Hírek

A cellulóz- és papíripar (a továbbiakban: PPI) nagyban hozzájárul a világgazdasághoz, azonban kihívást jelent a hulladékártalmatlanítás szempontjából, mivel a papírgyártás során nagy mennyiségben papírhulladék – selejtpapír – keletkezik, amely az előállított papír kb. 25%-át teszi ki. Ez hatalmas mennyiség, tekintve, hogy évente több száz millió tonna papírt állítanak elő, amelyet, ha nem égetnek el, vagy nem hasznosítanak újra, hulladéklerakóba kerül. Mivel a papíripar alapanyaga a fa, a papírgyártás jelentősen hozzájárul az éghajlatváltozáshoz és a globális felmelegedéshez az erdőirtások, valamint víz- és levegőszennyező hatása miatt. Ennek az iparágnak a természeti erőforrások fenntarthatóságára gyakorolt hatása és káros környezeti és egészségügyi hatásai miatt különös figyelmet igényelnek.
Egy tanulmányban a PPI-ből származó papírhulladék körforgásos gazdaság felé vezető fenntartható hasznosítási lehetőségeit vizsgálták.
A papírgyártáshoz négy fő elem szükséges, cellulózszálak, vegyszerek, energia és víz. Korábban az iparág pamut- és vászonrongyot használt cellulózforrásként, de később áttért a fára a papírtermelés és a minőség javítása érdekében.
A papír fából történő előállítása több lépésből áll. Első lépés a fapép elkészítése, majd következik a cellulózfehérítés, tisztítás, verés és finomítás, végül a papír előállításához szükséges végső kezelések (Deswal et. al. 2019.). A pépesítési folyamat fő célja a lignin és a hemicellulóz eltávolítása, miközben a cellulózszálak szerkezete sértetlen marad és így pép keletkezik. A fapépesítési eljárások lehetnek kémiai, mechanikus vagy félmechanikusak.Ahogy az elnevezésük is jelzik, a kémiai cellulózgyártás vegyi anyagokat használ a lignin és a hemicellulóz feloldására a pépszálak előállításához, a mechanikus pépesítés mechanikai eljárásokat, például őrlést és finomítást használ erre a célra (Mao et. al. 2019.). A kémiai módszerekkel előállított pép jobb minőségű és nagyobb mennyiségű cellulózrostot tartalmaz, mint a mechanikusan előállított pép, más szóval, a kémiai pépesítés hatékonyabban távolítja el a lignint és a hemicellulózt, ami magasabb cellulóztartalmú pépet eredményez (Das et. al. 2004.). A fapépesítés után a maradék lignin további eltávolítására a fehérítés következik (Iglesias et. al. 2020.). A fehérített pépet ezután a selejt cellulózszálak szűréssel történő eltávolításával tisztítják.
A tisztított fehérített pép ezután verési és finomítási folyamaton megy keresztül, hogy megnövelje rostjainak felületét, ami viszont növeli azok vízmegtartó képességét és jobb kötések kialakítását a papírgyártási folyamat előtt (Mao et. al. 2019.). A papírgyártási folyamat többnyire egy cellulóz víztelenítési eljárás, melynek során a pépet görgőn vagy dróthálón vezetik át, amelyek elősegítik a víz eltávolítását és a papírképződést. Végül az újonnan kialakított papírt kalendáriummal, szuperkalanderrel, enyvezéssel, laminálással, impregnálással vagy telítéssel utókezelésnek vetik alá a papír felületének simítása és minőségének javítása érdekében (Deshwal et. al. 2019., Haile et. al. 2021.).
