Il processo di produzione della carta si compone di diverse fasi. Nella prima fase, avvengono la frammentazione e la purificazione della polpa, che può essere di origine primaria (legno) o secondaria (carta da macero). Nella fase successiva, il materiale fibroso viene ulteriormente lavorato, trasformandosi in polpa, che a sua volta viene trasformata in carta.
La produzione di polpa può essere effettuata con metodi meccanici o chimici. La polpatura meccanica garantisce un’altissima resa in pasta di legno. La polpa di legno macinata si ottiene mediante il processo di abrasione del legno sulla pietra a pressione atmosferica. Il legno (precedentemente scortecciato) viene ridotto in polpa utilizzando la pietra e poi lavato con acqua. La massa preparata viene essiccata in idrocicloni, da dove viene trasportata al compattatore.
Il miglioramento del metodo SGW è la polpatura termomeccanica (TMP). Nel processo TMP, i trucioli di legno vengono inizialmente lavati per rimuovere sabbia, pietre e altre impurità dure, quindi riscaldati con vapore ad alta pressione e ulteriormente ridotti in poltiglia in un mulino a dischi. Infine, viene convogliata al serbatoio di stoccaggio. Il processo CTMP combina il processo TMP con l’impregnazione chimica dei trucioli. Una volta completato il processo di impregnazione, i trucioli vengono riscaldati e miscelati con acqua, che allenta i legami della lignina e rilascia le fibre. Il processo CTMP consente di ottenere una pasta pulita con sufficiente resistenza e proprietà ottiche appropriate.
I processi di cellulosa chimica consistono principalmente nell’uso di vari reagenti chimici e calore per ammorbidire la lignina. Di conseguenza, questa viene disciolta e poi raffinata meccanicamente per separare le fibre. Il primo di questi è il processo di polpaggio Kraft, noto anche come processo al solfato. Attualmente è la tecnologia dominante: circa l’80 % della produzione mondiale di polpa viene lavorata con questo metodo. La polpa Kraft è diventata il metodo più comunemente utilizzato grazie a diversi fattori. Le fibre lavorate al solfato hanno una maggiore durabilità rispetto a quelle ottenute con altre tecnologie disponibili.
Il processo kraft consiste nel combinare trucioli di legno con liscivia bianca (una soluzione acquosa di idrossido di sodio e solfuro di sodio). In condizioni di pressione e temperatura elevate, questa soluzione dissolve la lignina, rilasciando fibre cellulosiche. Dopo aver completato la reazione di digestione, si ottiene un liscivia nera e una polpa di cellulosa. La liscivia contiene sostanze organiche disciolte che vengono recuperate e possono essere riutilizzate nel processo chimico.
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Il secondo processo di digestione chimica è il processo al solfito. Consiste nell’utilizzare una soluzione acquosa di anidride solforosa in presenza di alcali (ad esempio calcio, magnesio, sodio e ammonio). I prodotti ottenuti con questo processo sono più leggeri e facili da sbiancare, tuttavia hanno una resistenza molto inferiore rispetto alla polpa al solfato, più frequentemente utilizzata. Il processo al solfito richiede anche un’attenta selezione della materia prima legnosa: questo metodo è intollerante, ad esempio, al legno di pino.
La fase successiva della lavorazione della pasta è la deinchiostrazione combinata con la rimozione meccanica delle impurità. Nella produzione della carta, il parametro più importante è il colore (il grado di bianco, nel caso della carta da stampa). Per questo motivo, la carta riciclata deve essere accuratamente pulita dall’inchiostro da stampa. La condizione fondamentale per la sua rimozione è il distacco delle particelle di colore dalle fibre e il loro mantenimento in uno stato di dispersione. Le particelle di inchiostro finemente suddivise vengono quindi separate dalla sospensione di fibre. Questo avviene solitamente sulla base delle differenze nelle proprietà fisiche dei materiali, come il peso specifico delle sostanze indesiderate rispetto alle fibre e all’acqua.
