Le lignosulfonate de sodium est un sous-produit du processus de fabrication de la pâte au sulfite. C'est le dérivé de la lignine le plus commercialisé au monde, qui représente plus de 90% du marché de la lignine. Il s'agit d'une poudre ou d'un liquide brun avec une excellente solubilité dans l'eau. Il est largement utilisé dans plusieurs industries, y compris la construction, l'agriculture et l'exploitation minière.
Afin d'explorer la possibilité de remplacer les produits chimiques synthétiques actuels, on étudie leur potentiel pour le développement durable. Dans ce qui suit, les connaissances de base et les applications industrielles seront expliquées.
1. Qu'est-ce que le lignosulfonate de sodium ?
Le lignosulfonate de sodium (formule chimique C2OH24Na2O1OS2, numéro de registre CAS 8061-51-6) est un type de polymère polyélectrolyte anionique. Son poids moléculaire varie de 1 000 à 140 000 Da, en fonction des sources de bois et des conditions de traitement. Il se présente sous la forme d'une poudre ou d'un liquide brun à noir, dont la viscosité augmente avec la concentration. Il sert principalement de dispersant, de liant et d'émulsifiant.
Le groupe Sulfo (-SO3一) est chargé négativement ; il peut être adsorbé sur la surface d'une particule chargée positivement, ce qui peut empêcher l'agrégation des particules. C'est le principe de fonctionnement de sa fonction de dispersant, et c'est aussi le fondement chimique de son application générale dans des industries telles que le béton, la céramique et l'exploitation minière.
La lignine ordinaire n'est pas soluble dans l'eau, et le lignosulfonate de sodium devient soluble dans l'eau grâce à l'ajout du groupe Sulfo. Il élargit considérablement le champ d'application en raison de sa commodité et de son utilisation sans solvant.
2. D'où vient le lignosulfonate de sodium ?
Le lignosulfonate de sodium provient de la solution de déchets du processus de fabrication de pâte au sulfite. Après le traitement à haute température et à haute pression par l'usine de papier à l'aide d'acide sulfureux et de sulfite, la cellulose est extraite du bois et une grande quantité de lignosulfonate de sodium est laissée dans la solution résiduelle. Le produit final peut être fabriqué après concentration et purification. Les matières premières sont principalement des bois tendres (tels que l'épicéa et le pin) et des bois durs, et environ 7 millions de tonnes de lignosulfonate de sodium sont produites chaque année à partir de ces matières premières.
Outre le lignosulfonate de sodium, l'hémicellulose, les sucres et d'autres matières organiques sont restés dans la solution de déchets. L'usine moderne extraira l'éthanol et cultivera la levure à partir de la solution de déchets, ce qui permettra d'utiliser pleinement la solution de déchets et d'atteindre le niveau zéro de déchets.
La Chine est le premier producteur mondial de lignosulfonate de sodium. La principale matière première est la solution de déchets d'une usine de papier, tandis que certaines usines peuvent également produire de la lignine Kraft en utilisant la méthode de post-sulfonation, en raison de la forte demande du marché.
3. Qui a inventé le lignosulfonate de sodium ?
Un Américain du nom de Benjamin Tilghman a déposé une demande de brevet pour un procédé de fabrication de pâte au sulfite à Philadelphie, aux États-Unis, en 1867. L'inspiration serait venue de l'observation du ramollissement du bois après trempage dans de l'eau sulfureuse. Cette découverte a jeté les bases de l'industrie moderne de la pâte au sulfite et du papier.
En 1874, un ingénieur chimiste suédois, Carl Daniel Ekman, a commercialisé cette technologie en créant la première usine de papier sulfite. Le lignosulfonate de sodium, sous-produit de cette technologie, est traité comme un déchet à rejeter directement et pollue les rivières.
Les chercheurs ont commencé à étudier la valeur commerciale de la solution de déchets jusqu'au 20e siècle. En raison du renforcement des réglementations environnementales, les usines sont obligées de trouver un moyen de traiter les déchets, ce qui a permis de découvrir l'application générale du lignosulfonate de sodium.
