Sulfaattimenetelmä

Sulfaattimenetelmäksi kutsutaan sellun valmistuksen valtamenetelmää, jossa puuhakkeesta tehdään sellua valkolipeän avulla korkeassa lämpötiloissa. Raaka-aineena käytetään kuorittua puuta, tavallisimmin mäntyä. Valtaosa maailman sellusta on valmistettu sulfaattimenetelmällä. Sulfaattimenetelmästä käytetään joskus saksan kielestä tulevaa nimeä Kraft (’voima, vahvuus’), jotta vältetään sekaannus sulfiittimenetelmän kanssa.

Prosessi 
Prosessin aluksi puu haketetaan 15–30 mm pituiseksi ja 4–5 mm paksuiseksi. Haketuksen tarkoituksena on tehdä tasalaatuista ja sopivan kokoista haketta jatkoprosessien tarpeisiin. Ennen varsinaista keittoa voidaan keittonestettä imeyttää hakkeeseen impregnointiastiassa. 

Sulfaattimenetelmässä käytetään keittokemikaalina valkolipeää, joka sisältää noin 9 % natriumhydroksidia (NaOH), 3 % natriumsulfidia (Na2S), 3 % natriumkarbonaattia (Na2CO3) ja 1 % natriumsulfaattia (Na2SO4). Sen varsinaisina vaikuttavina aineina ovat veteen liuenneet hydroksidi- ja vetysulfidi-ionit. 
Keitin voi olla erä- tai jatkuvatoiminen. Jatkuvatoimiset keittimet ovat aina paineistettuja. Keitto tapahtuu pH-arvon 12 yläpuolella ja 160–180 °C:n lämpötilassa. Keiton pituus on 0,5–3 tuntia riippuen käytettävästä lämpötilasta sekä halutusta ligniinin loppupitoisuudesta. 

Keiton aikana käytettävät kemikaalit liuottavat pääosan puun ligniinistä ja osan puun hemiselluloosasta, minkä jälkeen puuhake hajoaa helposti kuiduiksi ja saatu tumma kuitumassa on valmis pestäväksi ja jatkokäsiteltäväksi. Suurin osa siitä käytetään paperin valmistamiseen. Käyttökohteesta riippuen massa voidaan valkaista, jolloin jäännösligniiniä poistetaan useilla kemikaaleilla, kuten hapella, klooridioksidilla ja vetyperoksidilla.

Kemikaalien talteenotto 
Sulfaattimenetelmässä käytetty keittoneste ja puusta liuennut ligniini ja muu orgaaninen aine kerätään mustalipeänä, mikä väkevöidään mustalipeähaihduttimissa korkeaan kuiva-ainepitoisuuteen (65–85 %) ja poltetaan soodakattilassa. Mustalipeän orgaanisen aineen palaessa saatava energia voidaan hyödyntää lämmön ja sähkön tuotantoon.

Keittokemikaalit kierrätetään mustalipeästä uudelleen valkolipeäksi talteenottoprosessissa, mikä sisältää haihduttamon, soodakattilan, kaustisoinnin ja meesauunin. Soodakattilan alaosa toimii pelkistävänä, eli siihen ei syötetä koko poltossa tarvittavaa ilmamäärää. Näin lähes kaikki natriumsulfaatti (Na2SO4) muuttuu natriumsulfidiksi (Na2S), lopun natriumin ollessa pääosin natriumkarbonaattina eli soodana (Na2CO3). 

Soodakattilan pohjalta kemikaalit valutetaan sulana liuottimeen, jossa ne sekoitetaan veteen ja saadaan viherlipeää. Viherlipeästä suodatetaan epäpuhtauksia pois, minkä jälkeen viherlipeä kaustisoidaan valkolipeäksi sekoittamalla siihen kaustisointiprosessissa poltettua kalkkia (CaO), jolloin saostuu meesaa, kalsiumkarbonaattia (CaCO3):

Kalkin liukeneminen: CaO (s) + H2O (liq) → Ca(OH)2 (aq)

Meesan muodostuminen: Na2CO3 (aq) +  Ca(OH)2 (liq) → 2 NaOH (aq) + CaCO3 (s)

Saatu meesa regeneroidaan takaisin poltetuksi kalkiksi meesauunissa.

Sulfaattimenetelmä on saanut nimensä kemikaalien talteenoton korvauskemikaalista natriumsulfaatista, Na2SO4. Nykyisten tehtaiden sulkemisasteiden ollessa hyvin korkea ei natriumsulfaattia juurikaan käytetä, vaan tehtaat saavat tarvitsemansa natriumin ja rikin pääosin natriumhydroksidina (NaOH) ja rikkihappona (H2SO4).

Sivutuotteet 

Sulfaatti­selluloosan valmistuksen loppuvaiheessa syntyy myös kaasumaisia aineita. Jos ne kerätään talteen, niistä voidaan valmistaa muun muassa tärpättiä.

Mustalipeän pinnalle muodostuu ns. raaka­suopaa. Se voidaan hydro­lysoida rikki­hapon avulla, jolloin saadaan mäntyöljyä, joka sisältää pää­asiassa rasva- ja hartsihappoja. Hartsi­hapot voidaan poistaa linkoamalla, ja rasva­hapoista voidaan valmistaa mäntysuopaa neutraloimalla ne natriumhydroksidin avulla. Mänty­öljystä valmistetaan myös alkydihartseja, joita käytetään side­aineina maaliteollisuudessa.

Sulfaatti­selluloosa­tehtaat levittävät usein ympäristöön voimakkaita hajuja. Ne johtuvat pää­asiassa kaasumaisista rikkiyhdisteistä kuten metaanitiolista eli metyylimerkaptaanista (CH3SH) ja dimetyylisulfidista ((CH3)2S), joita syntyy ligniinin metyyliryhmien reagoidessa natriumsulfidin kanssa.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Paperiteollisuus