СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РЕГЕНЕРИРОВАННОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 1998 года по МПК D01F2/02 D01F13/02 

Изобретение относится к способу изготовления изделий из регенерированной целлюлозы, в частности волокон и пленок, в особенности к усовершенствованию в очистке водных растворов третичных амин N-оксидов, использованных в качестве осадительных ванн.

Целлюлозу можно растворять в определенных третичных амино-N-оксидах (дальше будут называться аминооксиды) для образования раствора. Примеры таких аминооксидов включают в себя диметилбензиламино-N-оксид, диметилэтаноламино-N-оксид, диметилциклогексиламино-N-оксид и особенно N-метилморфолин-N-оксид (NMMO). Полученные таким образом растворы можно экструдировать через экструзионную головку в водную осадительную ванну для получения изделий из регенерированной целлюлозы в форме волокон или пленок в зависимости от формы головки. Такие способы описаны, например, в патентах США N 3447939, N 3508941 и N 4246221.

Использованную или отработанную осадительную ванну необходимо очищать и концентрировать для извлечения и повторного использования аминооксида, который она содержит. Если очистку не проводят, то извлеченный аминооксид и, следовательно, растворы целлюлозы, которые приготовляют с использованием его, постепенно все больше обесцвечиваются, поскольку в системе накапливаются растворимые окрашенные примеси. Таким образом будут образовываться изделия из регенерированной целлюлозы, которые обесцвечены и, следовательно, имеют плохое качество. Древесное волокно, используемое в качестве источника целлюлозы, содержит низкий уровень нецеллюлозных окрашенных примесей. Также окрашенные примеси образуются в результате деградации органических соединений во время обработки растворов целлюлозы в аминооксидах при повышенных температурах.

Известно применение ионообменных смол для удаления красителя из водных растворов соков (например, статья Ионообменники, Энциклопедия Промышленной Химии, Ульманн, 5 изд. т. A 14. Издатели VCH, 1989, с. 393). Предпочтительными смолами являются сильные основные смолы, применяемые в форме хлорида, которые содержат группы - четвертичный аммоний -CH₂N(CH₃)₃ + Cl^-, предпочтительно, высокопористые смолы, известные как макропористые смолы.

В патенте США N 4193817 описан способ получения коричневого сахара для Бутлеровой жидкости, который заключается в пропускании расплавленного коричневого сахара над сильноосновной анионообменной смолой в форме хлорида. Смолу можно регенерировать путем обработки водным раствором соляной кислоты, содержащим, например, 3,5% W/W HCl, с последующей обработкой водным раствором хлорида натрия и едкого натра, содержащим, например, 10% NaCl и 1% NaOH.

В патенте ДД-А 254199 описана очистка водных растворов N-метилморфолин-N-оксида, причем особенно тех, которые образуются во время регенерации полимеров в области производства синтетических волокон и пластмасс. Растворы пропускают через колонну, содержащую две отдельные анионообменные смолы на основе сополимера стиролдивинилбензола на последовательных стадиях. Смола, применяемая на первой стадии, представляет собой слабую анионообменную смолу, несущую амино-группу - CH₂N(CH₃)₃, а в качестве смолы на второй стадии применяют сильную анионообменную смолу, несущую группы четвертичного аммония - CH₂[N(CH₃)₃]⁺OH^-. Указано, что очищаемый раствор, который сначала темно-коричневого цвета, становится светло-коричневым или желтым после первой стадии обработки и затем светло-желтым или бесцветным после второй стадии обработки. Смолы активируют путем обработки 3%-ным W/W водным раствором едкого натра и регенерируют обработкой водным раствором, содержащим 3%-ный W/W едкого натра и 10%-ный W/W хлористого натрия.

В патенте EP A 427701 описана очистка водных растворов N-метилморфолин-N-оксида, особенно растворов осадительной ванны, образующихся во время производства целлюлозных изделий, путем пропускания их над анионообменной смолой. Смола содержит исключительно группы CH₂N⁺(CH₃)₃X^- или CH₂N⁺[(CH₃)₂(CH₂OH)] X^-, где X^- - анион неорганической или органической кислоты.

