Investigation of pulp and paper production from hemp (Cannabis sativa L.) stalks

Abstract

In this study, the use of bast fibers removed hemp (Cannabis sativa L.) stalks in pulp and paper production and some physical and optical properties of the produced papers were investigated. The chemical components and fiber morphological properties of hemp stalks free of bast fibers were determined and their suitability for pulp and paper production was examined. The holocellulose, cellulose and lignin contents of the hemp stalks were 79.7%, 52.0% and 22.2%, respectively, while fiber length, fiber width and lumen diameter were 0.60 mm, 28.8 µm and 13.4 µm, respectively. In line with these data, pulp production was carried out by cooking the hemp stalks with the Kraft cooking method. The yield, kappa number and viscosity values of pulp obtained from hemp stalks were determined as 48.2%, 39 and 1400 cm3/g, respectively. The breaking length and brightness values of the papers produced from these pulps were measured as 6.87 km and 33.34% ISO, respectively. Consequently, high yield and strength pulps can be produced from hemp stalks free of bast fibers, and since it has a low kappa number and high viscosity, it can be easily bleached.

Keywords

• Hemp stalk
• Pulp
• Paper
• Paper properties

Kenevir (Cannabis sativa L.) saplarından kağıt hamuru ve kağıt üretiminin araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, soymuk lifleri alınmış kenevir (Cannabis sativa L.) saplarının kağıt hamuru ve kağıt üretiminde kullanımı ve üretilen kağıtların bazı mekanik ve optik özellikleri araştırılmıştır. Soymuk liflerinden arındırılmış kenevir saplarının kimyasal bileşenleri ve lif morfolojik özellikleri belirlenerek kağıt hamuru ve kağıt üretimine uygunluğu tespit edilmiştir. Kenevir saplarının holoselüloz, selüloz ve lignin içerikleri sırasıyla %79.7, %52.0 ve %22.2, lif uzunluğu, lif genişliği ve lümen çapı ise sırasıyla 0.60 mm, 28.8 µm ve 13.4 µm bulunmuştur. Bu veriler doğrultusunda, kenevir saplarından Kraft yöntemi ile pişirme yapılarak kağıt hamuru üretimi gerçekleştirilmiştir. Kenevir saplarından elde edilen kağıt hamurunun verimi, kappa numarası ve viskozite değerleri sırasıyla %48.2, 39 ve 1400 cm3/gr olarak tespit edilmiştir. Bu hamurlardan üretilen kağıtların kopma uzunluğu ve parlaklık değerleri ise sırasıyla 6.87 km ve 33.34 %ISO olarak ölçülmüştür. Sonuç olarak, soymuk liflerinden arındırılmış kenevir saplarından yüksek verimde ve mukavemette kağıt hamuru üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Aynı zamanda, kağıt hamurları düşük kappa numarasına ve yüksek viskozite değerine sahip olduğundan ağartılması kolay olmaktadır.

Keywords

• Kenevir sapı
• Kağıt hamuru
• Kağıt
• Kağıt özellikleri

References

1. Akgül, M., Tozluoğlu, A., 2009. Some chemical and morphological properties of juvenile woods from beech (Fagus orientalis L.) and pine (Pinus nigra A.) plantations. Trends in Applied Sciences Research, 4: 116-125.
2. As, N., 1992. Pinus pinaster değişik ırklarının fiziksel, mekanik ve teknolojik özellikleri üzerine etkisi. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
3. ASTM D1107, 2007. Standard test method for ethanol-toluene solubility of wood. ASTM, Pennsylvania, USA.
4. ASTM E313, 2010. Standard practice for calculating yellowness and whiteness indices from instrumentally measured color coordinates. ASTM, Pennsylvania, USA.
5. Ataç, Y., 2009. Bazı yapraklı ve iğne yapraklı ağaçların öz ve diri odunlarının kağıt özellikleri yönünden incelenmesi. Doktora Tezi, Bartın Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
6. Atchison, J.E., 1987. Data on non-wood plant fibers. In Secondary Fibers and Non-wood Pulping, 3rd ed., TAPPI Press, Atlanta, GA.
7. Aytaç, S., Arslanoğlu, Ş.F., Ayan, A.K., 2017. Endüstriyel tip kenevir (Cannabis Sativa L.) yetiştiriciliği. Karadeniz’in Lif Bitkileri Çalıştayı, 5-6 Mayıs, Samsun, s. 27-35.
8. Bektaş, İ., Tutuş, A., Eroğlu, H., 1999. A study of the suitability of calabrian pine (Pinus brutia Ten.) for pulp and paper manufacture. Tr. J. Agric. For, 23(3): 589-597.