4. Types de lignosulfonate de sodium
Le lignosulfonate peut se combiner avec différents cations, tels que le sodium (Na⁺), le calcium (Ca2⁺), le magnésium (Mg²⁺) ou l'ammonium (NH₄⁺). Le lignosulfonate de sodium est une combinaison de lignosulfonate et de sodium. Il est couramment utilisé sur le marché pour son excellente solubilité dans l'eau et son large éventail d'applications. La solubilité dans l'eau du lignosulfonate de calcium est plus faible, mais son coût est relativement raisonnable. Le lignosulfonate de magnésium est utilisé à certaines fins spécifiques.
Lorsque le lignosulfonate de sodium est classé par forme physique, la poudre sèche représentait environ 58% de la production mondiale en 2024. Sa principale application est l'additif pour béton. La forme liquide représentait 42%, et elle est principalement utilisée dans l'alimentation animale agricole. Lorsque le lignosulfonate de sodium est classé en fonction de sa pureté, la qualité standard est utilisée dans la construction et l'agriculture, la qualité raffinée est utilisée dans l'alimentation animale et l'industrie alimentaire, tandis que les qualités de haute pureté sont utilisées dans les produits pharmaceutiques et les produits chimiques fins.
Il est important de prêter attention à la teneur en humidité, à la valeur du pH (généralement 8-11) et à la teneur en sucre réducteur de la poudre sèche lors de l'achat, car ces indicateurs ont une incidence sur les performances d'application du béton. Les spécifications des produits peuvent varier considérablement d'un fournisseur à l'autre et il est recommandé de demander une fiche technique complète.
5. Comment le lignosulfonate de sodium est-il produit ?
Le processus de fabrication comporte plusieurs étapes :
Les copeaux de bois sont placés dans un digesteur imbibé d'une solution d'acide sulfureux à une température de 130-160°C et un pH de 1,5-5 pendant 4-14 heures. |
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La lignine est sulfonée et les groupes sulfoniques hydrophiles sont induits et deviennent solubles dans l'eau. |
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La solution de déchets qui contient 50-60% de matières sèches de lignosulfonate est traitée par concentration par évaporation, ultrafiltration et purification par échange d'ions. |
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Le produit final en poudre est obtenu après séchage par atomisation. |
La clé de toute la production est le processus de sulfonation, qui convertit la lignine hydrophobe en hydrophile, et qui est la source fondamentale de toutes les fonctions du lignosulfonate de sodium.
Certaines usines peuvent appliquer le processus de sulfonation à la lignine kraft, en faisant réagir le formaldéhyde avec du sulfite de sodium à des températures élevées. Ce procédé permet d'obtenir des produits dont la structure est légèrement différente, mais dont les fonctions sont similaires. Cette méthode devient de plus en plus importante car la disponibilité mondiale de la lignine kraft dépasse de loin celle du procédé au sulfite.
6. Applications du lignosulfonate de sodium
Le lignosulfonate de sodium est principalement utilisé dans le secteur de la construction, qui représente 40% de la consommation mondiale. En tant qu'agent réducteur d'eau pour le béton, le lignosulfonate de sodium peut réduire la consommation d'eau de 12%. Il peut améliorer la résistance et la durabilité et retarder le temps de prise. En 2024, cet additif sera utilisé dans environ 220 millions de tonnes de béton. Outre l'industrie de la construction, l'agriculture représente environ 25%, tandis que 20% de lignosulfonate de sodium sont utilisées dans les métaux et les mines.
Dans le domaine de l'agriculture, le lignosulfonate de sodium est utilisé comme liant pour les aliments pour animaux, comme conditionneur de sol et comme agent fertilisant à libération lente. Dans le domaine des métaux et de l'exploitation minière, il est utilisé comme liant pour les poudres minérales et comme additif pour les fluides de forage. En outre, les produits raffinés du lignosulfonate de sodium sont approuvés par la FDA pour être utilisés dans les matériaux en contact avec les aliments et les aliments pour animaux.
Les applications émergentes se développent également rapidement. Le lignosulfonate de sodium est actuellement à l'étude en tant qu'additif d'électrode dans l'industrie des batteries plomb-acide, ce qui pourrait améliorer les performances de charge et de décharge. Il peut également être utilisé comme adsorbant de métaux lourds dans le traitement des eaux usées, ce qui permet d'éliminer les métaux lourds tels que le plomb ou le cadmium des eaux usées à un coût relativement faible.