Очищаемый раствор содержит окрашенные продукты деградации полигидридных фенолов и их сложных соединений с железом.

Очищенный раствор имеет значительно уменьшенный уровень содержания железа. Смолу регенерируют посредством обработки водным раствором кислоты. Кислота представляет собой предпочтительно летучую органическую кислоту, особенно угольную, муравьиную или уксусную кислоту. Это позволяет извлекать избыточную кислоту посредством перегонки, а отходы удалять сжиганием. Однако упомянутые органические кислоты являются дорогостоящими в сравнении с неорганическими веществами, обычно применяемыми для регенерации анионообменных смол, например, рассол или каустик.

Способ, в соответствии с изобретением, изготовления изделий из регенерированной целлюлозы включает в себя:
растворение целлюлозы в третичном амин-N-оксиде для образования раствора,
контактирование раствора с водной ванной для осаждения регенерированной целлюлозы и образования отработанной ванны, включающей воду и третичный амин-N-оксид и
очистку отработанной ванны обработкой сильноосновной анионообменной смолой, которую время от времени регенерируют для повторного использования.

Способ отличается тем, что смолу регенерируют последовательной обработкой водным раствором сильной неорганической кислоты и
водным раствором едкого натра, при этом происходит регенерирование смолы в форму гидроокиси.

Изделия из регенерированной целлюлозы могут иметь форму волокон, пленок или трубок. Их можно получить путем экструдирования целлюлозы в третичном амино-N-оксиде через соответствующую головку в водную ванну, обычно называемую осадительной ванной в области производства волокон и литьевой ванной в производстве пленок или трубок.

Сильноосновной анионообменной смолой является смола на основе четвертичного аммония, содержащая - CH₂N(CH₃)+3

X^- группы, т.е. типа, известного как смола типа 1. Можно также применять смолы типа 2, которые содержат группы -CH₂N[(CH₃)₂(CH₂CH₂ OH)] X^-. Смола присутствует в форме хлорида, когда X^- = ион хлорида Cl^-. После регенерации в соответствии со способом согласно изобретению X^- представляет ион гидроксила OH^-, и о смоле говорят, что она в форме гидроокиси.

Смола представляет собой предпочтительно макропористую смолу. Примеры соответствующих смол - это те, которые указаны в статье Сильные основные анионные смолы - макропористых типов, (Энциклопедия Улманна, таблица с. 451), например, Амберлит IRA-900 (Амберлит - торговая марка фирмы Rohm and Haas Company) или Lewatit МР-500 (Lewatit - торговая марка фирмы Байер АС).

Регенерация смолы посредством обработки сильной неорганической кислотой, например, только соляной кислотой, не является удовлетворительной. Хотя анионообменная смола, полученная в форме хлорида, способна обесцвечивать отработанную ванну, однако выделяются соли хлороводород и хлорид, когда отработанную ванну пропускают через смолу. Это создает риск возникновения коррозии металла, включая нержавеющей стали, применяемой в конструкции остальной части установки. Как присутствие кислоты, так и ионов хлорида, увеличивают этот риск. Регенерация смолы посредством обработки только едким натром превращает смолу в форму гидроокиси, которая способна обесцвечивать отработанную коагуляционную ванну. Однако только часть окрашенного материала, удерживаемого смолой, удаляется из смолы этой обработкой. Таким образом, после нескольких циклов регенерации способность смолы удалять окрашенный материал из отработанной ванны уменьшается до недопустимого низкого уровня. Двухстадийный способ регенерации в соответствии с изобретением является значительно более эффективным, чем любой одностадийный способ. Во время обработки соляной кислотой удаляется значительное количество окрашенного материала, и смола, регенерированная после обработки едким натром, является очень эффективной для обесцвечивания дополнительного количества отработанной ванны.

