СПОСОБ И ХИМИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ Российский патент 2014 года по МПК D21C1/06 

Изобретение относится к улучшению качества волокна и повышению эффективности процесса при получении волокнистой массы механическим способом. Более конкретно, изобретение относится к применению конкретных химических композиций, таких как комбинации восстановительного реагента и хелатообразующего агента в щелочной среде для повышения эффективности процесса и белизны бумажного изделия, изготовленного из целлюлозного сырья, полученного в ходе такого процесса. Изобретение имеет существенное значение для уменьшения садкости (скорости обезвоживания) целлюлозной массы, обеспечения экономии энергии и химических реагентов и увеличения степени белизны бумажных изделий.

Механическое получение волокнистой массы является общепринятым способом производства волокнистой массы. Одно из преимуществ механического получения волокнистой массы перед другими способами получения состоит в том, что этот способ не приводит к значительной потере массы. К сожалению, технологические операции при механическом получении волокнистой массы очень энергоемкие и склонны приводить к получению волокнистой массы с низкой прочностью. Иногда применяют химическую обработку, такую как обработка щелочью, для повышения прочности и экономии энергии за счет снижения белизны. В настоящее время при получении волокнистой массы механическим способом применяют несколько технологий производства продуктов, таких как каменная древесная масса (КДМ), прессовая древесная масса (ПДМ), рафинерная механическая масса (РММ), прессовая РММ (ПРММ), термо-РММ (ТРММ) и термомеханическая масса (ТММ).

Одним из известных в настоящее время способов уменьшения потребления энергии, необходимой для механического получения волокнистой массы, считается обработка щелочью, которая приводит к снижению скорости обезвоживания волокнистой массы. Этот распространенный известный в данной области техники способ снижения скорости обезвоживания волокнистой массы заключается в добавлении щелочи к древесной щепе во время процесса получения волокнистой массы механическим способом. К сожалению, добавление щелочи к древесной щепе также вызывает снижение степени белизны получаемой бумаги. Чтобы компенсировать такое снижение степени белизны, в процессе производства бумаги на стадии отбеливания следует добавлять дополнительное количество отбеливающего вещества, что приводит к уменьшению или сводит к нулю любое снижение общих затрат.

В результате производители бумаги вынуждены идти на нежелательные компромиссы. Они должны либо выбрать снижение энергозатрат, но допустить потерю белизны бумаги, либо они должны применять дополнительное количество отбеливающего вещества и жертвовать снижением себестоимости. Таким образом, существует выраженная потребность в создании технологии, которая обеспечивала бы экономию энергии, не ухудшая оптические свойства бумаги, изготовленной из такой волокнистой массы.

Краткое описание изобретения

По меньшей мере один вариант реализации изобретения относится к композиции и способу ее применения. Предложенная композиция улучшает процесс изготовления бумаги. Композиция содержит основание, небольшое количество сильного восстановительного реагента и хелатообразующий агент. Композицию вводят в процесс изготовления бумаги перед механическим получением волокнистой массы из древесной щепы или во время получения. Композиция обеспечивает снижение потребления энергии при производстве волокнистой массы, но не вызывает общего снижения степени белизны бумаги, изготовленной из бумажной массы, по сравнению с бумагой, полученной аналогичным образом из аналогичной бумажной массы, которая не содержала композиции, добавленной к древесной щепе. Композиция может представлять собой водный раствор или суспензию, которую можно применять на любой стадии процесса механического получения волокнистой массы, перед размолом или во время него, например при операции по промыванию древесной щепы, при вымачивании щепы, может быть нанесена распылением на щепу и может быть добавлена непосредственно в рафинер.

По меньшей мере один вариант реализации изобретения относится к композиции, в которой основание выбрано из перечня, состоящего из: гидроксида щелочного или щелочноземельного металла, такого как гидроксид натрия, гидроксида магния и любой их комбинации. Одна из предпочтительных композиций может вызывать более эффективное отбеливание полученной волокнистой массы перекисью или гидросульфитом, в том числе, но не ограничиваясь этим, путем обработки гидроксидом магния. Обработка древесной щепы перед или во время механического получения волокнистой массы с применением малых количеств гидроксида магния активирует волокнистую массу к последующему отбеливанию, в частности отбеливанию перекисью.

По меньшей мере один вариант реализации изобретения относится к композиции, в которой восстановительный реагент выбран из перечня, состоящего из: водорастворимых гидросульфитов (дитионитов), сульфитов, бисульфитов, метабисульфитов, формидинсульфиновой кислоты, солей формидинсульфиновой кислоты, боргидридов, фосфинов, третичных солей фосфония; более конкретно, гидросульфитов щелочных или щелочноземельных металлов, боргидридов, гидросульфита натрия, боргидрида натрия и любой их комбинации. Хелатообразующий агент может представлять собой хелатирующий агент для связывания ионов переходного металла, выбранный из перечня, состоящего из: органических гидроксикислот, аминофосфонатов, аминофосфатов, аминокарбоксилатов; более конкретно, солей диэтилентриаминпентауксусной кислоты (ДТТК), солей этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК), солей диэтилентриаминпента(метиленфосфоновой) кислоты (ДТМФК) и любых их комбинаций.