La carta riciclata è un particolare tipo di carta che si pone come alternativa a quella bianca. Anche la pasta di cellulosa può essere fatta di carta riciclata. A causa del colore della carta vecchia e scritta è però necessario che sia sbiancata. La fase che consiste nella formazione del foglio richiede una macchina detta “continua” che attraverso vari rulli stende, disidrata e pressa l'impasto, e lo fa avvolgere in bobine.
Un processo aggiuntivo frequente è lo sbiancamento, utilizzato in prodotti che richiedono elevata purezza e in cui l’ingiallimento non è auspicabile (ad esempio, carta per scrittura e stampa). Lo sbiancamento prevede l’uso di sostanze chimiche appropriate, aggiunte direttamente al disperdente per aumentare il grado di bianco della massa. L’ipoclorito di sodio è una sostanza molto diffusa per lo sbiancamento. Può essere utilizzato anche per la produzione di carbossimetilcellulosa (CMC) dalla segatura. In questo processo vengono utilizzate anche soluzioni di idrossido di sodio e acido cloroacetico (MCAA).
Nel processo tradizionale di sbiancamento della cellulosa, si utilizzava il cloro elementare per rimuovere le impurità e schiarire la cellulosa. Per mitigare questi impatti, è stato sviluppato il processo ECF, che impiega sbiancanti alternativi al cloro elementare, come il biossido di cloro o il perossido di idrogeno. L’approccio ECF è considerato più ecologico rispetto al processo che utilizza il cloro elementare, ma alcuni ambientalisti sottolineano che possono comunque esserci preoccupazioni ambientali legate all’uso di cloro. In risposta a ciò, è emerso un approccio più avanzato noto come processo TCF (Totally Chlorine Free), che elimina completamente l’uso di cloro durante il processo di sbiancamento della cellulosa.
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Il secondo processo invece non utilizza il cloro, ma preparati a base di ossigeno. In questo modo non utilizzando sostanze chimiche le acque di scarico non si presentano inquinate. Sbiancando con perossidi, l'ossigeno e l'ozono non sono così efficaci come l'uso di cloro o diossido di cloro, ma l'acqua ha in genere una quantità molto bassa o nulla di tali sostanze chimiche. Se si usano cloro o diossido di cloro l'acqua conterrà questi agenti, che aumentano l'AOX. D'altra parte lo sbiancamento tramite cloro è il più efficace.
Il tipo di fibre utilizzate e le proprietà finali desiderate del prodotto influenzano notevolmente il grado di sbiancamento della polpa. Le masse contenenti materiali ad alta densità sono difficili da sbiancare e richiedono dosi elevate di sostanze chimiche. La composizione delle sostanze inquinanti contenute nelle acque reflue prodotte dall'industria della carta dipende dal genere di materia prima usata. Il colore dipende anche dai tipi differenti di legno o di altre materie prime che si usano nella produzione.
La cellulosa è un polisaccaride naturale composto da lunghe catene di unità di glucosio legate insieme. La cellulosa alfa è caratterizzata dalla disposizione lineare delle catene di glucosio. In questa forma, le catene di glucosio sono allineate parallelamente l’una all’altra, rendendo la cellulosa alfa altamente cristallina e molto resistente. La cellulosa alfa è una componente essenziale nella produzione della carta poiché costituisce la parte principale delle fibre di cellulosa presenti nella pasta di legno o nei materiali fibrosi utilizzati per produrre carta. Alta cristallinità, forza meccanica e opacità sono proprietà che influenzano le caratteristiche ottiche e meccaniche del foglio e quindi il comportamento durante lo sbiancamento.
Anche l’utilizzo di antischiuma in ogni fase della produzione della carta è fondamentale. Le sostanze antischiuma vengono utilizzate nel processo di fabbricazione di tutti i tipi di prodotti cartacei. La schiuma si crea miscelando gas con polpa di cellulosa e viene trattenuta in essa grazie alla presenza di tensioattivi. I prodotti offerti dal Gruppo PCC possono essere utilizzati con successo per la rimozione della schiuma prodotta nelle fasi successive della produzione della carta. Tra questi, i copolimeri a blocchi EO/PO (ROKAmer) e una serie di alcoli grassi alcossilati (ROKAnol LP).