Сильной неорганической кислотой, применяемой на первой стадии регенерации в соответствии с раствором, является предпочтительно соляная кислота, хотя можно также применять серную кислоту. Сильные неорганические кислоты можно назвать минеральными кислотами. Соляная и серная кислоты являются сильными неорганическими кислотами, которые имеют одну единственную или первую степень кислотности меньше, чем O в воде при 25^oC. Раствор кислоты может содержать 1 - 10 мас.% кислоты, предпочтительно 2 - 7 мас.%. Этот раствор может содержать также соль сильной кислоты, например, хлорид натрия. Обработка этим раствором превращает смолу в форму хлорида.

Раствор, применяемый на второй стадии регенерации в соответствии с изобретением, может содержать 1 - 10 мас.% едкого натра, предпочтительно 2 - 6 мас.%. Обработка этим раствором превращает смолу в форму гидроокиси.

Возможно предпочтительно применять на двух стадиях обработки приблизительно стехиометрически эквивалентное количество сильной неорганической кислоты и едкого натра или небольшое избыточное количество едкого натра по сравнению с сильной неорганической кислотой. Для каждого эквивалента сильной кислоты применяют предпочтительно 1,0 - 1,1 моль едкого натра, поскольку во время стадии очистки на смолах накапливаются кислотные примеси из отработанной ванны, которые удаляют со смолы во время стадий обработки. Таким образом, вытекающий поток со стадий обработки представляет собой примерно нейтральный раствор соли натрия, например, хлорид или сульфат натрия, которая представляет минимальные экологические проблемы с ее удалением.

Анионообменная смола обычно содержится в виде слоя в колонне, через которую проходит очищаемая отработанная ванна. Смолу предпочтительно регенерируют, при этом очищенная ванна все же имеет высокое качество, т.е. до истощения смолы и прежде, чем она станет насыщенной примесями. Если регенерация задерживается слишком долго, тогда качество очищенной ванны будет ухудшаться, и регенерация смолы может быть неполной или неудовлетворительной. Состояние смолы можно контролировать посредством измерения электропроводности очищенной ванны, которая увеличивается, когда смола почти истощена. Либо состояние смолы можно определить посредством калориметрии очищенной ванны. Такие изменения могут составить основу метода автоматического контроля, в котором колонну удаляют с линии и регенерируют, когда проводимость или степень окраски соответственно повышается до заданного значения.

Обычно будут устанавливать параллельно две или больше колонн с очищаемой отработанной ванной, пропускаемой через одну или несколько колонн, при этом остальные из них будут либо подвергаться обработке для регенерации, либо они будут регенерированы и готовы для установки на линию, когда это потребуется.

Полный цикл регенерации включает в себя промывку водой на различных стадиях. В качестве воды, используемой в этих промывках, является предпочтительно мягкая вода с низким содержанием минералов, причем ею может быть деминерализованная вода. Обработку растворами сильной неорганической кислоты и едким натром обычно осуществляют как промывки в одном направлении, т.е. в одном направлении потока, что и обработанная ванна. Промывки водой обычно представляют собой промывку с параллельными потоками, хотя одну или несколько промывок можно осуществлять в обратном направлении для суспендирования и повторного формирования слоя, а также для удаления твердых остатков органических веществ, уловленных на нем или в нем. Типичный цикл заключается в следующем.

1. Удаляют колонну с линии.

2. Остаточной ванне позволяют стекать из колонны.

3. Промывают водой колонну.

4. Обрабатывают водным раствором сильной неорганической кислоты.

5. Осуществляют промывку колонны водой.

6. Обрабатывают водным раствором едкого натра.

7. Промывают водой колонну.

8. Запускают в работу колонну на линии или в резервный режим.