Подробное описание изобретения

Нижеследующие определения приведены для разъяснения смысла терминов, применяемых в настоящей заявке, в частности для толкования пунктов формулы изобретения. Компоновка определений предназначена только для удобства и не предполагает ограничения какого-либо из определений какой-либо конкретной категорией.

"CSF" обозначает садкость (скорость обезвоживания) волокнистой массы согласно канадскому стандарту, описанному в способах и стандартах Технической Ассоциации целлюлозно-бумажной промышленности США (TAPPI), и измеряется в миллиметрах.

"Садкость (скорость обезвоживания) волокнистой массы" означает меру скорости, с которой может быть осушена суспензия волокнистой массы, и обычно измеряется с применением метода измерения скорости обезвоживания волокнистой массы (канадский стандарт), описанного в способах и стандартах Технической Ассоциации целлюлозно-бумажной промышленности США (TAPPI). Скорость обезвоживания волокнистой массы может изменяться в результате как химических, так и физических изменений в волокнистой массе.

"Механическое получение волокнистой массы" означает физическое изменение в результате превращения балансовой древесины и щепы в волокнистую массу с применением механической энергии.

"Химико-механическое получение волокнистой массы" означает слабое химическое изменение, происходящее в процессе измельчения древесины или размола щепы. Химико-механическое получение волокнистой массы обычно улучшает прочность бумаги или облегчает производство бумаги.

"Рафинерная древесная масса" означает механическую волокнистую массу, полученную с применением измельчителя и прошедшую обработку путем растирания, скобления, дробления, истирания или разрезания в машине для размола древесной массы, называемой рафинером.

"Рафинерная механическая волокнистая масса" означает волокнистую массу, полученную при обработке необработанной древесной щепы в механических рафинерах, работающих при атмосферном давлении.

"Рафинер" означает машину для механической обработки волокон на целлюлозно-бумажных фабриках при необходимости растирания, скобления, дробления, истирания или разрезания с целью обработки или придания определенных свойств готовой суспензии волокнистой массы и листовому полотну, получаемому на бумагоделательной машине.

"Небольшое количество" означает концентрацию добавки, добавленной к суспензии бумажной массы, недостаточную для инициирования каких-либо значительных химических изменений в волокнистой массе, обычно связанных с химико-механическим получением волокнистой массы.

Было известно, что при изменении скорости обезвоживания волокнистой массы, обычно вызванном обработкой щелочью, можно уменьшить энергию, необходимую в процессе получения волокнистой массы (см., например, опубликованную заявку на патент США 2008/0105392). Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения очень малые количества химических реагентов добавляют к древесной щепе, что приводит к низким энергозатратам при механическом получении волокнистой массы из древесной щепы. Низкие энергозатраты являются результатом синергической комбинации химических реагентов, которая как понижает скорость обезвоживания волокнистой массы, так и повышает степень белизны волокнистой массы. Как правило, уменьшение скорости обезвоживания волокнистой массы происходит в результате изменений физических свойств волокнистой массы, таких как набухание волокон. Такое набухание могут вызывать щелочные среды. Однако поскольку щелочные среды также увеличивают окисление и вызывают ионизацию фенольной группы лигнина, который всегда присутствует в (механической) целлюлозе с высоким содержанием альфа-целлюлозы, это вызывает пожелтение получаемой бумаги. В результате либо бумага имеет более низкую степень белизны, либо следует применять больше отбеливающих реагентов, тем самым увеличивая расходы.

В настоящем изобретении эта проблема решается двумя способами. Во-первых, в качестве источника щелочи применяют гидроксид магния. Гидроксид магния активирует волокнистую массу на последующих стадиях отбеливания перекисью или гидросульфитом, тем самым увеличивая степень белизны в результате отбеливания. Во-вторых, реакцию в рафинере регулируют таким образом, чтобы она являлась восстановительной, а не окислительной. Это также подавляет потерю белизны, которую в противном случае могло бы вызывать неконтролируемое окисление. Кроме того, можно добавить хелатообразующий агент, дополнительно уменьшающий любое пожелтение, поскольку он связывает катионы переходных металлов, которые в противном случае могли бы катализировать реакции пожелтения. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения гидроксид магния комбинируют с одним или более восстановителями и, возможно, одним или более хелатообразующими агентами перед размолом или в рафинере. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения после этой комбинации следует отбеливание перекисью.

