfit đòi hỏi thời gian phản ứng kéo dài (khoảng 10 giờ) và nhiệt độ cao ($135^\circ\text{C}$). Khoảng trống nghiên cứu then chốt mà luận án xác định là: thiếu một quy trình tổng hợp cải tiến có hiệu suất cao trong điều kiện êm dịu hơn, đồng thời chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về động học nhiệt và mô hình hóa toán học thiết bị phản ứng làm cơ sở khoa học cho việc tính toán chuyển quy mô từ phòng thí nghiệm sang quy mô pilot và công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu

1. Xác định được chế độ tối ưu để tách lignin từ dịch đen trong nước thải của nhà máy sản xuất bột giấy (Tổng công ty Giấy Bãi Bằng).
2. Xây dựng quy trình tổng hợp lignosulfonat từ lignin tách từ dịch đen và xác định mô hình động học của phản ứng làm cơ sở cho nghiên cứu chuyển quy mô sản xuất.
3. Ứng dụng sản phẩm lignosulfonat tổng hợp được làm chất phụ gia trợ nghiền tăng mác trong công nghệ sản xuất xi măng.

Nội dung nghiên cứu chính

1. Nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình công nghệ tách lignin từ dịch đen bằng mô hình thống kê thực nghiệm.
2. Nghiên cứu lựa chọn và xác lập quy trình công nghệ tối ưu để tổng hợp lignosulfonat bằng phương pháp metylsulfo hóa.
3. Xây dựng mô hình động học quá trình phản ứng metylsulfo hóa bằng kỹ thuật phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC).
4. Mô hình hóa quá trình phản ứng trong thiết bị khuấy trộn lý tưởng làm việc gián đoạn đẳng nhiệt và xác định các thông số công nghệ phục vụ chuyển quy mô.
5. Thử nghiệm ứng dụng sản phẩm lignosulfonat làm phụ gia trợ nghiền xi măng, kiểm tra và đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của sản phẩm xi măng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Dịch đen phát sinh từ dây chuyền nấu bột giấy sulfat của Tổng công ty Giấy Bãi Bằng (sử dụng nguyên liệu gỗ keo tai tượng, keo lai, keo lá tràm, bạch đàn); lignin kraft kết tủa; các hóa chất phản ứng gồm formalin ($\text{HCHO}$ 37 - 40%), natri sulfit ($\text{Na}_2\text{SO}_3$ 97%), axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$ 98%), natri hydroxit ($\text{NaOH}$ 98,5%), cùng các chất trợ nghiền phối hợp ($\text{TEA}$, $\text{TIPA}$, glycerin); clanhke xi măng và mẫu vữa bê tông thử nghiệm.
• Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát thực nghiệm công nghệ tách và tổng hợp tại quy mô phòng thí nghiệm; phân tích nhiệt vi sai đẳng nhiệt DSC; mô hình hóa toán học thiết bị gián đoạn; đánh giá tính chất cơ lý xi măng theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và tiêu chuẩn ASTM.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu tiền đề

Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến cấu trúc lignin, phương pháp tách lignin từ dịch đen, các con đường biến tính hóa học và kỹ thuật phân tích động học nhiệt:

1. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của dịch đen, lignin: Dịch đen công nghiệp có tỷ trọng, độ nhớt biến thiên theo hàm lượng chất khô và nhiệt độ; thành phần chất khô gồm 30 - 45% lignin tan trong kiềm, 15 - 25% axit hữu cơ, 3 - 5% lưu huỳnh, 15 - 20% natri [8, 44]. Cấu trúc polyme thơm của lignin được hình thành từ 3 đơn vị phenylpropan: p-hydroxyphenylpropene (I), guaiacyl (II), syringyl (III) liên kết qua các cầu nối ete ($\beta\text{-O-}4$ chiếm 45 - 60%, $\alpha\text{-O-}4$ chiếm 6 - 8%, $5\text{-O-}4$ chiếm 3,5 - 6%) và liên kết carbon-carbon ($\beta\text{-}5$, $5\text{-}5'$, $\beta\text{-}1$, $\beta\text{-}\beta$) [25, 35, 62, 63].
2. Kỹ thuật tách lignin khỏi dịch đen: Phương pháp axit hóa kết tủa bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{HCl}$, $\text{H}_3\text{PO}_4$, $\text{HNO}_3$ [34], kết tủa tại $\text{pH} = 4 - 4,5$ [30], hoặc sục $\text{CO}_2$ kết hợp axit vô cơ [46]; phương pháp tạo muối kết tủa với ion kim loại hóa trị cao ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Ba}^{2+}$) [37]; phương pháp siêu lọc màng [29, 32] và điện phân phân tách ion [29, 32].
3. Phương pháp biến tính lignin và tổng hợp lignosulfonat: Thủy phân kiềm ở nhiệt độ cao ($170^\circ\text{C}$, $\text{pH} = 12$) [44]; hydroxymetyl hóa bằng formalin [18, 65]; sulfohydroxypropyl hóa bằng 3-clo-2-hydroxypropansulfonat và epiclohydrin [54]; sulfo hóa bằng oleum/axit đặc [22]; sáng chế sulfometyl hóa lignin kiềm của Peter Dilling (1985, 1991) [21]; nghiên cứu sulfo hóa bằng $\text{NaHSO}_3$ trong nước của Phan Huy Hoàng và Doãn Thái Hòa [7].
4. Nghiên cứu động học phản ứng bằng kỹ thuật DSC: Ứng dụng DSC đẳng nhiệt trong nghiên cứu động học phản ứng trùng ngưng keo lignin-phenol-formaldehyt (Alonso et al. [13], Tejado et al. [61], Pérez et al. [52]); nghiên cứu động học metyl hóa lignin của Peng et al. [51]; các công trình của Bojan Jankovic [16], Mehdi Ghaffari et al. [47], Marco Riva et al. [45], và nghiên cứu động học lưu hóa cao su bằng DSC của Nguyễn Khánh Huyền [3].
5. Cơ chế và ứng dụng của lignosulfonat trong xây dựng: Lignosulfonat hấp phụ lên bề mặt các khoáng thủy hóa xi măng ($\text{C}_4\text{AH}_n$, $\text{C}_2\text{AH}_n$, silicat canxi thủy hóa), làm giảm sức căng bề mặt, phân tán hạt xi măng, giảm 7 - 12% lượng nước trộn, ngăn ngừa tái đông kết clanhke trong quá trình nghiền và tăng độ linh động của hỗn hợp bê tông [6, 35, 41].

Tổng quan tài liệu:

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị là công trình nghiên cứu hoàn chỉnh từ khâu nguyên liệu phế thải (dịch đen) đến sản phẩm ứng dụng (phụ gia trợ nghiền xi măng), giải quyết đồng thời bài toán công nghệ hóa học: tối ưu hóa điều kiện kết tủa lignin bằng phương pháp toán học Box-Wilson; đề xuất quy trình phản ứng metylsulfo hóa 2 giai đoạn khắc phục nhược điểm thời gian dài và nhiệt độ cao của phương pháp 1 giai đoạn; ứng dụng kỹ thuật phân tích DSC đẳng nhiệt để xây dựng phương trình động học phản ứng; và thiết lập mô hình toán học thiết bị khuấy gián đoạn đẳng nhiệt phục vụ tính toán công nghệ chuyển quy mô.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án tích hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học:

• Lý thuyết động hóa học hình thức: Áp dụng phương trình vận tốc phản ứng dạng lũy phân theo định luật tác dụng khối lượng:

$$\nu = -\frac{dC}{dt} = k(T) \cdot C^n$$

Trong đó $k(T)$ phụ thuộc nhiệt độ theo phương trình Arrhenius:

$$k(T) = A \cdot \exp\left(-\frac{E}{RT}\right)$$

với $A$ là thừa số tần số, $E$ là năng lượng hoạt hóa ($\text{kJ/mol}$ hoặc $\text{J/mol}$), $R = 8,314\text{ J/mol}\cdot\text{K}$, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối ($\text{K}$), $n$ là bậc phản ứng.