A papír lehet szűz papír, amelyet szűz cellulózból állítanak elő, vagy újrahasznosított papír, amelyet újrahasznosított hulladékpapírból vagy újrafeldolgozott cellulózból állítanak elő (Deshwal et. al. 2019.). A papír újrahasznosítása csökkenti a környezet terhelését azáltal, hogy minimalizálja a természeti erőforrások fogyasztását és csökkenti a környezetbe kerülő mérgező vegyszerek mennyiségét. A papír újrahasznosítása szintén fontos szerepet játszik az üvegházhatást okozó gázok kibocsátásának csökkentésében, mivel kevesebb fát vágnak ki, ami a fotoszintézis révén több CO2 megkötéséhez vezet, illetve a papírgyártási költségek is csökkennek. Az újrahasznosítás 35%-kal csökkenti a víztestek és 74%-kal a levegőszennyezést, sőt, csökkenti a földterület-használatot és kíméli a természeti erőforrásokat (Misman et. al. 2014.).
Az újrahasznosított papírgyártás során keletkező papírhulladék fő forrásai az ipar, a háztartások és a kisvállalkozások. Globálisan a papírhulladék hozzávetőleg a felét hasznosítják újra, míg a felét elégetik vagy lerakják (Vu et. al. 2018.).
A hulladékpapírnak körülbelül 50 osztálya van, és a hulladékpapír minősége az újrahasznosított papír végső minőségének meghatározója. A tisztaságot és a minőséget azonban negatívan befolyásolja, ha különböző típusú hulladékpapírokat kevernek össze (Misman et. al. 2014.).
A papír újrahasznosítási folyamata több lépésből áll, beleértve az újrapépesítést, a festékmentesítést és a finomítást. Az újrapépesítés magában foglalja a hulladékpapír rostjainak víz és vegyszerek felhasználásával történő szétválasztását. A festékmentesítés és a finomítás nem feltétlenül szükséges lépései a papír újrahasznosításának, de nagymértékben növelik a végtermék szilárdságát és megjelenését. A festékmentesítés javítja az újrahasznosított papír vizuális minőségét, de nem fehéríti ki a fehérítetlen szálakat, ezért fehérítésre lehet szükség. A festékmentesítésre többféle módszert alkalmaznak, ezek közül a floatációs módszer a legelterjedtebb. Végül a festékmentesített pépet finomítják, hogy előkészítsék a papírgyártási folyamatra. Az újrahasznosított papírt különféle alkalmazásokhoz használják, például újságokhoz, borítékokhoz, irodai és nyomdai papírokhoz, kartonpapírokhoz és szigetelésekhez.
A fenntarthatóság egyik fő megközelítése a hulladék energiává és értéknövelt termékekké való átalakítása, amely az utóbbi időben jelentős fejlődésen ment keresztül. Napjainkban már több lehetőség is van a papírhulladékot és selejteket energiává és hasznos termékké alakítani.
Az egyik ilyen termék a bioetenol. Az első generációs bioetanolt cukorból és keményítőből, míg a második generációs bioetanolt lignocellulózt tartalmazó hulladékból állítják elő. A bioetanol előállításához nagy mennyiségű cellulózra van szükség, így a papírhulladék potenciális nyersanyag (Darmawan et. al. 2019.). A papírhulladék bioetanollá alakításához a cellulózt és a hemicellulózt egyszerű cukrokká hidrolizálják kémiai úton vagy enzimek segítségével. Az egyszerű cukrokat ezután fermentáció útján bioetanollá alakítják (Wan et. al. 2023.). A papírhulladék előnyt jelent a bioetanol gyártásban más lignocellulóz anyagokkal szemben, mivel nem igényel további előkezeléseket, ugyanis a lignin nagy részét már a különböző papírgyártási folyamatok során eltávolították (Prasetyo et. al. 2011.), továbbá a papírhulladék lebomló jellege alkalmassá teszi bioetanol előállítására. Ezen kívül a papírhulladék könnyen beszerezhető alacsony áron, és magas szénhidráttartalommal rendelkezik. A papírhulladékból történő bioetanol előállítás alternatívát is jelent az újrahasznosítással szemben, mivel az újrahasznosításnak számos korlátja van, például az újrahasznosítási folyamatok többletenergia-felhasználása és korlátozott számú újrahasznosítási ciklus (Wang et. al. 2013.).