В данной заявке конкретные химические реагенты применяют в очень малых количествах и, как полагают, эти реагенты воздействуют на волокнистую массу только на механическом уровне, а не на химико-механическом уровне. Вследствие применения низкого количества реагентов не происходит значительных химических изменений в волокнистой массе. Однако низкое количество специализированных химических реагентов является достаточным для того, чтобы вызвать снижение скорости обезвоживания волокнистой массы и тем самым уменьшить потребление энергии во время процесса механического получения волокнистой массы. Поскольку имеют место сравнительно малые химические изменения в целлюлозе, этот способ можно свободно применять с большинством, если не со всеми известными в настоящее время методами, используемыми на большинстве действующих фабрик, производящих механическую волокнистую массу, в том числе, но не ограничиваясь ими, ТММ, РММ и/или волокнистые массы на основе древесной массы.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения малые количества по меньшей мере одного восстановительного реагента и по меньшей мере одного хелатирующего агента в щелочной среде применяют для обработки древесной щепы во время производства механической волокнистой массы. При комбинировании таким образом указанных химических реагентов вместо потери белизны, которая типична при щелочных обработках, происходит увеличение степени белизны.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения небольшое количество по меньшей мере одного восстановительного реагента и по меньшей мере одного хелатирующего агента в щелочной среде, применяемое перед стадией размола или на стадии размола, усиливает процесс отбеливания, выполняемый позже в процессе производства бумаги. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения специализированные химические реагенты, добавленные перед стадией размола или на стадии размола (например, гидроксид магния один или в смеси с восстановительным реагентом (реагентами) и, возможно, хелатирующим агентом (агентами)), вызывают активацию волокнистой массы в отношении последующего отбеливания, которое впоследствии требует меньше отбеливающих материалов для достижения такой же степени белизны. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения отбеливание представляет собой отбеливание перекисью или гидросульфитом.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения по меньшей мере один их источников щелочи представляет собой гидроксид магния (ГМ). Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения ГМ применяют сам по себе, при этом положительный эффект на степень белизны наблюдается после стадии отбеливания перекисью или гидросульфитом. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения ГМ комбинируют с гидросульфитом натрия и хелатирующим агентом.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения по меньшей мере один из восстановительных реагентов представляет собой гидросульфит натрия (ГН). Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения ГН комбинируют с гидроксидом магния и хелатирующим агентом. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения малые количества сильного восстановительного реагента, такого как ГН, с боргидридом натрия (БН) или без него комбинируют с ГМ. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения малые количества сильного восстановительного реагента, такого как ГН, с БН или без него, комбинируют с гидроксидом натрия.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения по меньшей мере один из восстановительных реагентов представляет собой БН в очень небольшом количестве. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения БН комбинируют с гидросульфитом натрия и хелатирующим агентом. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения источник щелочи представляет собой ГМ. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения небольшое количество сильного восстановительного реагента, такого как ГН, с БН или без него, комбинируют с ГМ.

В предложенном способе применяют химические реагенты, обычно имеющиеся на бумажных фабриках, но применяют их по-новому. Как показано в следующих ссылках, несмотря на то, что применение БН и гидросульфита давно известно в бумажном производстве, данные агенты применяли только в процессах отбеливания, в условиях от нейтральных до слабокислых сред, и в процессах сульфатной варки волокнистой массы, но не в процессах механического получения волокнистой массы (см., например, патенты и заявки на патенты: US 5129987, ЕР 141826, US 2004/0000380, EP 485074, WO 88010334, EP 00027369, DE 2826821, JP 48038328 а также статьи в журналах: "Premix": a novel process for improving bleaching of mechanical pulps for using a mixture of reductive agents, Wasshausen, J. et al. Pulp & Paper Canada, (2006), Volume 107 Issue 3, Pages 44-47 и New hydrosulfite route reduces ground-wood bleach costs. Sellers, F.G.Pulp & Paper (1973) Volume 47 Issue 12, pages 80-82).

Кроме того, отбеливание перекисью при помощи боргидрида натрия описано в статье Further Understanding of Sodium Borohydride Assisted Peroxide Bleaching of Mechanical Pulps, He, Zh., Appita Journal (2005), Volume 58 issue 1, pages 72-76. Непосредственное применение БН в качестве реагента для отбеливания описано в патентах США 2004/000380, WO 1996/020308 и WO 90011403, а его использование в качестве реагента для предварительного отбеливания/многостадийного отбеливания описано в WO 01059205. Применение больших количеств (1-3%) БН при сульфатной варке волокнистой массы было описано в Determination of kraft NaBH4 pulping condition of Uldag fir, by Akgul, M., Pakistan Journal of Biological Sciences (2006) Volume 9 page 13. Наконец, предварительная обработка древесной щепы несколькими химическими реагентами для сульфатной и сульфитной варки волокнистой массы описана в DE 1955641 и DE 2105324.

