Vis-NIR spectroscopic analysis of wood pulps for multiparameter prediction

Význam tématu

Průmysl výroby buničiny a papíru patří k nejvýznamnějším odvětvím chemického a potravinářského průmyslu se zpracováním více než 400 milionů tun ročně. Kvalita buničiny rozhoduje o vlastnostech konečného papírového výrobku (kancelářský papír, obaly, hygienické výrobky) a vyžaduje rychlou, spolehlivou a ekologicky šetrnou kontrolu klíčových parametrů.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem bylo demonstrovat možnosti viditelné a blízké infračervené spektroskopie (Vis-NIRS) pro simultánní predikci šesti parametrů kvality buničiny: kappa čísla, objemové hmotnosti, freeness (CSF), tahu (SCT), odolnosti proti zhroucení (RCT) a pevnosti v trhání. Studie využívá 236 standardních vzorků papírových rouna s referenčními hodnotami získanými tradičními laboratorními metodami.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika zahrnovala:

• Měření v odrazovém módu na přístroji NIRS DS2500 Analyzer (400–2500 nm) ve třech opakováních.
• Předzpracování spekter: druhá derivace signálu a Standard Normal Variate (SNV) k potlačení efektů rozptylu a podkladového šumu.
• Výběr spektrálních pásem: Vis (400–780 nm), NIR (780–1370, 1450–1870, 1960–2480 nm), vynechání vodních pásem kolem 1400 a 1900 nm.
• Multivariační kalibrace: algoritmus Partial Least Squares (PLS) s interní křížovou validací.

Instrumentace:

• NIRS DS2500 Analyzer (Metrohm 2.922.0010)
• Software Vision 4.03 (Metrohm 6.6069.102)

Hlavní výsledky a diskuse

Modely vykázaly velmi dobrou korelaci mezi referenčními a predikovanými hodnotami:

• Kappa číslo: R2 = 0,986; SEC = 2,9 mg; SECV = 3,0 mg.
• Pulp freeness (CSF): R2 = 0,785; SEC = 68 mL; SECV = 71 mL.
• Breaking strength (SCT): R2 = 0,803; SEC = 2,5 MPa; SECV = 2,6 MPa.
• Buckling strength (RCT): R2 = 0,768; SEC = 7,2 MPa; SECV = 7,4 MPa.
• Tensile strength: R2 = 0,874; SEC = 5 MPa; SECV = 5 MPa.
• Applied density: R2 = 0,903; SEC = 0,0292 g/cm3; SECV = 0,0308 g/cm3.

Vynechání vodních pásem a optimalizované předzpracování vedly k robustním modelům s nízkou chybou a vysokou predikční schopností.

Přínosy a praktické využití metody

Vis-NIRS nabízí výrazné zkrácení času analýzy (30 s na měření jedné sady parametrů) a eliminuje potřebu chemických činidel, čímž významně snižuje náklady a ekologickou zátěž. Metoda je vhodná pro on-line i off-line kontrolu ve výrobě papíru a buničiny, podporuje rychlá rozhodnutí v procesu řízení kvality.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na další výrobní parametry a suroviny.
• Integrace inline měření pro kontinuální monitoring.
• Využití pokročilých algoritmů strojového učení a hlubokého učení pro zvýšení přesnosti predikce.
• Vývoj přenosných a miniaturizovaných NIR přístrojů pro mobilní analýzy.

Závěr

Vis-NIRS spektroskopie prokázala schopnost rychlého, ekologického a spolehlivého stanovení šesti klíčových parametrů kvality buničiny v jednom měření. Metoda umožňuje efektivní kontrolu ve výrobním procesu a otevírá cesty pro další rozvoj inline a automatizované analýzy.