7. Avantages du lignosulfonate de sodium
Comparé aux réducteurs d'eau synthétiques tels que le superplastifiant polycarboxylate (PCE), le coût du lignosulfonate de sodium est d'environ $50 par tonne, soit seulement un dixième de celui du PCE. Les performances sont plus que suffisantes pour la construction générale. Le réducteur d'eau synthétique n'est nécessaire que dans les immeubles de grande hauteur ou les bétons à haute performance.
Les autres avantages sont l'excellente solubilité dans l'eau et la facilité d'utilisation. En outre, il est respectueux de l'environnement car il est biodégradable et renouvelable, étant donné qu'il s'agit d'un sous-produit d'une usine de papier. Le lignosulfonate de sodium est également multifonctionnel et peut être utilisé dans de nombreuses industries. Il peut être utilisé comme conservateur en raison de ses propriétés antibactériennes naturelles.
L'une des limites du lignosulfonate de sodium est qu'il ne convient pas aux produits blancs ou clairs en raison de son aspect brunâtre ou noirâtre. La teneur en soufre d'environ 5% rend également le produit inadapté à certaines applications haut de gamme (telles que les utilisations pharmaceutiques). C'est pourquoi la lignine Organosolv, plus coûteuse, est toujours demandée en raison de sa grande pureté.
8. Pourquoi le lignosulfonate de sodium est-il important pour le développement durable ?
Dans la production annuelle de lignosulfonate de sodium dans une usine de papier, l'utilisation commerciale équivaut à transformer les déchets en matières premières précieuses. Le remplacement de produits chimiques synthétiques par chaque tonne de lignosulfonate de sodium permet de réduire les émissions de CO2 d'environ 1,5 tonne.
Le remplacement des additifs synthétiques par le lignosulfonate de sodium est facilité par l'enregistrement, l'évaluation, l'autorisation et la restriction des produits chimiques (REACH) et la certification des produits de construction écologiques en Chine. Cette orientation politique est bénéfique pour le développement à long terme de l'industrie en raison de la demande croissante de matériaux d'origine biologique à l'échelle mondiale. Le marché mondial représentait environ 4,6 milliards de RMB (yuans chinois) en 2024 et, avec une croissance stable, il devrait atteindre 5 milliards en 2030.
9. FAQ sur le lignosulfonate de sodium
Q : Quelle est la différence entre le lignosulfonate de sodium et le lignosulfonate ? R : Lignosulfonate est le terme courant et peut être composé de différents cations tels que le calcium, le magnésium ou l'ammonium. Le lignosulfonate de sodium fait spécifiquement référence au type contenant des ions sodium, qui est le plus courant sur le marché, avec une excellente solubilité dans l'eau. |
Q : Quelle est la réaction spécifique du lignosulfonate de sodium et du ciment ? R : Le groupe Sulfo s'adsorbe à la surface des particules de ciment et empêche l'agrégation des particules, ce qui peut rendre la suspension de ciment plus fluide, réduire la consommation d'eau et augmenter la résistance finale. |
Q : Le lignosulfonate de sodium peut-il remplacer complètement les réducteurs d'eau synthétiques ? R : Le lignosulfonate de sodium peut remplacer le réducteur d'eau synthétique dans la construction générale. Cependant, dans la construction d'immeubles de grande hauteur ou de béton à haute performance, le réducteur d'eau synthétique tel que le superplastifiant polycarboxylate (PCE) est toujours préféré en raison de son taux de réduction d'eau plus élevé. |
Q : Le lignosulfonate de sodium est-il sûr ? R : Les produits raffinés du lignosulfonate de sodium sont approuvés par la FDA pour être utilisés dans les matériaux en contact avec les aliments et les aliments pour animaux. Le lignosulfonate de sodium de qualité industrielle est également classé comme ayant une faible toxicité, ne nécessitant qu'une protection de base dans les opérations quotidiennes. |
Q : Quelle est la durée de conservation du lignosulfonate de sodium ? R : La poudre sèche peut être conservée pendant deux ans dans des conditions sèches et scellées, et le type liquide peut être conservé pendant 6 à 12 mois. Il est essentiel d'éviter les températures élevées et la lumière directe du soleil. |
Q : Où se trouvent les principaux fournisseurs ? R : Les principaux fournisseurs sont situés en Chine, notamment Kingsun Chemicals et Shenyang Xingzhenghe. Il est recommandé de demander une fiche technique complète et un rapport d'essai d'une tierce partie lors de l'achat. |