• Lý thuyết phân tích nhiệt vi sai quét (DSC): Đo lường biến thiên dòng nhiệt theo thời gian đẳng nhiệt $Q = f_{\text{DSC}}(t)$ để tính toán độ chuyển hóa $\alpha(t)$ và tốc độ chuyển hóa $d\alpha/dt$, từ đó xác định các thông số động học ($n, k, E, A$).
• Mô hình thiết bị phản ứng: Thiết lập phương trình vi phân cân bằng vật chất và năng lượng cho thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn ở chế độ đẳng nhiệt.
• Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm: Ứng dụng kế hoạch bậc hai hỗn hợp trực giao Box - Wilson để xây dựng mô hình hồi quy đa thức thực nghiệm:

$$y_q = b_0 + \sum_{j=1}^k b_j x_j + \sum_{j < u}^k b_{ju} x_j x_u + \sum_{j=1}^k b_{jj} x_j^2$$

Đánh giá mức độ có nghĩa của các hệ số bằng chuẩn số Student ($t_b \ge t_{p, f_2}$) và kiểm tra tính tương hợp của mô hình bằng chuẩn số Fisher ($F = S_{du}^2 / S_{ll}^2 \le F_{p, f_1, f_2}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích

1. Phương pháp tách và tinh chế lignin: Dịch đen được pha loãng tỷ lệ $1:1$, đun cách thủy ở $80^\circ\text{C}$ trong 30 phút, để lắng cặn qua đêm và lọc bỏ tạp chất cơ học. Dịch sau lọc được axit hóa bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ đến giá trị pH khảo sát, đun cách thủy $45$ phút, lọc nóng chân không qua phễu Büchner, rửa kết tủa bằng nước sôi đến khi dịch lọc không còn ion $\text{SO}_4^{2-}$ (thử bằng $\text{BaCl}_2$ 10%), sau đó sấy khô ở $70 - 80^\circ\text{C}$ đến khối lượng không đổi.
2. Phương pháp tổng hợp metylsulfo hóa:
   • Quy trình 1 giai đoạn: Phản ứng trực tiếp hỗn hợp lignin, formalin ($\text{HCHO}$) và natri sulfit ($\text{Na}_2\text{SO}_3$).
   • Quy trình cải tiến 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 tổng hợp tác nhân hydroxymetylsulfonat ($\text{HOCH}_2\text{SO}_3\text{Na}$) từ $\text{HCHO}$ và $\text{Na}_2\text{SO}_3$; giai đoạn 2 cho tác nhân phản ứng ghép nhóm metylensulfonat vào nhân thơm của phân tử lignin trong môi trường kiểm soát.
3. Các kỹ thuật phân tích và kiểm tra hóa lý:
   • Xác định hàm lượng chất khô, tỷ trọng, độ nhớt của dịch đen.
   • Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) đẳng nhiệt và bất đẳng nhiệt.
   • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để nhận diện các nhóm chức đặc trưng ($\text{-OH}$, $\text{-SO}_3\text{H}$, liên kết ete).
   • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) trên kính hiển vi điện tử quét Oxford Instruments X-Max 50 để định lượng hàm lượng nguyên tố lưu huỳnh (S).
   • Đo sức căng bề mặt (SCBM) dung dịch bằng phương pháp kéo vòng.
   • Đo độ mịn xi măng theo phương pháp Blaine ($S$, $\text{cm}^2/\text{g}$), kiểm tra độ sót sàng $N_{0,08}$, đo lượng nước tiêu chuẩn và thời gian ninh kết bằng dụng cụ Vika, thử cường độ nén/uốn mẫu vữa $40 \times 40 \times 160\text{ mm}$ trên máy dầm/ép bê tông theo TCVN.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 tổng hợp cơ sở lý luận và tổng quan tình hình nghiên cứu về 5 nhóm nội dung chính:

• Dịch đen và lignin trong công nghiệp giấy: Trình bày đặc tính vật lý (độ nhớt, khối lượng riêng), thành phần hóa học của dịch đen và cấu trúc phân tử của lignin. Phân tích các dạng liên kết trong gỗ cứng và gỗ mềm cùng đặc tính của lignin kraft.
• Phương pháp tách và biến tính lignin: Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp axit hóa, tạo phức kim loại, siêu lọc và điện phân; các phản ứng biến đổi cấu trúc (thủy phân kiềm, hydroxymetyl hóa, sulfohydroxypropyl hóa, sulfo hóa bằng oleum và metylsulfo hóa).
• Cấu trúc và tính chất của lignosulfonat: Trình bày cấu trúc phân tử, tính chất hoạt động bề mặt, khả năng phân tán hạt rắn, tính tạo phức càng cua và độ độc sinh học thấp của hợp chất lignosulfonat.
• Động hóa học và kỹ thuật phân tích nhiệt DSC: Khái quát phương trình tốc độ phản ứng, phương trình Arrhenius, nguyên lý đo vi sai bù trừ nhiệt và ưu thế của kỹ thuật DSC đẳng nhiệt trong việc xác định các thông số động học phản ứng polyme/chất hữu cơ tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt.
• Cơ chế và ứng dụng của lignosulfonat làm chất trợ nghiền xi măng: Phân tích cơ chế hấp phụ của lignosulfonat lên các khoáng thủy hóa xi măng ($\text{C}_4\text{AH}_n$, $\text{C}_2\text{AH}_n$, $\text{C-S-H}$), tác dụng giảm nước (7 - 12%), tăng độ dẻo, kiểm soát quá trình ninh kết và nâng cao cường độ nén của vữa/bê tông.

Bảng 1.1: Thành phần chất khô trong dịch đen nấu gỗ mềm [44]	Bảng 1.2: Tỷ lệ liên kết chính trong lignin [62]
• Lignin tan trong kiềm: $30 - 45%$	• Ete $\beta$-aryl ($\beta\text{-O-}4$): $45 - 48%$ (gỗ mềm), $60%$ (gỗ cứng)
• Axit hữu cơ: $15 - 25%$	• Ete $\alpha$-aryl ($\alpha\text{-O-}4$): $6 - 8%$ (gỗ mềm), $6 - 8%$ (gỗ cứng)
• Natri ($\text{Na}$): $15 - 20%$	• Phenylcoumaran ($\beta\text{-}5, \alpha\text{-O-}4$): $9 - 12%$ (gỗ mềm), $6%$ (gỗ cứng)
• Axit axetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$): $5%$	• Ete diphenyl ($5\text{-O-}4$): $3,5 - 4%$ (gỗ mềm), $6%$ (gỗ cứng)
• Chất trích ly: $3 - 5%$	• Biphenyl ($5\text{-}5'$): $9,5 - 11%$ (gỗ mềm), $4,5%$ (gỗ cứng)
• Lưu huỳnh ($\text{S}$): $3 - 5%$	• Diarylpropan ($\beta\text{-}1$): $7 - 10%$ (gỗ mềm), $8%$ (gỗ cứng)
• Axit foocmic: $3%$	• Pinoresinol ($\beta\text{-}\beta$): $3%$ (gỗ mềm), ít (gỗ cứng)
• Metanol: $1%$	• Ete $\alpha$-alkyl ($\alpha\text{-O-}\gamma$): Ít

Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết về hóa chất, dụng cụ, thiết bị thực nghiệm và quy trình triển khai:

• Vật liệu và thiết bị: Sử dụng dịch đen Nhà máy Giấy Bãi Bằng cùng các hóa chất độ tinh khiết phân tích ($\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{HCHO}$, $\text{Na}_2\text{SO}_3$, $\text{NaOH}$, $\text{TEA}$, $\text{TIPA}$, glycerin); hệ thiết bị kết tủa có sinh hàn hồi lưu, phễu lọc Büchner, tủ sấy; thiết bị đo DSC; kính hiển vi điện tử Oxford Instruments X-Max 50 đo phổ EDX; máy nghiền bi 2 ngăn, máy đo độ mịn Blaine, dụng cụ Vika, máy dầm và máy ép bê tông.
• Quy trình kết tủa và tách lignin: Trình bày các bước tiền xử lý nhiệt loại cặn cơ học, axit hóa bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$, lọc nóng và rửa kết tủa ion sulfate bằng nước sôi.
• Thuật toán tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm: Xây dựng ma trận kế hoạch bậc hai hỗn hợp trực giao Box - Wilson cho quá trình tách lignin từ dịch đen; xác định số bậc tự do của hệ $F = F_{\text{ĐK}} + F_{\text{H}}$; thiết lập phương pháp tính toán hệ số hồi quy $b_j, b_{ju}, b_{jj}$, sai số thực nghiệm $S_{ll}^2$, kiểm định độ có nghĩa bằng chuẩn Student và kiểm định độ tương hợp của mô hình bằng chuẩn Fisher.
• Phương pháp phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC): Thiết lập quy trình khảo sát động học đẳng nhiệt ở các mức nhiệt độ xác định để thu thập đường cong thông lượng nhiệt theo thời gian, tính toán biến thiên độ chuyển hóa $\alpha$ và tốc độ phản ứng $d\alpha/dt$.
• Quy trình kiểm tra tính chất sản phẩm: Phương pháp xác định nhóm chức bằng FT-IR, đo hàm lượng lưu huỳnh bằng EDX, đo sức căng bề mặt và đánh giá tính chất cơ lý xi măng (độ mịn, độ sót sàng, lượng nước tiêu chuẩn, thời gian đông kết, cường độ nén 3 ngày và 28 ngày).

