Lịch sử sản xuất giấy

Giấy là một sản phẩm của nền văn minh nhân loại với lịch sử lâu đời hàng nghìn năm. Từ thời cổ đại, người Ai Cập đã biết làm ra giấy từ sợi của cây papyrus mọc bên bờ sông Nil.

Lúc đầu phương pháp sản xuất giấy khá đơn giản: người ta nghiền ướt các nguyên liệu từ sợi thực vật (như gỗ, tre, nứa...) thành bột nhão rồi trải ra từng lớp mỏng và sấy khô. Nhờ quá trình này các sợi thực vật sẽ liên kết với nhau tạo thành tờ giấy. Nhiều thế kỷ trôi qua, mãi đến giữa thế kỷ thứ 8 phát minh này của người Trung Hoa mới được phổ biến đến các nước Hồi giáo ở Trung Á. Sau đó, quy trình sản xuất giấy được du nhập vào châu Âu. Đến thế kỷ 14 các xưởng sản xuất giấy đã xuất hiện ở Tây Ban Nha, Italia, Pháp và Đức. Khi đó giấy được sản xuất bằng phương pháp thủ công, nguyên liệu là bông và vải lanh vụn.

Đầu thế kỷ 19, sản xuất giấy được cơ giới hóa ngày càng nhiều, năng suất lao động tăng cao và nhu cầu về nguyên liệu vải vụn cũng ngày càng tăng. Thật ra, nhu cầu về giấy và nguyên liệu làm giấy cũng đã liên tục tăng từ khi máy in được phát minh vào giữa thế kỷ 15. May mắn là, vào thời điểm các máy làm giấy xuất hiện người ta đã nghiên cứu gỗ để làm nguyên liệu sản xuất giấy thay cho vải vụn. Năm 1840 ở Đức người ta đã phát triển phương pháp nghiền gỗ thành bột giấy bằng thiết bị nghiền cơ học. Năm 1866 nhà hóa học Mỹ Benjamin Tighman đưa ra quy trình san xuất bột giấy bằng phương pháp hóa học, sử dụng Na2SO3 để nấu gỗ vụn thành bột giấy. Năm 1880 nhà hóa học Đức Carl F.Dahl phát minh ra phương pháp nấu bột giấy bằng Na2SO3 và NaOH. Từ lúc đó gỗ trở thành nguyên liệu chính để sản xuất giấy.

Thành phần chính của giấy là xenluloza, một loại polyme mạch thẳng và dài có trong gỗ, bông và các loại cây khác. Trong gỗ, xenluloza bị bao quanh bởi một mạng lignin cũng là polyme. Để tách xenluloza ra khỏi mạng polyme đó người ta phải băm gỗ thành các mẩu vụn rồi nghiền ướt các mẩu vụn này thành bột nhão. Bột giấy được rót qua sàng bằng lưới kim loại, nước sẽ chảy đi còn các sợi xenluloza liên kết với nhau thành tấm giấy thô. Tấm giấy thô này được đưa qua nhiều trục lăn để sấy khô, ép phẳng và xử lý hoàn thiện cho thích hợp với yêu cầu sử dụng. Chẳng hạn, giấy viết được tẩm chất chống thấm nước để ngăn mực viết không bị nhòe khi ta viết.

Quy trình sản xuất bột giấy bằng phương pháp nghiền cơ học là quy trình có hiệu quả thu hồi xenluloza cao nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng và không loại bỏ hết lignin, khiến chất lượng giấy không cao. Vì vậy quy trình này được áp dụng chủ yếu để sản xuất giấy in báo, khăn giấy, giấy gói hoặc các loại giấy chất lượng thấp khác. Trong sản xuất giấy ngày nay, quy trình Kraft được áp dụng phổ biến nhất. Tuy hiệu suất thu hồi xenluloza ở quy trình hóa học không cao bằng quy trình nghiền cơ học, nhưng quy trình hóa học này cho phép loại bỏ lignin khá triệt để, nên sản phẩm giấy có độ bền tương đối cao.

Dư lượng lignin trong bột giấy làm cho giấy có màu nâu, vì vậy muốn sản xuất giấy trắng vàng chất lượng cao thì phải loại bỏ hết lignin. Thường người ta oxy hóa lignin bằng clo hoặc ClO2 nhưng các phương pháp này đều gây ô nhiễm môi trường ở mức độ khá cao. Vì vậy các nhà hóa học đã tích cực nghiên cứu các quy trình thân môi trường để áp dụng cho việc tẩy trắng giấy, kể cả các quy trình sử dụng ozon. Cuối thập niên 1980, ở Phần Lan người ta đã áp dụng các quy trình tẩy trắng giấy với xúc tác enzym.

Một số chất xúc tác vô cơ cũng đang được sử dụng để tẩy trắng giấy. Các nhà khoa học ở Atlanta (Mỹ) đang nghiên cứu xúc tác tẩy trắng giấy là SiV2W10O40 - một loại polyoxometalat có khả năng oxy hóa lignin thành CO2 và nước và chuẩn bị đưa quy trình này ra áp dụng ở quy mô lớn.

Đầu thập niên 1990, các nhà khoa học Mỹ đã phát triển quy trình khử mực in trên giấy nhằm mục đích tái chế giấy báo và tạp chí cũ. Quy trình này dựa trên cơ sở xúc tác enzym là xenluloza và tiêu tốn ít năng lượng, hiện nó đã được nhiều công ty ở Mỹ và các nước khác áp dụng.

Mặt khác, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu các quy trình sinh học để áp dụng cho sản xuất bột giấy, với mục đích giảm tiêu hao năng lượng và tăng độ bền của giấy. Cách đây khoảng 10 năm người ta đã phát hiện một loại nấm trắng - đỏ có khả năng tiêu hóa lignin. Đây là một phương pháp rất đáng chú ý và được coi là có tính khả thi cao ở quy mô lớn, vì vậy một số công ty sản xuất giấy đang nghiên cứu hoàn thiện để đưa ra áp dụng.

Ngày nay, mỗi năm có hàng trăm triệu tấn giấy được sản xuất trên toàn thế giới. Số lượng gỗ đựợc tiêu thụ cho sản xuất giấy là rất lớn, vì vậy con người cần có những biện pháp trồng và quản lý rừng sao cho có thể cung cấp đủ nguyên liệu cho sản xuất giấy (và các sản phẩm gỗ khác) mà vẫn bảo tồn được các hệ sinh thái rừng.

Vải vụn hiện vẫn còn được sử dụng để sản xuất các loại giấy bền với chất lượng rất cao. Ví dụ, các tờ đô la Mỹ được sản xuất bằng hỗn hợp bông thu hồi từ vải vụn, phế thải trong sản xuất sợi bông cũng như phế thải sợi lanh. Các sợi xenluloza dài trong bông và lanh làm cho tờ giấy bạc này rất bền, thậm chí các tờ đôla bỏ quên trong túi quần sau khi giặt trong máy giặt vẫn không bị rách nát.

THẾ NGHĨA (Theo C & EN 8/2000)