A termokémiai cellulózkészítés (TMP) egy papírgyártási eljárás, amelynek során a farostokat forró gőzzel, nyomás alatt kezelik. A TMP anaerob módon kezelt szennyvizet eredményez, hogy biohidrogént állítson elő a sötét fermentációnak nevezett folyamat során (Dessi et. al. 2018.). A sötét fermentáció hőmérséklet-érzékeny folyamat, mivel a hőmérséklet enyhe eltolódása jelentősen növelheti vagy csökkentheti a hidrogénhozamot, ezért a szennyvíz hőmérsékletét hatékonyan kell szabályozni (Rogeri et. al. 2023.). Kutatók egy csoportja recirkulációs kétfázisú anaerob rothasztással egyszerre állított elő biohidrogént és biometánt települési szilárd hulladékból, amelynek 50%-a papírhulladék volt (Qin et. al. 2019.).
A papírhulladéknak három fő ártalmatlanítási módja van, a lerakás, égetés és komposztálás. A hulladéklerakás a legelterjedtebb ártalmatlanítási mód a három közül. A lerakás hatékonysága erősen csökken a kiterjedt területhasználat miatt, különösen olyan országokban, mint például Kína, amely világszerte az egyik legnagyobb szilárd hulladék termelője (Li et. al. 2016.). A papírhulladék égetése során hő keletkezik, amely felhasználható vagy tovább feldolgozható villamos energia előállítására. A hulladékégetés magában foglalja a szilárd hulladék elégetését, egyidejűleg gázok és energia felszabadulását. A hulladék elégetésével a mennyiség 90%-kal, a tömeg pedig 70%-kal csökkenhet. Miközben az égetés nagy mennyiségű energiát termel, sok mérgező szennyezőanyag, például nehézfémek, CO2 és perzisztens szerves szennyező anyagok is a környezetbe kerülnek.
Az égetőművekben a fő kihívás az égéstér állandó hőmérsékletének és az állandó energiateljesítménynek a fenntartása, mivel a megnövekedett hőmérséklet korrodálhatja vagy csökkentheti az alapvető üzemi komponensek élettartamát (Magnanelli et. al. 2020.). A hulladékégetés ki tudja elégíteni a kisebb államok energiaigényét, mivel az égetésből származó energia felhasználható villamos energia előállítására vagy víztisztító telepek meghajtására (Pirotta et. al. 2013.).
A papír-újrahasznosítás eredményeképpen a rövidített rostok újrahasznosított papíriszap formájában gyűlnek össze, ami nem alkalmas papírgyártásra. Jelenleg az iszapot elégetéssel és hulladéklerakással ártalmatlanítják, ami környezeti veszélyeket jelent. A papíriszap nagy értékű anyagokká, például cellulóz nanorészecskékké való átalakítása minimalizálja a papírhulladék ártalmatlanításával kapcsolatos problémákat (Gibril et. al. 2018.). Ezen nanorészecskék közül a legjellemzőbbek a cellulóz nanokristályok (CNC-k) és a cellulóz nanofibrillumok (CNF-ek). A papírhulladékból kinyert CNC-k és CNF-ek felhasználhatók a papírgyártási folyamatban adalékanyagként a szálak közötti adhézió elősegítésére és a papír üregeinek kitöltésére, ami a papír szilárdságának javulását eredményezheti.