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm, tính toán tối ưu hóa, mô hình hóa động học và thử nghiệm ứng dụng:

• Tối ưu hóa quá trình tách lignin: Khảo sát ảnh hưởng đơn yếu tố (pH, nhiệt độ, thời gian đun cách thủy). Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Box - Wilson để tìm ra vùng thông số công nghệ tối ưu cho quá trình kết tủa lignin từ dịch đen Bãi Bằng. Kết quả phổ FT-IR xác nhận lignin thu hồi có đầy đủ cấu trúc nhóm chức đặc trưng của lignin kraft.
• Tổng hợp lignosulfonat theo quy trình 1 giai đoạn: Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol $\text{HCHO}/\text{Na}_2\text{SO}_3$, tỷ lệ tác nhân/lignin, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Kết quả cho thấy hiệu suất tổng hợp bị hạn chế do hiện tượng phản ứng phụ trùng ngưng giữa formaldehyde tự do và lignin, đòi hỏi thời gian phản ứng dài.
• Nghiên cứu động học bằng DSC đẳng nhiệt và mô hình hóa thiết bị:
  • Khảo sát độ tan của lignin ở các mức pH khác nhau và sự thay đổi độ dẫn, nồng độ $\text{NaOH}$ sinh ra trong phản ứng tạo tác nhân.
  • Phân tích giản đồ DSC đẳng nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau; xác định các đường cong độ chuyển hóa $\alpha(t)$ và tốc độ phản ứng $d\alpha/dt$.
  • Tính toán các thông số động học: xác định bậc phản ứng $n$, hằng số tốc độ phản ứng $k(T)$, năng lượng hoạt hóa $E$ và thừa số tần số $A$ theo phương trình Arrhenius.
  • Thiết lập hệ phương trình vi phân mô hình hóa phản ứng trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn ở điều kiện đẳng nhiệt; tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng độc lập để khẳng định độ tin cậy và sự phù hợp của mô hình toán học.
• Đề xuất và đánh giá quy trình tổng hợp cải tiến 2 giai đoạn:
  • Tách riêng biệt: Giai đoạn 1 tổng hợp tác nhân $\text{HOCH}_2\text{SO}_3\text{Na}$ ở điều kiện kiểm soát; Giai đoạn 2 cho tác nhân phản ứng với dung dịch lignin kiềm.
  • So sánh tính chất vật lý, phổ FT-IR và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) giữa hai quy trình: quy trình 2 giai đoạn cho sản phẩm lignosulfonat có hàm lượng lưu huỳnh (độ sulfo hóa) cao hơn, sức căng bề mặt giảm mạnh hơn, thời gian phản ứng rút ngắn và nhiệt độ phản ứng thấp hơn so với quy trình 1 giai đoạn.
• Ứng dụng làm phụ gia trợ nghiền tăng mác xi măng:
  • Pha chế chất trợ nghiền trên cơ sở lignosulfonat kết hợp các amin ($\text{TEA}$, $\text{TIPA}$) và glycerin.
  • Kết quả thử nghiệm nghiền xi măng cho thấy mẫu có phụ gia đạt hiệu quả nghiền ($i, %$) vượt trội, độ mịn Blaine ($S$) tăng, tỷ lệ sót sàng $N_{0,08}$ giảm rõ rệt.
  • Thử nghiệm cơ lý xác nhận: lượng nước tiêu chuẩn ổn định, thời gian ninh kết phù hợp tiêu chuẩn, cường độ nén của mẫu vữa xi măng ở 3 ngày và 28 ngày tuổi đều tăng đáng kể so với mẫu đối chứng không có phụ gia.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