9. Bostancı, Ş., 1987. Kağıt Hamuru Üretimi ve Ağartma Teknolojisi. KTÜ Orman Fak., Yay.No. 114 / 13, Trabzon.
10. Bozkurt, Y., 1971. Doğu Ladini (Picea orientalis Link. et Carr.) ile Toros Karaçamın (Pinus nigra var. caramanica (Loud.) Rehd.)’dan birer ağaçta lif morfolojisi üzerine denemeler. İ.Ü. Orman Fak. Derg., Seri A, 21(1): 70-93.
11. Bozkurt, Y., Erdin, N., 1989. Odunsu lifler ve tanımı. İstanbul Üniversitesi, Orman Fakültesi Dergisi, Seri B, 39(4): 1-16.
12. Bozkurt, Y., Göker, Y., Erdin, N., As, N., 1993. Datça kızılçamında anatomik ve teknolojik özellikler. Uluslararası Kızılçam Sempozyumu, 18-23 Ekim, Muğla, s. 628-635.
13. Casey, J.P., 1960. Pulp and Paper. Vol:3, Interscience Publisher Inc., Newyork
14. Casey, J.P., 1961. Pulp and Paper. Vol:2, Papermaking, Second Print, Intersecience publ., New York.
15. Clark, J.A., 1978. Pulp Technology. Mille Freeman Publications, Inc., California.
16. Çiçekler, M., 2019. Birincil ve ikincil lif karışımlarından yazı tabı, oluklu mukavva ve gazete kağıdı üretiminin araştırılması. Doktora Tezi, KSÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş.
17. Deqing, Z., Ya, D., Guanglin, F., Jie, Y., Lanlan, T., Jun, L., 2016. Chemical composition, fiber morphology and biological structure of tobacco stalks. Product Technology, Vol. 49: 80-86.
18. ElSohly, M., Gul, W., 2014. Constituents of Cannabis sativa. In Handbook of Cannabis, Pertwee, R. G. (Ed.), Oxford University Press, USA.
19. Eroğlu, H., 1980. O2-NaOH yöntemiyle buğday (Triticum aestivum L.) saplarından kağıt hamuru elde etme olanaklarının araştırılması. Doçentlik Tezi, KTÜ, Trabzon.
20. Eroğlu, H., 2003. Kağıt ve Kağıt Fiziği Ders Notları. Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
21. Eroğlu, H., Usta, M., Kırcı, H., 1992. A review of oxygen pulping conditions of some nonwood plants growing in Turkey. Tappi Pulping Conference, 2nd November, Atlanta, USA, pp. 215-222.
22. Ezici, A.C., 2010. Pamuk saplarından (Gossypium hirsutum L.) kraft-sodyumborhidrür yöntemiyle kağıt hamuru ve kağıt üretim koşullarının belirlenmesi. Doktora Tezi, KSÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş.
23. Faostat, 2021. Food and Agriculture Organization of the United Nations website, http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC: Accessed: 22.06.2021.
24. Göksel, E., 1984. Kızılçam lif morfolojisi ve odunundan sülfat sellülozu elde etme olanakları üzerine araştırmalar. İ.Ü. Yayın No: 3204, Orman Fakültesi Yayın No: 364, İstanbul.
25. Göksel, E., 1986. Pamuk Saplarının Selüloz ve Kağıt Endüstrisinde Kullanım Olanakları Üzerine Araştırmalar. İ.Ü. Orman Fak. Derg., Seri A, 36(1): 38-54.
26. GTHB, 2018. Kenevir Ekimi ve Kontrolü̈ Hakkında Yönetmelik. Gıda Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı, Ankara.
27. Gülsoy, S.K., Tüfek, S., 2013. Effect of chip mixing ratio of Pinus pinaster and Populus tremula on kraft pulp and paper properties. Industrial & Engineering Chemistry Research, 52(6):2304-2308.
28. Gürboy, B., 2007. Kuzey Kıbrıs’ta doğal olarak yetişen kızılçam (Pinus brutia ten.)’ın lif morfolojisi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Orman Fakültesi Dergisi, A(2): 119-127.
29. ISO 2470-1, 2016. Paper, board and pulps - Measurement of diffuse blue reflectance factor - Part 1: Indoor daylight conditions (ISO brightness). International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
30. ISO 5267-1, 1999. Pulps - Determination of drainability - Part 1: Schopper-Riegler method. International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.
31. İstek, A., Eroğlu, H., Gülsoy, S.K., 2008. Karaçamın yaşına bağlı olarak lif ve kağıt özelliklerinin değişimi. Kastamonu University Journal of Forestry Faculty, 8(1), 61-66.