A környezetbarát, alacsony költségű és könnyű anyagok használatának megnövekedett jelentősége az építőiparban a hulladékanyagok építési anyagokban való alkalmazását eredményezte, mivel ez jót tesz a környezetnek és fenntartja az építési szabványokat. Sangrutsamee és munkatársai különböző típusú újrapépesített papírok felhasználását vizsgálták a cementkompozit gyártásban. Az újságból, irodai papírból, kartonpapírból és vegyes papírokból nyert négyféle újrapéppézett szálat különböző arányban keverték össze cementtel, és olyan tulajdonságokat figyeltek meg, mint a nyomószilárdság, a térfogatsűrűség, a hővezető képesség és a vízfelvétel. Az újrapépezett kartonpapírból előállított kompozitok bizonyultak a leghatékonyabbnak, mivel könnyűek és alacsony hővezető képességgel és sűrűséggel rendelkeznek. Azonban hátrányuk, hogy alacsony nyomószilárdságuk és nagy vízfelvétellel rendelkeznek (Sangrutsamee et. al. 2012.).
A papírgyári iszapban lévő szervetlen anyagok nagy hányada ideálissá teszi számos építőanyag, például tégla, cement és szigetelés előállításához (Duncan et. al. 2020.). Például a cellulózszálak cementtel és néhány más adalékanyaggal keverve olyan szálcement termékeket állítanak elő, amelyek nagy szilárdságúak, tartósak, tűzállóak és jó megjelenésűek. A szálcement termékeket különböző építőipari alkalmazásokban használják, mint például padlók, falak és dekorációk (Pahusuwanno et. al. 2019.). A cellulózszálak építőanyagokban, például cementkompozitokban való felhasználásának van néhány hátránya, mint például az alacsony tartósság lúgos vagy ásványi anyagokban gazdag környezetben, valamint az öregedési mechanizmusok (főleg lúgos hidrolízis és sejtfal mineralizáció) miatti lebomlás, ami befolyásolja a cellulózszálak erősítő szerepét. ha cementkompozitként használják. A leghasznosabb ártalmatlanítási mód a papíriszap vagy a szerves anyagban gazdag hulladék komposztálása lehet, mivel ezzel a folyamattal a mikro- és makroelemek visszakerülhetnek a környezetbe.
Összességében elmondható, hogy a fent említett folyamatoknak és lehetőségeknek a papírhulladék fenntartható kezelése érdekében vannak előnyei és hátrányai is. A papíripar fenntarthatóságának javítása érdekében további kutatásokra van szükség a rendelkezésre álló papírhulladék hasznosítási folyamatok optimalizálására és új konverziós technológiák kidolgozására.

Forrás:
Deshwal, G.K.; Panjagari, N.R.; Alam, T. An overview of paper and paper based food packaging materials: Health safety and environmental concerns. J. Food Sci. Technol. 2019, 56, 4391–4403.
Mao, J.; Heck, B.; Abushammala, H.; Reiter, G.; Laborie, M.-P. A structural fibrillation parameter from small angle X-ray scattering to quantify pulp refining. Cellulose 2019, 26, 4265–4277.
Das, T.K.; Houtman, C. Evaluating chemical-, mechanical-, and bio-pulping processes and their sustainability characterization using life-cycle assessment. Environ. Prog. 2004, 23, 347–357.
Iglesias, M.C.; Gomez-Maldonado, D.; Via, B.K.; Jiang, Z.; Peresin, M.S. Pulping processes and their effects on cellulose fibers and nanofibrillated cellulose properties: A review. For. Prod. J. 2020, 70, 10–21.
Haile, A.; Gelebo, G.G.; Tesfaye, T.; Mengie, W.; Mebrate, M.A.; Abuhay, A.; Limeneh, D.Y. Pulp and paper mill wastes: Utilizations and prospects for high value-added biomaterials. Bioresour. Bioprocess. 2021, 8, 35. [
Misman, M.; Alwi, S.W.; Manan, Z.A. State-of-the-art for paper recycling. In Proceedings of the International Conference on Science and Technology (ICSTIE), George Town, Malaysia, 17–18 September 2014; pp. 1–5.
Vu, H.H.T.; Lai, T.Q.; Ahn, J.W. Appropriate technology for the paper recycling: A new paradigm. J. Energy Eng. 2018, 27, 81–88.
