СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБЛАГОРОЖЕННОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2005 года по МПК D21C3/04 D21C3/22 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и предназначено для получения высокооблагороженной целлюлозы, используемой для производства химических волокон и пленок.

Известны способы получения целлюлозы, включающие варку измельченного растительного сырья с раствором пероксида водорода в присутствии многокомпонентного катализатора (смеси вольфрамовой кислоты или ее солей, молибденовой кислоты или ее солей и серной кислоты при соотношениях мольных долей компонентов в смеси соответственно 0,2...0,4; 0,2...0,4; 0,2...0,6) с последующей щелочной экстракцией или без нее. При этом не образуется токсичных и дурно пахнущих побочных продуктов варки, а геми-целлюлозы сохраняют высокую реакционную способность благодаря отсутствию реакций их стабилизации при варке (RU, №2206654, МКИ 7 D 21 С 3/04, 3/22, бюл. №17, 2003; RU, №2212483, МКИ 7 D 21 С 3/04, 3/22, бюл. №26, 2003).

Недостатками известных способов являются высокое содержание гемицеллюлоз и низкая массовая доля альфа-целлюлоз в получаемой пероксидной целлюлозе, что не позволяет получать высокооблагороженную целлюлозу и использовать ее в качестве сырья для химической переработки (для производства химических волокон и пленок).

Наиболее близким по технической сущности является способ получения высокооблагороженной древесной целлюлозы, включающий водный или кислотный предгидролиз, сульфатную варку, отбелку и щелочное облагораживание (Технология целлюлозы. В 3-х томах. Т.2 Непенин Ю.Н. Производство сульфатной целлюлозы. М.: Лесная пром-сть, 1990. – С 229).

Недостатком известного способа является применение сульфида натрия для делигнификации древесины при сульфатной варке, что приводит к образованию в ходе технологического процесса токсичных и дурно пахнущих веществ (сероводорода, метилмеркаптана, диметилсульфида и др.) и создает экологически неблагоприятную обстановку в окрестностях предприятия. Кроме того, в ходе сульфатной варки протекают реакции как деградации полисахаридов (peeling-процесс), так и их стабилилизации (stopping-процесс). Оба эти процесса приводят к накоплению в целлюлозе низкомолекулярных фракций полисахаридов, устойчивых к действию щелочи. В результате не реализуются в полной мере возможности удаления гемицеллюлоз (особенно пентазаной) при последующем щелочном облагораживании целлюлозы.

Изобретение решает задачу получения высокооблагороженной целлюлозы без образования серосодержащих продуктов, улучшение экологичности процесса и снижение энергетических затрат.

Для решения этой задачи измельченную древесину подвергают водному или кислотному предгидролизу, древесный остаток делигнифицируют водным раствором пероксида водорода в присутствии катализатора с последующей щелочной экстракцией, полученную целлюлозу отбеливают и облагораживают щелочным способом.

Технический результат при использовании изобретения заключается в получении высококачественной целлюлозы, максимально полном удалении гемицеллюлоз (в том числе пентозанов), улучшении технологических параметров производства - снижение температуры варки и давления, улучшении экологичности процесса - отсутствие вредных выбросов токсичных и дурно пахнущих веществ при сохранении высокого качества получаемой целлюлозы, снижение энергетических затрат.

Для достижения указанного технического результата в способе получения высокооблагороженной целлюлозы, включающем кислотный или водный предгидролиз измельченной древесины, делигнификацию древесного остатка, отбелку и щелочное облагораживание целлюлозы, согласно изобретению делигнификацию древесного остатка проводят путем катализируемой пероксидной варки с последующей щелочной экстракцией окисленного лигнина при атмосферном давлении и температуре ниже 100°С.

Предложенный способ получения высокооблагороженной целлюлозы отличается от прототипа тем, что делигнификацию предгидролизованной древесины проводят пероксидом водорода в присутствии катализатора с последующей щелочной экстракцией окисленного лигнина. Эти особенности лежат в основе заявляемого способа.

Способ получения высокооблагороженной целлюлозы осуществляется следующим образом.

Измельченное растительное сырье подвергают водному предгидролизу при температуре 160-170°С или кислотному предгидролизу при температуре 110-120°С и варке с раствором пероксида водорода в присутствии катализатора, например многокомпонентного смешанного катализатора - вольфрамовой кислоты или ее солей (мольная доля в смешанном катализаторе 0,2...0,4), молибденовой кислоты или ее солей (мольная доля 0,2...0,4) и серной кислоты (мольная доля 0,2...0,6), при температуре 70...95°С. Твердый остаток промывают водой и обрабатывают раствором щелочи при температуре 60-97°С и атмосферном давлении для удаления продуктов окисления. Полученную целлюлозу отбеливают и облагораживают по общепринятым схемам и технологическим режимам.

Пример 1.