I prodotti ROKAmer sono copolimeri a blocchi di ossido di etilene e propilene. I prodotti offerti dal Gruppo PCC possono essere utilizzati con successo per la rimozione della schiuma prodotta nelle fasi successive della produzione della carta. I prodotti del Gruppo PCC, come ROKAmers, sono perfetti per l’uso in processi in cui si verifica la formazione di schiuma nelle acque reflue e tecnologiche.
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Durante la produzione di pasta di legno dal legno lavorato, vengono rilasciate sostanze resinose che si agglomerano facilmente e creano sedimenti sul macinatore o sulle pareti interne delle tubazioni. Per rimuovere questi cosiddetti "problemi di resina" vengono utilizzati vari agenti chimici. Gli agenti più comunemente utilizzati a questo scopo sono i disperdenti, progettati per disperdere i depositi che si formano, facilitandone la successiva rimozione. I prodotti delle serie ROKAcet e ROKAfenol sono eccellenti disperdenti dedicati all’industria della cellulosa e della carta. Oltre alle loro capacità disperdenti, questi prodotti possono agire come agenti detergenti, emulsionanti e antielettrostatici. I ROKAfenols sono perfetti per i processi di emulsione e rimozione delle macchie di pasta di carta e cellulosa. Il Gruppo PCC offre la serie di prodotti ROKAcet in grado di svolgere entrambe le funzioni.
Le acque reflue provenienti dagli impianti di sbiancamento prima del riciclo richiedono una serie di agenti chimici che mirano a ridurne la formazione di schiuma, la corrosività o la capacità di formare incrostazioni. A seconda degli agenti sbiancanti della cellulosa, l'acqua reflua deve essere trattata in diversi modi. Se un processo di candeggio è anche una fase di produzione, la lignina viene distrutta. Questa fase presenta lo svantaggio di caricare maggiormente l'ambiente, a causa dell'uso di prodotti chimici come il cloro o il diossido di cloro (che sono limitati a causa del processo).
Il processo industriale della cellulosa consiste nell'utilizzare una soluzione di solfito o una soluzione alcalina per cuocere materie prime vegetali, principalmente per rimuovere la lignina, che è chiamata rispettivamente metodo al solfito e metodo alcalino. I materiali ottenuti sono chiamati polpa di solfito e polpa alcalina. Quindi la lignina residua viene ulteriormente rimossa mediante sbiancamento e la polpa sbiancata può essere utilizzata per la fabbricazione della carta.
La quantità di acqua che deve essere trattata è molto elevata: approssimativamente 30 m3/t di pasta di cellulosa per i processi meccanici e fino a 150 m3/t di pasta di cellulosa per i processi chimici. Le acque reflue contengono fino a 10-30% di fibre, fibrille e CaCO3. Il carico BOD5 e COD varia per diversi tipi di legno (BOD5: 100-1.000 mg/L; COD: 300-4.000 mg/L). Le acque reflue sono trattate tramite trattamento anaerobico di acque reflue con vaporizzazione, incenerimento e recupero.
Dopo i processi di dissoluzione, flottazione e sbiancamento, la polpa di cellulosa finita viene trasformata in pasta di carta, che viene poi utilizzata per la produzione di carta. Gli additivi vengono utilizzati per produrre prodotti cartacei con proprietà speciali (le cosiddette carte speciali) o per migliorare il processo di produzione della carta. Nella produzione della carta si aggiungono caolino, CaCO3, talco e/o TiO2 alla pasta di cellulosa, per dare un colore più bianco alla carta. Inoltre i prodotti chimici come riempitori organici (amido, lattice), colori, solfato di alluminio, ecc. sono usati per dare alla carta delle proprietà differenti o per rendere il processo più semplice.
Nella fase finale, la massa viene trasformata in un prodotto cartaceo utilizzando macchinari speciali. Al termine del processo, la carta viene arrotolata per proteggerla da danni e sporco. Il laminato in carta PE è il più comunemente utilizzato per l’imballaggio della carta. Queste bobine vengono successivamente inviare alle cartotecniche, dove vengono trasformate ulteriormente per ottenere nuovi imballaggi e prodotti finiti.