Darmawan, M.A.; Hermawan, Y.A.; Samsuri, M.; Gozan, M. Conversion of paper waste to bioethanol using selected enzyme combination (cellulase and cellobiase) through simultaneous saccharification and fermentation. AIP Conf. Proc. 2019, 2085, 020018.
Wan, X.; Liu, J.; Zhang, Y.; Tian, D.; Liu, Y.; Zhao, L.; Huang, M.; Hu, J.; Shen, F. Conversion of agricultural and forestry biomass into bioethanol, water-soluble polysaccharides, and lignin nanoparticles by an integrated phosphoric acid plus hydrogen peroxide process. Ind. Crops Prod. 2023, 191, 115969
Prasetyo, J.; Naruse, K.; Kato, T.; Boonchird, C.; Harashima, S.; Park, E.Y. Bioconversion of paper sludge to biofuel by simultaneous saccharification and fermentation using a cellulase of paper sludge origin and thermotolerant Saccharomyces cerevisiaeTJ14. Biotechnol. Biofuels 2011, 4, 35.
Wang, L.; Sharifzadeh, M.; Templer, R.; Murphy, R.J. Bioethanol production from various waste papers: Economic feasibility and sensitivity analysis. Appl. Energy 2013, 111, 1172–118
Dessì, P.; Porca, E.; Lakaniemi, A.-M.; Collins, G.; Lens, P.N. Temperature control as key factor for optimal biohydrogen production from thermomechanical pulping wastewater. Biochem. Eng. J. 2018, 137, 214–221.
Rogeri, R.C.; Fuess, L.T.; Eng, F.; do Vale Borges, A.; de Araujo, M.N.; Damianovic, M.H.R.Z.; da Silva, A.J. Strategies to control pH in the dark fermentation of sugarcane vinasse: Impacts on sulfate reduction, biohydrogen production and metabolite distribution. J. Environ. Manag. 2023, 325, 116495
Qin, Y.; Li, L.; Wu, J.; Xiao, B.; Hojo, T.; Kubota, K.; Cheng, J.; Li, Y.-Y. Co-production of biohydrogen and biomethane from food waste and paper waste via recirculated two-phase anaerobic digestion process: Bioenergy yields and metabolic distribution. Bioresour. Technol. 2019, 276, 325–334
Li, X.; Zhang, C.; Li, Y.; Zhi, Q. The status of municipal solid waste incineration (MSWI) in China and its clean development. Energy Procedia 2016, 104, 498–503.
Magnanelli, E.; Tranås, O.L.; Carlsson, P.; Mosby, J.; Becidan, M. Dynamic modeling of municipal solid waste incineration. Energy 2020, 209, 118426
Pirotta, F.; Ferreira, E.; Bernardo, C. Energy recovery and impact on land use of Maltese municipal solid waste incineration. Energy 2013, 49, 1–11.
Gibril, M.E.; Lekha, P.; Andrew, J.; Sithole, B.; Tesfaye, T.; Ramjugernath, D. Beneficiation of pulp and paper mill sludge: Production and characterisation of functionalised crystalline nanocellulose. Clean Technol. Environ. Policy 2018, 20, 1835–1845
Sangrutsamee, V.; Srichandr, P.; Poolthong, N. Re-pulped waste paper-based composite building materials with low thermal conductivity. J. Asian Archit. Build. Eng. 2012, 11, 147–151.
Duncan, S.M.; Alkasrawi, M.; Gurram, R.; Almomani, F.;Wiberley-Bradford, A.E.; Singsaas, E. Paper mill sludge as a source of sugars for use in the production of bioethanol and isoprene. Energies 2020, 13, 4662.
Pahusuwanno, P.; Chakartnarodom, P.; Ineure, P.; Prakaypan, W. The influences of chemical treatment on recycled rejected fiber cement used as fillers in the fiber cement products. J. Met. Mater. Miner. 2019, 29, 3.