1. Tối ưu hóa công nghệ tách lignin: Đã xác lập được chế độ công nghệ tối ưu để tách kết tủa lignin kraft từ dịch đen nhà máy nấu bột giấy sulfat (Tổng công ty Giấy Bãi Bằng) bằng phương pháp axit hóa kết hợp xử lý nhiệt lọc cặn, sử dụng công cụ quy hoạch thực nghiệm trực giao Box - Wilson.
2. Cải tiến quy trình tổng hợp lignosulfonat: Xây dựng thành công quy trình công nghệ tổng hợp lignosulfonat bằng phương pháp metylsulfo hóa 2 giai đoạn cải tiến. Quy trình tách biệt phản ứng tạo nhân tác nhân metylsulfo hóa và phản ứng ghép vào mạch lignin, giúp kiểm soát phản ứng phụ, nâng cao hiệu suất tổng hợp, tăng hàm lượng nhóm sulfonic/lưu huỳnh, hạ thấp nhiệt độ phản ứng và rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng so với phương pháp một giai đoạn hoặc phương pháp sulfo hóa bằng bisulfit truyền thống.
3. Mô hình hóa động học nhiệt phản ứng: Ứng dụng thành công kỹ thuật phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) đẳng nhiệt để xác định chính xác các thông số động học ($n, k, E, A$) của phản ứng tổng hợp lignosulfonat giai đoạn hai.
4. Mô hình hóa thiết bị phản ứng: Thiết lập và kiểm chứng thực nghiệm mô hình toán học phản ứng trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn đẳng nhiệt, tạo cơ sở dữ liệu tính toán công nghệ phục vụ bài toán chuyển quy mô từ phòng thí nghiệm lên quy mô pilot và công nghiệp.
5. Ứng dụng thực tiễn: Chế tạo thành công phụ gia trợ nghiền tăng mác xi măng từ nguồn lignosulfonat tổng hợp được, nâng cao độ mịn, giảm thời gian nghiền và tăng cường độ cơ lý của sản phẩm xi măng.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Đề xuất áp dụng quy trình công nghệ tách lignin và tổng hợp lignosulfonat 2 giai đoạn tại các nhà máy sản xuất bột giấy để chủ động nguồn nguyên liệu phụ gia xây dựng, nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm tải ô nhiễm dòng thải dịch đen.
• Sử dụng mô hình toán học đã thiết lập để tính toán thiết kế thiết bị phản ứng khuấy trộn quy mô lớn hơn trong các dự án chuyển giao công nghệ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Các thí nghiệm tổng hợp và mô hình hóa thiết bị gián đoạn đẳng nhiệt chủ yếu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa triển khai thiết bị pilot hoạt động liên tục tại hiện trường nhà máy.
• Nguồn dịch đen khảo sát tập trung chủ yếu vào dịch đen nấu bột giấy theo phương pháp kraft/sulfat của Nhà máy Giấy Bãi Bằng; chưa đánh giá so sánh đồng thời trên các nguồn dịch đen từ các công nghệ nấu bột kiềm không sulfat (soda) hoặc từ các nguồn nguyên liệu phi gỗ khác.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Triển khai chế tạo và thử nghiệm hệ thiết bị phản ứng tổng hợp lignosulfonat ở quy mô pilot (bán công nghiệp) liên tục hoặc bán liên tục dựa trên các thông số động học đã xác lập.
• Mở rộng nghiên cứu ứng dụng lignosulfonat tổng hợp làm phụ gia siêu dẻo giảm nước bậc cao cho bê tông mác cao và chất phân tán trong sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, gốm sứ.
• Nghiên cứu hoàn thiện quy trình thu hồi và tái sử dụng nước rửa, hóa chất phụ trợ nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và đánh giá vòng đời môi trường (LCA).