Обычно для промывки водой можно использовать 2 - 10 объемов слоя воды. Объем слоя представляет объем жидкости, необходимой для полного смачивания стекшего, но не сухого слоя смолы. В общем, применяют один или несколько объемов слоя каждой жидкости для обработки, причем могут быть предпочтительны 1,0 - 5,0 или 1,5 - 3,0 объемов слоя. Либо можно позволить меньшим объемам жидкостей для обработки стекать через смолу или побуждают их проходить через смолу за счет последующей промывки водой. Оптимальное количество каждой промывки и каждого раствора лучше всего определяют эмпирически путем экспериментирования на колонне, смонтированной в установке для изготовления изделий из регенерированной целлюлозы, таким образом, можно применять минимальный объем каждой жидкости, в результате достигается удовлетворительная регенерация. Первая часть промывки 3 обычно богата содержанием аминооксида, и она может рециркулировать вместе со стоками со стадии 2. Промывку водой в обратном направлении (в противотоке) можно осуществлять между стадиями 3 и 4.

Стадии регенерации, описанные в способе в соответствии с изобретением, применяют предпочтительно для регенерации смолы во время каждого цикла регенерации. Однако может быть удовлетворительным применение этих стадий менее часто, например, в чередующихся циклах регенерации или в одном из четырех циклов регенерации. Промежуточные регенерации можно осуществлять обычным способом посредством обработки водным раствором едкого натра, т.е. без стадий 4 и 5 в описанном цикле регенерации.

Обычно считают, что свежая смола имеет более высокую способность для удаления окрашенных примесей, чем смола, которая была подвергнута нескольким циклам очистки и регенерации. Когда смолу регенерируют в соответствии со способом согласно изобретению, ее способность стабилизируется после нескольких циклов на уровне, который несколько ниже способности свежей смолы. Затем ее можно подвергать нескольким сотням или больше циклов без значительного или только незначительного снижения производительности. Смола может иметь полезный срок службы два года или больше.

Очистку предпочтительно осуществляют на отработанной ванне до ее концентрирования для повторного использования. Отработанная ванна обычно содержит 5 - 40%, а чаще 15 - 35% по массе аминооксида. Аминооксидом предпочтительно является N-метилморфолин-N-оксид.

Обычно также желательно удалять катионы металлов из отработанной ванны до извлечения аминооксида. Это может быть достигнуто путем пропускания ванны через слой катионообменной смолы, например, сульфированной смолы. Можно также дополнительно или на выбор пропускать ванну через хелатную катионообменную смолу, например, иминодиацетатную смолу. Отработанная ванна обычно содержит одновалентные катионы, например, натрия и многовалентные катионы, например, кальция, железа, марганца и меди. Их можно получить либо из исходных материалов, применяемых в производстве изделий из регенерированной целлюлозы, в частности, из древесной массы, или из материалов конструкции установки. Отработанную ванну можно пропускать через такой слой катионообменной смолы до или предпочтительно после ее прохождения через слой анионообменной смолы. Анионообменная смола удаляет большую часть примесей из отработанной ванны, чем катионообменная смола. Таким образом, предпочтительное устройство защищает катионообменную смолу от чрезмерного загрязнения. В известных системах обработки воды обычно воду сначала пропускают через катионообменную смолу и затем через анионообменную смолу.

Также вообщем желательно удалять из отработанной ванны суспендированный твердый материал, до пропускания ванны через ионообменную смолу, например, путем фильтрования, который требует только грубого фильтрования.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Целлюлозу растворяли в N-метилморфолин-N-оксиде (NMMO) и экструдировали в осадительную ванну для получения волокон регенерированной целлюлозы, как описано в патенте США N 4261943. В этих примерах использовали отработанную осадительную ванну.

Концентрацию окрашенных примесей в водном растворе аминооксида измеряли спектрофотометрически при 450 нм, применяя длину пути, равную 10 мм, в зависимости от регулирования уровня содержания дистиллированной воды. Результаты выражены в форме оптической плотности раствора, содержащего 1 мас.% аминооксида (АООД).