32. Kırcı, H., 2003. Kağıt Hamuru Endüstrisi Ders Notları. KTÜ, Orman Fakültesi Yayınları, Yayın No:63, Trabzon.
33. Kürschner, K.. Hoffer. A.. 1969. Ein neues Verfahren zur Bestimmung der Zellulose in Hölzern und Zellstoffen. Technologie und Chemie der Papier-u. Zellstoff-Fabrikation. 26: 125-139.
34. Serin, Z., Ateş, N., Cavunt, A., 2017. Biberiye (Rosmarinus officinalis L.) saplarının kağıt hamuru ve kağıt üretimine uygunluğunun değerlendirilmesi. Türkiye Ormancılık Dergisi, 18(2):155-159.
35. Shmulsky, R., Jones, P.D., 2011. Forest Products and Wood Science an Introduction. A John Wiley & Sons, Inc., Publication, United Kingdom.
36. Simionescu, C.I., Grigora¸ S., Cern˘atescu-Asandei, A., 1964. Chemistry of wood in R.P.R. Bucharest. Academy of Popular Republic of Romania Publishing House, Romania.
37. Smook, G.A, 1992. Handbook for Pulp and Paper Technologists. Angus Wilde Publications, Vancouver.
38. Şahin, H.T., 2014. Geri kazanılmış sekonder liflerin yeniden kullanılması üzerine bir inceleme. SDÜ Orman Fakültesi Dergisi, 15: 183-188.
39. Tank, T., Göksel, E., Cengiz, M., Gürboy, B., 1990. Hızlı gelişen bazı iğne yapraklı ağaç türlerinin lif ve kağıt teknolojisi yönünden incelenmesi. İ.Ü. Orman Fak. Derg., Seri A, 40(1): 40-50.
40. Tappi T203, 2009. Alpha-, beta- and gamma-cellulose in pulp. TAPPI, Atlanta, USA.
41. Tappi T207, 2008. Water solubility of wood and pulp. TAPPI, Atlanta, USA.
42. Tappi T211, 2007. Ash in wood, pulp, paper and paperboard. TAPPI, Atlanta, USA.
43. Tappi T212, 2018. One percent sodium hydroxide solubility of wood and pulp. TAPPI, Atlanta, USA.
44. Tappi T222, 2006. Acid-insoluble lignin in wood and pulp. TAPPI, Atlanta, USA.
45. Tappi T230, 2013. Viscosity of pulp (capillary viscometer method). TAPPI, Atlanta, USA.
46. Tappi T236, 2013. Kappa number of pulp. TAPPI, Atlanta, USA.
47. Tappi T402, 2013. Standard conditioning and testing atmospheres for paper, board, pulp handsheets, and related products. TAPPI, Atlanta, USA.
48. Tappi T257, 2012. Sampling and preparing wood for analysis. TAPPI, Atlanta, USA.
49. Tappi T403, 2015. Bursting strength of paper. TAPPI, Atlanta, USA.
50. Tappi T414, 2012. Internal tearing resistance of paper (Elmendorf-Type Method). TAPPI, Atlanta, USA.
51. Tappi T494, 2006. Tensile properties of paper and paperboard. TAPPI, Atlanta, USA.
52. Tofanica, B.M., Cappelletto, E., Gavrilescu, D., Mueller, K., 2011. Properties of rapeseed (Brassica napus) stalks fibers. Journal of Natural Fibers, 8: 241-262.
53. Tutuş A., Çiçekler, M., 2016. Evaluation of common wheat stubbles (Triticum aestivum L.) for pulp and paper production. Drvna Industrija, 67(3):271-279.
54. Tutuş, A., Ateş, S., Deniz, İ., 2010. Pulp and paper production from spruce wood with kraft and modified kraft methods. African Journal of Biotechnology, 9(11): 1648- 1654.
55. Tutuş, A., Çiçekler, M., Deniz, İ., 2012. Yanmış kızılçam odunlarının kağıt hamuru ve kağıt üretiminde kullanılması. KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, Özel Sayı, s:90-95.
56. Tutuş, A., Eroğlu, H., 2003. A practical solution to silica problem in straw pulping, APPITA Journal, 56(2): 111-115.
57. Usta, M., Eroğlu, H. 1988. Soda-Oxygen Pulping of Rye Straw, Nonwood Plant Fiber Pulping. Progress Report, 18. Atlanta, USA.
58. Wise, E.L., Karl, H.L., 1962. Cellulose and Hemicelluloses in Pulp and Paper Science and Technology. Vol. 1. Pulp. Earl. C.L. (Ed.). McGraw Hill-Book Co., New York.
59. Yaman, B., Gencer, A., 2005. Trabzon koşullarında yetiştirilen Kiwi (Actinidia deliciosa (A. hev.) C. F. Liang & A. R. Ferguson)’nin lif morfolojisi. Süleyman Demirel Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, Seri: A, Sayı: 2: 149-155.