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học, Công nghệ Vật liệu Xây dựng, Hóa Polyme và Kỹ thuật Môi trường. Phần đáng tham khảo nhất là phương pháp luận áp dụng kỹ thuật DSC đẳng nhiệt trong nghiên cứu động học phản ứng hữu cơ phức tạp và thuật toán quy hoạch thực nghiệm Box - Wilson.
• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Tham khảo khung lý thuyết mô hình hóa thiết bị phản ứng hóa học gián đoạn và phương pháp luận biến tính polyme tự nhiên có nguồn gốc sinh khối.
• Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp: Các nhà máy sản xuất bột giấy và giấy (tham khảo giải pháp công nghệ thu hồi lignin xử lý dịch đen) và các nhà máy sản xuất xi măng, trạm nghiền, công ty sản xuất phụ gia hóa chất xây dựng (tham khảo công thức phối chế phụ gia trợ nghiền tăng mác xi măng).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế của phương pháp metylsulfo hóa lignin trong luận án diễn ra như thế nào?
Tác nhân phản ứng là hỗn hợp của natri sulfit ($\text{Na}_2\text{SO}_3$) và formalin ($\text{HCHO}$). Phản ứng tạo ra chất trung gian là hydroxymetylsulfonat ($\text{HOCH}_2\text{SO}_3\text{Na}$). Phân tử này đóng vai trò là tác nhân ái điện tử tấn công vào vị trí ortho trên nhân thơm phenolic của đơn vị phenylpropan trong lignin để gắn nhóm metylensulfonat ($-\text{CH}_2\text{SO}_3\text{Na}$), đồng thời một phần $\text{Na}_2\text{SO}_3$ có thể phản ứng vào mạch nhánh propyl.

2. Vì sao quy trình tổng hợp lignosulfonat 2 giai đoạn lại ưu việt hơn quy trình 1 giai đoạn?
Ở quy trình 1 giai đoạn, formaldehyde dư có thể phản ứng trực tiếp với lignin chưa sulfo hóa hoặc đã sulfo hóa gây ra các phản ứng phụ trùng ngưng làm tăng độ nhớt, giảm hiệu suất gắn nhóm sulfonat và đòi hỏi thời gian kéo dài. Quy trình 2 giai đoạn tách riêng phản ứng tạo tác nhân hydroxymetylsulfonat trước, sau đó mới cho tác nhân này phản ứng với lignin, giúp kiểm soát tốt tỷ lệ lượng phản ứng, nâng cao hiệu suất gắn lưu huỳnh, hạ nhiệt độ và rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng.

3. Kỹ thuật phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) đẳng nhiệt đóng vai trò gì trong luận án?
Kỹ thuật DSC đẳng nhiệt được sử dụng để ghi nhận biến thiên dòng nhiệt tỏa ra/thu vào theo thời gian tại các nhiệt độ không đổi xác định. Dữ liệu này cho phép tính toán độ chuyển hóa $\alpha(t)$ và tốc độ phản ứng $d\alpha/dt$, từ đó xác định chính xác các thông số động học của phản ứng metylsulfo hóa giai đoạn 2 gồm bậc phản ứng $n$, hằng số tốc độ $k(T)$, năng lượng hoạt hóa $E$ và thừa số tần số $A$ theo phương trình Arrhenius.

4. Khi ứng dụng lignosulfonat làm phụ gia trợ nghiền xi măng, sản phẩm mang lại những hiệu quả cụ thể nào?
Lignosulfonat hấp phụ lên bề mặt các hạt clanhke bị bẻ gãy liên kết trong buồng nghiền, trung hòa điện tích bề mặt và ngăn ngừa hiện tượng tái kết tụ/dính bết hạt. Kết quả là làm tăng hiệu quả nghiền ($i, %$), tăng độ mịn Blaine ($S$), giảm độ sót sàng $N_{0,08}$, đồng thời nâng cao cường độ kháng nén của mẫu xi măng ở cả 3 ngày và 28 ngày tuổi.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Trường Giang đã giải quyết trọn vẹn chuỗi vấn đề khoa học và công nghệ từ việc tối ưu hóa thu hồi lignin từ nguồn dịch đen thải của Nhà máy Giấy Bãi Bằng, phát triển quy trình metylsulfo hóa 2 giai đoạn cải tiến, đến việc ứng dụng kỹ thuật DSC đẳng nhiệt để mô hình hóa động học phản ứng và thiết bị phản ứng gián đoạn. Công trình không chỉ cung cấp cơ sở toán học và dữ liệu động học tin cậy cho bài toán chuyển quy mô công nghệ mà còn chứng minh tính khả thi thực tiễn cao thông qua việc chế tạo thành công phụ gia trợ nghiền tăng mác xi măng, góp phần nâng cao giá trị tài nguyên sinh khối và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần Mở đầu: Giới thiệu tính cấp thiết thực hiện luận án. Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về dịch đen nhà máy giấy, lignin, lignosulfonat, các kỹ thuật tách lignin, các phƣơng pháp tổng hợp lignosulfonat, các ứng dụng của lignin và lignosulfonat, nghiên cứu động học phản ứng bằng phƣơng pháp DSC đẳng nhiệt. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và trên thế giới. Chƣơng 2: Giới thiệu các loại hóa chất, thiết bị và dụng cụ sử dụng trong quá trình nghiên cứu triển khai, các quy trình thực nghiệm, phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án.