Пример 1. В 100 мл отработанную осадительную ванну, содержащую 20 мас.% NMMO в воде и имеющую 0,06 аминооксида (АООД), поместили 1,0 г ионообменной смолы естественной сушки. Это было более, чем достаточно для насыщения обменных участков на смоле. Окраску, оставшуюся в растворе аминооксида после 1 ч, измерили, получив следующие результаты (табл. 1).

Все применяемые смолы были смолы Amberlite, поставляемые фирмой РохМ энд Хааз Компани.

Пример 2. 5 г смолы Амберлит IRA-900 поместили в 25 мл - бюретку и насыщали окрашенными примесями путем пропускания через нее отработанной осадительной ванны, применяемой в примере 1. Затем слой смолы пропитывали 10%-ным водным раствором NaOH, либо 10%-ным водным раствором HCl в течение 30 мин, после этого щелок сливали и определяли его окрашивание. Обработку пропиткой и сливом повторяли пять раз. Щелок NaOH удалял очень малый процент окраски. Смолу регенерировали до формы гидроокиси, однако при этом оставалась большая часть окрашенных примесей. Напротив, первые растворы HCl были сильно окрашенными, тогда как последние содержали мало красителя. Большую часть окрашенных примесей удалили, и теперь можно было регенерировать смолу в форме хлорида до гидроокиси посредством обработки водным раствором NaCl.

Пример 3. Смолу Амберлит IRA-900 насыщали окрашенными примесями, как описано в примере 2. Затем слой смолы пропитывали в водном растворе HCl различной концентрации в течение 10 мин, после этого раствор сливали и измеряли его оптическую плотность, полученные результаты приведены в табл.2.

Пример 4. Смолу Амберлит IRA-900 насыщали окрашенными примесями, как описано в примере 2. Затем ее пропитывали 10 раз одним объемом слоя 3,6% HCl, причем каждая пропитка продолжалась в течение 30 мин, после чего раствор сливали. Затем измеряли оптическую плотность каждого из 10 образцов слитого раствора. Результаты выражены как процент от общего количества красителя, удаленного во всех пропитках (табл.3).

Пример 5. Смолу Амберлит IRA-900 поместили в 25 мл бюретку для образования 10 мл слоя и элюировали отработанной осадительной ванной, содержащей 30 мас.% N-метилморфолин-N-оксида (NMMO) в воде и имеющей оптическую плотность аминооксида (АООД)= 0,6, со скоростью 10 объемов слой/ч до тех пор, пока не будет пропущено 3 г NMMO на 1 г смолы. Оптическую плотность элюата измеряли и определяли точку, в которой показатель АООД увеличился до 2% от первоначального значения. Смолу регенерировали путем пропускания (1) 3-х объемов слоя 3,6%-ного водного раствора HCl, и (2) 2-х объемов слоя 5%-ного водного раствора NaOH. Высокую скорость потока и высокую степень истощения применяли для проведения жесткого испытания смолы. Результаты последующих испытаний приведены в табл.4.

Установлено, что свежая смола является более эффективной, чем регенерированная смола. Однако, если промывку соляной кислотой (HCl) исключали, эффективность колонны в отношении указанных в таблице результатов быстро снижалась в сторону нуля.

Пример 6. Опытную установку для производства волокон из регенерированной целлюлозы оснастки ионообменной колонной для очистки отработанной осадительной ванны. Колонна содержала 100 л сильной анионообменной смолы Амберлит IRA-900, при этом глубина слоя смолы составляла примерно 750 мм. Установка работала периодически в течение периода свыше 2 лет и была способна производить 200 кг/день волокон регенерированной целлюлозы. Обычно отработанная осадительная ванна содержала примерно 800 кг/день NMMO в качестве 20 - 25% раствора в воде. Значение АООД в отработанной осадительной ванне находилось в пределах 0,015 - 0,035 до пропускания ванны через колонну и в пределах 0,004-0,005, после. Значение АООД в неочищенной ванне оставалось постоянным до тех пор, пока через колонну не пропустили примерно 1500 кг N-метилморфолин-N-оксида (NMMO), после чего оно начало повышаться, показывая, что смола требует регенерации. Смолу регенерировали посредством ряда обработок, показанных в табл.5.