Применение гидроксида магния в рафинере описано, среди прочего, в заявке на патент Китая CN 2008-10014053 20080123. Это описание касается процесса, известного как рафинерное отбеливание, выполняемое с применением Mg(OH)₂ и перекиси водорода. Ни в одной из указанных ссылок не описано применение гидроксида магния при механическом получении волокнистой массы, взятого в отдельности или в комбинации с малыми количествами восстановительных реагентов, или применение этих химических реагентов в технологических операциях при механическом получении волокнистой массы в основной среде.

В патенте США 4324612 описано применение дитионита натрия, который добавляют при распылении на поверхность камня при получении отбеленной волокнистой массы из дефибрерной древесной массы из ели, с последующим дополнительным отбеливанием просеянной волокнистой массы в башне для отбеливания перекисью. Однако эта ссылка не включает применение основания в целях экономии энергии, и в ней не упомянуто применение магния.

В патенте США 5129987 описано рафинерное отбеливание с помощью щелочного гидросульфита натрия. Однако в этой ссылке по существу рассмотрен процесс отбеливания с применением высоких концентраций, включающий большие дозы гидросульфита, типичные при процедуре отбеливания.

В патенте WO 9722749 описан способ снижения потребления энергии в процессе получения волокнистой массы, который включает регулирование рН и совершенно отличную процедуру обработки, направленную на кристаллическую структуру целлюлозы.

В патенте США 5338402 используют химические реагенты, похожие на реагенты, применяемые в настоящем изобретении, но только в количествах, достаточно больших для химико-механического получения волокнистой массы, направленных на достижение других свойств волокнистой массы, и при других технологических условиях. Например, в патенте упоминается производство ХТММ, которое включает варку при температуре, равной или большей 100ºС, с применением восстановителя, более электроотрицательного, чем ион сульфита вместе с сульфитом или бисульфитом натрия или смесь диоксида серы и гидроксида натрия. Восстановитель может представлять собой диоксид тиомочевины, боргидрид натрия или дитионит натрия.

В другом источнике, известном из уровня техники, описан многостадийный процесс предварительной обработки с применением восстановителя, но отличающийся от одностадийного процесса согласно настоящему изобретению. В этом источнике описано производство отбеленной волокнистой массы из древесной щепы с помощью процесса, включающего предварительную обработку щепы - сперва с применением по меньшей мере одного восстановителя (например, с применением смеси сульфита натрия и боргидрида натрия), а затем с применением щелочного раствора перекиси. После предварительных обработок проводили рафинерное измельчение (Brightening of Douglass-Fir Groundwood, Betz, R. G., Styan G. E., Pulp Paper Magazine Canada (1974) Volume 75 Pages 111-114).

В еще одной публикации, известной из уровня техники, предложено понижение потребления энергии при механическом размоле и измельчении древесных дефибрерных масс при повышении степени белизны и прочностных свойств путем добавления дитионита натрия непосредственно в рафинер или в аппарат для измельчения {Treatment of Mechanical Wood Pulp with Reductive Bleaching Chemicals in Refiners, Melzer, J.; Auhorn, W., Wochenblatt fur Papierfabrikation (1986), Volume 114, Number 8, pages 257-260). Однако этот способ отличается от предложенного способа, поскольку он не требует применения щелочи, предусматривает применение гораздо большего количества гидросульфита и по существу представляет собой рафинерное отбеливание гидросульфитом.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения, хотя специализированные химические реагенты придают целлюлозе темный оттенок, полученная бумага не является темной. Волокнистая масса темнеет вследствие обработки щелочью. Однако поскольку специализированные химические реагенты активируют волокнистую массу, процесс последующего отбеливания потемневшей механической волокнистой массы улучшается и требуется меньшее количество отбеливающего средства. Этот способ особенно эффективен при применении гидроксида магния в качестве источника щелочи и когда отбеливание достигается путем применения перекиси. Активации волокнистой массы, направленной на последующее рафинерное отбеливание, можно добиться путем применения одного гидроксида магния.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения перед тем как подвергать механическую волокнистую массу отбеливанию перекисью или отбеливанию гидросульфитом, гидроксид магния и гидросульфит натрия комбинируют с механической волокнистой массой в рафинере для получения более светлой механической волокнистой массы. Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения, хелатирующий агент также добавляют к древесной щепе перед процессом размола или в рафинер.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения специализированный реагент представляет собой гидроксид магния, возможно, в сочетании с хелатирующим агентом. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что в отличие от гидроксида натрия, гидроксид магния улучшает степень белизны волокнистой массы после отбеливания гидросульфитом и, особенно, перекисью за счет активации волокнистой массы в отношении указанных процессов, хотя степень белизны непосредственно после очистки может все же уменьшиться.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения специализированные химические реагенты находятся в форме водного раствора или суспензии, которую можно загрузить непосредственно в рафинер или распылить на древесную щепу.