Chƣơng 3: Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình tách lignin, quy hoạch và tối ƣu hóa quá trình. Xác định các yếu tố công nghệ ảnh hƣởng tới quá trình tổng hợp lignosulfonat, các tính chất của sản phẩm lignosulfonat. Xác định đƣợc các yếu tố động học của phản ứng tổng hợp lignosulfonat, mô hình hóa quá trình tổng hợp lignosulfonat. Kiểm chứng lại mô hình tổng hợp lignosulfonat bằng thực nghiệm.

Dịch đen từ nhà máy sản xuất giấy Dịch đen là dòng thải của quá trình nấu và rửa sau nấu giấy chứa phần lớn các chất hữu cơ hòa tan, các hóa chất nấu và một phần xơ sợi. Dòng thải này có màu tối. Dịch đen có nồng độ chất khô khoảng 25 - 35%, tỷ lệ giữa chất hữu cơ và vô cơ là 70 : 30 [8]. Các đặc tính vật lý Độ nhớt, khối lƣợng riêng và sức căng bề mặt là một số đặc tính quan trọng có ảnh hƣởng lớn tới quá trình xử lý dịch đen kết hợp với hiện tƣợng gia nhiệt và chuyển khối.

Độ nhớt Các giá trị độ nhớt điển hình của dịch đen đƣợc đƣa ra trong bảng 1. Độ nhớt điển hình của dịch đen với hàm lượng chất khô ở nhiệt độ khác nhau [42] Hàm lƣợng chất khô của dịch đen, % Nhiệt độ, °C Độ nhớt, cP 18 66 1 34 110 1,3 42 116 2,3 51 121 4,9 70 127 88 Độ nhớt phụ thuộc rất nhiều vào loài gỗ đƣợc sử dụng cho nấu bột giấy, các điều kiện vận hành quá trình nấu, hàm lƣợng, pH của dịch và nhiệt độ của dịch đen. Độ nhớt dịch đen có thể giảm bằng cách giữ dịch tại nhiệt độ cao trong thời gian đủ dài (quá trình xử lý nhiệt) [49]. Khối lượng riêng Bảng 1.

Khối lượng riêng của dịch đen tại hai hàm lượng chất rắn và nhiệt độ khác nhau [10] Chất rắn khô của dịch đen, % Nhiệt độ, °C Khối lƣợng riêng, kg/m3 15 82 1060 49 93 1260 Khối lƣợng riêng của dịch đen phụ thuộc vào thành phần các hợp phần vô cơ và hữu cơ. Các hợp phần vô cơ làm tăng khối lƣợng riêng của dịch đen. Các giá trị khối lƣợng riêng điển hình của dịch đen đƣợc đƣa ra trong bảng 1. Các đặc tính hóa học Dịch đen thu đƣợc từ quá trình nấu bột giấy, thành phần dịch đen bao gồm các chất vô cơ và hữu cơ.3 đƣa ra thành phần các chất trong dịch đen (tính theo chất khô).

Thành phần các của chất khô trong dịch đen từ quá trình nấu gỗ mềm [44] Các thành phần cơ bản Thành phần (%) Lignin tan trong kiềm 30 - 45 % Axit hữu cơ 25 - 15% Các chất chiết xuất (trích ly) 3-5% CH3COOH 5% Axit foocmic 3% Metanol 1% S 3-5% Na 15 - 20% Tỷ lệ các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong dịch đen tại các nhà máy khác nhau thì khác nhau, thay đổi theo bản chất của các thành phần hữu cơ trong các loại gỗ và các điều kiện nấu gỗ của mỗi nhà máy.