После начального периода ввода в эксплуатацию пропускная способность колонны и качество очищенной ванны (как показывает значение АООД в ней) оставались устойчивыми. Во время всего этого периода использовали первоначальную загрузку смолы.

Использование: в производстве изделий из регенерированной целлюлозы, в частности волокон и пленок. Целлюлозу растворяют в третичном амин-N-оксиде. Контактируют его с водной ванной для осаждения регенерированной целлюлозы. Отработанную ванну, включающую воду и третичный амин-N-оксид, обрабатывают сильноосновной анионообменной смолой. Для повторного использования смолу регенерируют в форму гидроокиси последовательной обработкой водным раствором сильной неорганической кислоты и водным раствором едкого натра. Регенерированную смолу можно подвергать сотням циклов без значительного снижения производительности. Смола имеет полезный срок службы более двух лет. 17 з.п.ф-лы, 5 табл.

1. Способ изготовления изделий из регенерированной целлюлозы, включающий растворение целлюлозы в третичном амин-N-оксиде для образования раствора, контактирование раствора с водной ванной для осаждения регенерированной целлюлозы и образования отработанной ванны, включающей воду и третичный амин-N-оксид, и очистку отработанной ванны обработкой сильноосновной анионообменной смолой, которую время от времени регенерируют для повторного использования, отличающийся тем, что смолу регенерируют последовательной обработкой водным раствором сильной неорганической кислоты и водным раствором едкого натра, при этом происходит регенерирование смолы в форму гидроокиси. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изделиями регенерированной целлюлозы являются волокна, пленки или цилиндрические паковки нити. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве третичного амина-N-оксида используют N-метилморфолин-N-оксид. 4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что отработанная ванна содержит 5 - 40 мас.% третичного амина-N-оксида. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отработанная ванна содержит 15 - 35 мас.% третичного амина-N-оксида. 6. Способ по любому из пп. 1 - 5, отличающийся тем, что в качестве анионообменной смолы используют смолу на основе четвертичного аммония, содержащего группы -CH₂N(CH₃)₃ ⁺. 7. Способ по любому из пп. 1 - 6, отличающийся тем, что в качестве анионообменной смолы используют макропористую смолу. 8. Способ по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что в качестве сильной неорганической кислоты используют соляную или серную. 9. Способ по любому из пп. 1 - 8, отличающийся тем, что при регенерации смолы используют 1 - 10%-ный водяной раствор сильной неорганической кислоты. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что при регенерации смолы используют 2 - 7%-ный водный раствор сильной неорганической смолы. 11. Способ по любому из пп. 1 - 10, отличающийся тем, что при регенерации смолы используют 1 - 10%-ный водный раствор едкого натра. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что при регенерации смолы используют 2 - 6%-ный водный раствор едкого натра. 13. Способ по любому из пп. 1 - 12, отличающийся тем, что при регенерации смолы используют 1,0 - 1,1 моль едкого натра на каждый эквивалент сильной неорганической кислоты. 14. Способ по любому из пп. 1 - 13, отличающийся тем, что при регенерации смолы применяют 1 - 5 объемов слоя водного раствора при обработке водным раствором сильной неорганической кислоты и при обработке водным раствором едкого натра. 15. Способ по любому из пп. 1 - 14, отличающийся тем, что во время цикла регенерации смолу промывают водой перед обработкой водным раствором сильной неорганической кислоты, между обработкой водным раствором сильной неорганической кислоты и водным раствором едкого натра и после обработки водным раствором едкого натра. 16. Способ по любому из пп. 1 - 15, отличающийся тем, что отработанную ванну дополнительно пропускают через катионообменную смолу. 17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что отработанную ванну сначала пропускают через анионообменную смолу и затем через катионообменную смолу. 18. Способ по любому из пп. 1 - 17, отличающийся тем, что отработанную ванну фильтруют до ее пропускания через анионообменную смолу.