Согласно по меньшей мере одному варианту реализации изобретения специализированные химические реагенты находятся в форме водного раствора или суспензии, которую можно нанести на древесную щепе во время операций вымачивания или промывания.

Вышеизложенное описание может быть лучше понято со ссылкой на следующий пример, который приведен с целью иллюстрации и не предполагает ограничения объема изобретения.

Несколько способов, представленных ниже, применяли для моделирования среды, в которой можно реализовать изобретение на практике. Образцы волокнистой массы были получены с американских заводов, расположенных на Среднем Западе, и из европейских заводов (мягкая древесная ТММ, 1^ые и 2^ые отходы ТММ). Дозы основаны на активных веществах, если не указано иное. ДТТК всегда применяли в форме 38% раствора (как правило, применяемого в промышленности), и указанные дозы относятся к этому раствору.

Испытание А. Условия высокотемпературной нагрузки: композиции на основе боргидрида с гидроксидом натрия

Экспериментальные испытания проводили во влажной среде при температурной нагрузке, моделирующей условия в рафинере, в котором происходит механическая обработка. Образцы ТММ помещали в варочные котлы из нержавеющей стали и добавляли химические реагенты в воде таким образом, что конечная консистенция составляла 3-5% сухой волокнистой массы в суспензии. Образцы выдерживали при 150ºС в течение 10 минут во вращающемся варочном котле, охлаждали, промывали, измеряли рН и вручную изготавливали из них листы. рН во всех образцах изменялся от щелочного к слабо кислому, что указывает на то, что химическая реакция прошла до конца; следовательно, не было необходимости в подкислении суспензий.

Испытание В. Условия умеренной температурной нагрузки, содержащие гидросульфит композиции с гидроксидом натрия

Экспериментальные испытания проводили во влажных условиях при температурной нагрузке, моделирующих условия в рафинере, где происходит механическая обработка. Образцы ТММ помещали в дегазированные колбы, закрытые мембранами (мягким пластиком, который защищает содержимое от воздействия воздуха, но который можно проткнуть иголкой), и добавляли через шприц химические реагенты в потоке азота до суммарной концентрации 3,6%. Образцы выдерживали при 80ºС в течение 1 часа 15 минут на водяной бане, охлаждали, промывали, измеряли рН и вручную изготавливали листы при подкислении до рН 5. рН образцов после указанного процесса был слабо щелочным. В испытании с использованием боргидрида натрия, этот реагент применяли в форме продукта Borol компании Rohm&Haas, который представляет собой (39% NaOH, 12% NaBH₄). Необходимую щелочность (например, 0,75% NaOH, 0,25% NaBH₄ относительно высушенной до постоянного веса волокнистой массы) поддерживали, варьируя количества введенного гидроксида натрия.

Испытание С.Гидросульфитная обработка гидроксидом натрия с последующим отбеливанием

Образцы получали, как описано при Испытании В, промывали, обезвоживали и отбеливали в стандартных условиях (70ºС, 1 ч, 1,5% NaOH, 2% Н₂О₂). Образцы промывали, и вручную изготавливали листы при подкислении до рН5.

Испытание D. Улучшение скорости обезвоживания волокнистой массы

Был разработан протокол, который моделировал как механические, так и температурные эффекты термомеханического процесса лучше, чем простая обработка при температурной нагрузке. Волокнистую массу перемешивали с химическими реагентами при концентрации 10% и затем размалывали в лабораторном рафинере для волокнистой массы типа PFI (150ºС). Затем волокнистую массу разбавляли до 3% и подвергали нагреванию, как описано при Испытании А. Скорость обезвоживания (CSF) волокнистой массы, обработанной в присутствии 0,75-1% NaOH, была примерно на 20 мл ниже, чем в контрольном образце; боргидрид и ДТТК не влияли на этот результат.

Испытание Е. Условия высокотемпературной нагрузки: содержащие гидросульфит композиции с гидроксидом магния

Испытание на степень белизны проводили во влажных условиях при температурной нагрузке, моделирующих условия в рафинере (без механической обработки). Образцы ТММ помещали в полиэтиленовые пакеты и перемешивали с гидроксидом магния и ДТТК. Пакеты открывали, и образцы переносили в варочные котлы из нержавеющей стали и дегазировали азотом в течение 7 минут каждый. Оставшиеся химические реагенты добавляли через шприц в объем волокнистой массы в потоке азота. Образцы с концентрацией 5% выдерживали при 150ºС в течение 10 мин во вращающемся варочном котле, охлаждали, промывали, измеряли рН и либо вручную изготавливали листы или отбеливали волокнистую массу. рН во всех образцах изменялся от щелочного к слабо кислому, что указывает на законченную химическую реакцию; следовательно, не было необходимости в подкислении суспензий.