Metodo di produzione 1: La cellulosa è il composto polimerico naturale più abbondante al mondo. Le sue materie prime sono legno, cotone, cascame di cotone, paglia di grano, paglia di riso, canna, canapa, corteccia di gelso, broussonetia papyrifera e bagassa.
Metodo di produzione 3: diluire il pannello di pasta di legno industriale selezionato, quindi inviarlo a un reattore che ha aggiunto l'1 percento ~ 10 percento di acido cloridrico (dosaggio: 5 percento ~ 10 percento) per riscaldare l'idrolisi. La temperatura è di 90~100 gradi e il tempo di idrolisi è di 0,5~2 ore.
Metodo di produzione 4: cellulosa ricavata da polpa di legno o polpa di cotone. La carta riciclata è un particolare tipo di carta che si pone come alternativa a quella bianca.
Durante la produzione di pasta di legno dal legno lavorato, vengono rilasciate sostanze resinose che si agglomerano facilmente e creano sedimenti sul macinatore o sulle pareti interne delle tubazioni. Spesso causano l’incrostazione della superficie della pietra, peggiorandone le proprietà abrasive. Per rimuovere questi cosiddetti "problemi di resina" vengono utilizzati vari agenti chimici.
Per ridurre la quantità di resine nocive formate nel processo TMP, vengono utilizzate sostanze chimiche simili a quelle del processo SGW. Gli agenti più comunemente utilizzati a questo scopo sono i disperdenti, progettati per disperdere i depositi che si formano, facilitandone la successiva rimozione.
Nella produzione della carta, il parametro più importante è il colore (il grado di bianco, nel caso della carta da stampa). Questa fase presenta lo svantaggio di caricare maggiormente l'ambiente, a causa dell'uso di prodotti chimici come il cloro o il diossido di cloro (che sono limitati a causa del processo). Le masse contenenti materiali ad alta densità sono difficili da sbiancare e richiedono dosi elevate di sostanze chimiche.
Le acque reflue prodotte dal riciclaggio della carta contengono anche particelle che devono essere filtrate. I resti di plastiche, parti metalliche (fermagli per carta, ecc.) o altri rifiuti devono essere rimossi. Le acque reflue devono essere trattate in modo adeguato a seconda degli agenti sbiancanti utilizzati, per minimizzare AOX e altri impatti ambientali.
| Metodo | Principali agenti | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|
| Sbiancamento con cloro | Cloro elementare, diossido di cloro | Molto efficace, rapido | Aumenta AOX, impatto ambientale |
| ECF (elemental chlorine free) | Biossido di cloro, perossido | Minore formazione di composti clorurati | Possibili residui, uso di cloro derivato |
| TCF (totally chlorine free) | Ossigeno, perossido, ozono | Senza cloro, minore impatto AOX | Spesso meno efficace, costi energetici |
| Perossidi e ossigeno | Perossido di idrogeno, ossigeno, ozono | Basso impatto chimico sulle acque | Efficienza inferiore rispetto al cloro |
Per produrre la pasta di cellulosa per carta sottile e per stampa, si eseguono due procedure chimiche. Il processo Kaft è un processo alcalino. La lignina è spezzata da NaOH o da Na2S, che è molto efficace per diversi tipi di legno, soprattutto il legno contente inquinanti. Lo svantaggio è il problema dell'odore, basato su tioli e solfuri. Il BOD e il COD dipendono dal tipo di legno. Il BOD5 è normalmente compreso fra 1 e 2 g/L, ed il COD tra 4 e 7 g/L.
Il processo a solfito è una procedura basata sugli acidi. I vantaggi "del processo a solfito" sono più variazioni di processo e delle condizioni di produzione senza l'indesiderabile formazione di solfuri e tioli. Il NSSC (solfito neutro semichimico) è il più usato. Il rendimento di questo processo è circa pari al 75%. Il TMP è usato generalmente per la carta da giornale. Il nuovo CTMP ha elevata efficienza (approssimativamente del 95%) ed il consumo di acqua non è così elevato come in altri processi descritti. Ma è necessaria più energia per produrre la pasta di cellulosa.
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