Для проведения водного предгидролиза древесину ели (100 г) в виде стружки и 500 г воды загружают в автоклав, быстро нагревают до 160°С и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. Древесный остаток (выход 84 г) промывают водой, переносят в стеклянную колбу и обрабатывают раствором пероксида водорода с катализатором. Условия обработки: гидромодуль 4; начальная концентрация пероксида водорода 17%; суммарная концентрация комплексного катализатора 0,010 моль/дм³ (в том числе серной кислоты 0,0034 моль/дм³, вольфрамата натрия 0,0033 моль/дм³, молибдата натрия 0,0033 моль/дм³); температура 87°С; давление атмосферное; продолжительность процесса 2,5 ч. Твердый остаток промывают водой и обрабатывают в стеклянной колбе раствором гидроксида натрия при следующих условиях: гидромодуль 4; начальная концентрация NaOH 4%; температура 97°С; давление атмосферное; продолжительность 2,5 ч. Полученную целлюлозу освобождают от остатков лигнина обработкой раствором гипохлорита натрия при температуре 23°С в течение 1 ч (расход активного хлора корректируют в зависимости от содержания лигнина) и проводят холодное щелочное облагораживание. Условия облагораживания: концентрация волокнистой суспензии 5%, концентрация гидроксида натрия 9%, температура 15°С, продолжительность процесса 3 ч. По окончании процесса целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 32 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Пример 2.

Для проведения кислотного предгидролиза 100 г древесины ели в виде стружки и 500 г серной кислоты концентрацией 0,3% загружают в автоклав, быстро нагревают до температуры 115°С и выдерживают при этой температуре в течение 2,5 ч. Древесный остаток (выход 82 г) промывают водой, переносят в стеклянную колбу и проводят катализируемую пероксидную варку, щелочную экстракцию, отбелку и облагораживание аналогично примеру 1. Целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 31,0 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Пример 3. По способу прототипу с использованием водного предгидролиза.

Для проведения водного предгидролиза древесину ели (100 г) в виде стружки и 500 г воды загружают в автоклав, быстро нагревают до 160°С и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. Древесный остаток (выход 84 г) промывают водой и делигнифицируют изотермической сульфатной варкой в автоклаве при условиях: гидромодуль 4,5; концентрация NaOH 50 г/дм³; концентрация Na₂S г/дм³; температура 170°С; давление 0,9 МПа; продолжительность процесса 2 ч. Отбелку и облагораживание проводят аналогично примеру 1. Целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 29,9 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Пример 4. По способу-прототипу с использованием кислотного предгидролиза.

Для проведения кислотного предгидролиза 100 г древесины ели в виде стружки и 500 г серной кислоты концентрацией 0,3% загружают в автоклав, быстро нагревают до температуры 115°С и выдерживают при этой температуре в течение 2,5 ч. Древесный остаток (выход 82 г) промывают водой и проводят сульфатную варку, отбелку и облагораживание, как в примере 3. Целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 30,5 г. Результаты анализов приведены в таблице.

ТаблицаСвойства облагороженной целлюлозыПример 1Пример 2Пример 3Пример 4Массовая доля альфа-целлюлозы, %97,597,697,297,4Массовая доля пентозанов, %2,12,02,52,2Средняя степень полимеризации780820910890Реакционная способность, % CS₂/NaOH110/12110/12110/12110/12

Как видно из данных таблицы, заявленный способ имеет следующие преимущества перед известными:

- ниже температура и давление при проведении делигнифицирующей стадии процесса (щелочной экстракции);

- меньше массовая доля пентозанов в целлюлозе при сопоставимых прочих показателях свойств, что является предпосылкой для лучшей перерабатываемости целлюлозы по вискозному способу;

- в технологическом процессе получения целлюлозы не используются соединения серы, что является предпосылкой для снижения техногенной нагрузки на природную среду и для улучшения качества жизни.

Указанные преимущества предлагаемого способа получения облагороженной целлюлозы достигаются за счет замены сульфатного метода делигнификации на катализируемый пероксидный метод делигнификации.

Способ касается получения высокооблагороженной целлюлозы, используемой для производства химических волокон и пленок и относится к целлюлозно-бумажной промышленности. Способ включает водный или кислотный предгидролиз измельченного растительного сырья. Затем осуществляют делигнификацию предгидролизованной древесины путем катализируемой пероксидной варки с последующей щелочной экстракцией окисленного лигнина при атмосферном давлении. После чего производят отбелку и щелочное облагораживание целлюлозы. Техническим результатом является получение высококачественной целлюлозы при улучшении экологичности процесса и снижении энергетических затрат. 1 табл.

Способ получения высокооблагороженной целлюлозы, включающий водный или кислотный предгидролиз измельченного растительного сырья, делигнификацию древесного остатка, отбелку и щелочное облагораживание целлюлозы, отличающийся тем, что делигнификацию предгидролизованной древесины проводят путем катализируемой пероксидной варки и последующей щелочной экстракции окисленного лигнина при атмосферном давлении.