Испытание F. Условия умеренной температурной нагрузки: содержащие гидросульфит композиции с гидроксидом магния

Оценку влияния восстановительных реагентов на степень белизны выполняли во влажных условиях при температурной нагрузке, моделирующих условия в рафинере (без механической обработки). Образцы ТММ помещали в дегазированные колбы, закрытые мембранами, и добавляли через шприц химические реагенты, до получения общей концентрации 5%. Сначала добавляли гидроксид магния в качестве разбавляющей суспензии и ДТТК, хорошо перемешивали с волокнистой массой, затем добавляли восстановительные реагенты. После смешивания, образцы выдерживали при 80ºС в течение 1 ч 15 мин в водяной бане, охлаждали, промывали и измеряли рН и вручную изготавливали листы (без регулировки рН) или отбеливали волокнистую массу.

Испытание G. Гидросульфитная обработка гидроксидом магния с последующим отбеливанием перекисью

Образцы получали, как описано в Испытании Е или F, промывали 2 л деионизированной воды, обезвоживали и отбеливали в стандартных условиях (70ºС, 1 ч, 1,5% NaOH, 2% Н₂О₂). Образцы промывали 2 л деионизированной воды и вручную изготавливали листы при подкислении до рН 5.

Испытание Н. Гидросульфитная обработка гидроксидом магния с последующим отбеливанием гидросульфитом

Образцы получали, как описано в Испытании Е или F, промывали 1 л деионизированной воды, обезвоживали и отбеливали в стандартных условиях (70ºС, 1 ч, 1 Na₂S₂O₄). Образцы промывали 2 л деионизированной воды и вручную изготавливали листы.

Результаты испытаний А-Н приведены в следующих таблицах 1-18, где в скобках после номера таблицы указано, какие данные соответствуют каким испытаниям.

Таблица 1 (А) Образец Степень белизны Контрольный образец 52,10 0,5% NaOH 49,66 0,5% NaOH +0,25% NaBH₄ 52,96 0,5% NaOH + 0,1% NaBH₄ 51,71

Таблица 2 (А) Образец Степень белизны Контрольный образец 52,82 0,5% NaOH 49,64 0,5% NaOH + 0,1% NaBH₄ 51,88 0,5% NaOH + 0,1% NaBH₄ + 0,1% ДТТК 52,53 1%(CH₃)₄NOH 50,38 1% (CH₃)₄NOH + 0,1% NaBH4 51,95 0,5% NaOH + 0,25% [(HOCH₂)₄P]₂SO₄ 51,44

Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, демонстрируют, что минимальные количества специализированных химических реагентов могут полностью компенсировать потемнение, обусловленное обработкой волокнистой массы щелочью. Хелатирующий агент заметно увеличивает эффект боргидрида.

Таблица 3 (А) Образец Степень белизны Контрольный образец 52,42 0,75% NaOH 50,02 0,75% NaOH + 0,25% NaBH₄ 52,88 0,75% NaOH + 0,1% NaBH₄ 52,10 0,75% NaOH + 0,1% NaBH₄ + 0,1% ДТТК 53,13 1% NaOH + 0,25% NaBH₄ 51,92

Таблица 4 (А) Образец Степень белизны Контрольный образец 52,30 0,75% NaOH 49,27 0,75% NaOH + 0,23% NaBH₄ 52,5 0,75% NaOH + 0,1% NaBH₄ 51,62 0,75% NaOH + 0,05% NaBH₄ 51,01 0,75% NaOH + 0,05% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 51,47 0,75% NaOH + 0,025% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 50,6

Данные в таблице 3 и 4 демонстрируют, что оптимальная щелочность, которую можно применять, не вызывая потемнение, составляет 0,75%.

Таблица 5 (В) Образец Степень белизны Контрольный образец 55,82 0,75% NaOH 54,08 0,75% NaOH + 0,2% Na₂S₂O₄ 55,02 0,75% NaOH+0,5% Na₂S₂O₄ 55,92 0,75% NaOH + 0,2% Na₂S₂O₄ + 0,05% NaBH₄ 55,98 0,75% NaOH + 0,2% Na₂S₂O₄ + 0,05% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 56,21 0,75% NaOH + 0,2% Na₂S₂O₄ + 0,025% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 55,66

В таблице 5 показано влияние на степень белизны при термической обработке волокнистой массы после отбеливания композиции перекисью.

В таблицах 6-9 показано влияние композиций (опытные образцы, общее содержание твердых частиц 27%) на бумажные изделия.

Таблица 6 I Образец Степень белизны Контрольный образец 61,17 0,75% NaOH 59,78 0,75% NaOH + 0,3% Na₂S₂O₄ + 0,05% ДТТК 62,33 0,75% NaOH + 0,3% Na₂S₂O₄ + 0,025% NaBH₄ + 0,05% ДТТК (I) 63,79 0,75% NaOH + 0,3% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ + 0,05% ДТТК (II) 63,81

Таблица 7 (C) Образец Степень белизны Контрольный образец 61,36 0,75% NaOH 58,90 0,75% NaOH + 0,025% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 63,46 0,75% NaOH+0,3% Na₂S₂O₄ + 0,025% NaBH₄ + 0,05% ДТТК (I) 66,38 0,75% NaOH + 0,3% Na₂S₂O₄ +0,0125% NaBH₄ + 0,05% ДТТК (II) 64,22

Таблица 8 (C) Образец Степень белизны Контрольный образец 60,34 0,75% NaOH 58,57 0,75% NaOH + 0,3% Na₂S₂O₄ + 0,025% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 65,48 0,75% NaOH + 0,3% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ + 0,05% ДТТК 65,74

В таблицах 9 и 10 показано влияние одной из предпочтительных композиций, 19% NaOH, 0,316% NaBH₄, 0,48% ДТТК, 6,32% Na₂S₂O₄ (26,1-27,2% твердых веществ, в зависимости от примесей в твердом гидросульфите). Затем композицию разбавляли в суспензии бумажной массы, так что содержание NaOH уменьшалось до 0,75% относительно высушенной до постоянного веса волокнистой массы.

Таблица 9 (В) Образец Степень белизны Контрольный образец 49,71 0,75% NaOH 48,62 Опытный образец (первое испытание) 50,57 Опытный образец (второе испытание) 49,83 Опытный образец (третье испытание) 50,01

Таблица 10 (В) Образец Степень белизны Контрольный образец 49,40 0,75% NaOH 46,68 Опытный образец (первое испытание) 49,45 Опытный образец (второе испытание) 50,15 Опытный образец (третье испытание) 50,06

В таблице 11 показано влияние применения гидроксида магния в качестве щелочи. Гидроксид магния менее дорогостоящий, чем другие щелочи. Композиции, содержащие гидроксид магния, требуют меньше энергии для получения волокнистой массы. При замене гидроксида натрия на гидроксид магния коэффициент замены составляет 0,75% гидроксид натрия относительно 0,5% гидроксида магния.

Таблица 11 (F, G) Образец Степень белизны, неотбеленный Степень белизны, отбеленный Контрольный образец 49,09 55,18 0,5% Mg(OH)₂ 49,05 60,49 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК 49,67 60,86 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ 52,28 61,99 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 54,44 62,42 0,25% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 53,56 62,54 0,25% Mg(OH)₂ 49,91 61,15 0,05% ДТТК 50,45 56,58

Таблица 12 (F, G) Образец Степень белизны, отбеленный Контрольный образец 55,41 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ 62,11 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ 61,07 0,5% Mg(OH)2 + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 61,34 0,125% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ 61,90 0,125% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 62,03 0,125%Mg(OH)₂ 61,17

Таблица 13 (E, G)   Степень белизны, неотбеленный Степень белизны, отбеленный Контрольный образец 49,67 54,17 0,5% Mg(OH)₂ 46,92 57,72 0,5% Mg(OH)2 + 0,05% ДТТК 46,50 59,35 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ 49,68 59,85 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 50,27 60,05 0,25% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 52,76 61,48 0,25% Mg(OH)₂ 48,03 59,17 0,05% ДТТК 49,46 56,21

Таблица 14 (E, G)   Степень белизны, неотбеленный Степень белизны, отбеленный Контрольный образец 48,58 54,4 0,5% Mg(OH)₂ 46,95 58,95 0,75% NaOH 47,59 48,55 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 51,55 60,74 0,25% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 54,33 61,77 Опытный образец на основе NaOH, см. выше (0,75% NaOH) 50,41 53,17 Опытный образец на основе NaOH, см. выше (0,75% NaOH) 50,59 53,36 Контрольный образец, отбеливание с помощью 0,05% MgSO₄   54,61 Контрольный образец, отбеливание с помощью 0,05% MgSO₄ + 0,05% ДТТК*   55,42

Данные в таблицах 11-14 демонстрируют, почему применение гидроксида магния является предпочтительным. Отсутствует связанное с магнием потемнение при умеренных условиях (75ºС, без отбеливания), тогда как при жестких условиях (150ºС, без отбеливания), лучше моделирующих процесс размола, происходит обусловленное магнием потемнение. Однако в обоих случаях после отбеливания имеет место значительное улучшение белизны, вызванное магнием. Восстановительные реагенты также значительно улучшают белизну после размола: основной эффект - от гидросульфита, меньший - от дополнительного количества боргидрида. Восстановительная предварительная обработка волокнистой массы с применением магния ясно показывает эффективность при размоле. Этот эффект является новым и, как показано в таблицах 14-16 (альтернативные волокнистые массы применяли в 15 и 16), не может быть достигнут за счет просто присутствия ионов магния в суспензии для получения волокнистой массы. Необходима предварительная обработка, и эта стадия выполняется автоматически, когда предложенный химический состав присутствует на стадии механического получения волокнистой массы.

Таблица 15 (G) Химический состав Применение Степень белизны Контрольный образец   56,40 0,05% MgSO₄ + 0,125% ЦТТК В щелочном растворе 57,47 0,125% MgSO₄ Смешанный с волокнистой массой перед отбеливанием 57,95 0,25% MgSO₄ Смешанный с волокнистой массой перед отбеливанием 58,17 0,125% Mg(OH)₂ Смешанный с волокнистой массой перед отбеливанием 58,60 0,25% Mg(OH)₂ Смешанный с волокнистой массой перед отбеливанием 58,84 0,125% Mg(OH)₂ Смешанный с волокнистой массой, выдержанный при 50ºС в течение 30 мин перед отбеливанием 60,18 0,25% Mg(OH)₂ Смешанный с волокнистой массой, выдержанный при 50ºС в течение 30 мин перед отбеливанием 60,36 0,125% Mg(OH)₂ Смешанный с волокнистой массой, выдержанный при 70ºС в течение 60 мин перед отбеливанием 60,23 0,25% Mg(OH)₂ Смешанный с волокнистой массой, выдержанный при 70ºС в течение 60 мин перед отбеливанием 60,07

Таблица 16 (F,G)   Степень белизны, отбеленный Контрольный образец 59,50 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ 66,93 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ 66,12 0,125% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ 66,42 0,125% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 67,14

Положительное влияние специализированных химических реагентов также наблюдается при последующем отбеливании гидросульфитом, как показано в таблицах 17 (мягкие условия, полная компенсация) и 18 (жесткие условия, лучше моделирующие процесс размола, значительный рост степени белизны).

Таблица 17 (F, H) Образец Степень белизны Контрольный образец 59,22 0.5% Mg(OH)₂ 57,79 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ +0,0125% NaBH₄ 59,68 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ 58,43

Таблица 18 (Е, Н) Образец Степень белизны Контрольный образец 51,42 0,5% Mg(OH)₂ 51,97 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК 52,46 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ 56,03 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,25% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 55,43 0,5% Mg(OH)₂ + 0,05% ДТТК + 0,125% Na₂S₂O₄ + 0,0125% NaBH₄ 53,67

В композицию, технологические операции и компоновку предложенного способа согласно изобретению, описанному в настоящей заявке, можно внести изменения, не выходя за рамки концепции и объема изобретения, определяемого формулой изобретения. Несмотря на то, что настоящее изобретение можно реализовать во многих других формах, в настоящей заявке приведены подробно описанные конкретные предпочтительные варианты реализации изобретения. Настоящее описание представляет собой иллюстрацию принципов изобретения и не предполагает ограничения изобретения конкретными проиллюстрированными вариантами реализации. Более того, изобретение включает любые возможные комбинации некоторых или всех разнообразных вариантов реализации изобретения, описанных в настоящей заявке. Все патенты, заявки на патент и другие материалы, упомянутые в любом месте настоящей заявки или в любом приведенном патенте, заявке на патент или другом материале тем самым включены в настоящий документ посредством ссылки в полном объеме.

Подразумевают, что вышеуказанное описание является иллюстративным и не исчерпывающим. В настоящем описании обычному специалисту в данной области будет предложено много вариантов и альтернатив. Подразумевают, что все эти альтернативы и варианты находятся в рамках формулы изобретения, в которой термин "включающий" означает "в том числе, но не ограничиваясь этим". Специалисты, знакомые с данной областью техники, могут распознать другие эквиваленты конкретных вариантов реализации изобретения, описанных в настоящей заявке, при этом такие эквиваленты также находятся в рамках пунктов формулы изобретения.

На этом описание предпочтительных и альтернативных вариантов реализации изобретения завершено. Специалисты в данной области техники могут распознать другие эквиваленты конкретному варианту реализации изобретения, описанному в настоящей заявке, при этом подразумевается, что такие эквиваленты также находятся в рамках пунктов формулы изобретения.

Согласно изобретению предложены композиция и способ, которые улучшают процесс механического получения волокнистой массы из исходных материалов. Композиция вводится в процесс получения бумаги не позднее завершения стадии механического получения волокнистой массы из древесной щепы. Композиция содержит: основание, выбранное из гидроксида магния или гидроксида магния в комбинации с гидроксидом натрия, восстановительный реагент, выбранный из группы, включающей водоростворимые гидросульфиты, дитиониты, сульфиты, бисульфиты, метабисульфиты, борогидриды и их любую комбинацию, и хелатообразующий агент, представляющий собой соль аминокарбоновой кислоты. Способ усовершенствования процесса механического получения волокнистой массы включает добавление композиции к целлюлозному сырью до завершения процесса механического получения волокнистой массы с последующим отбеливанием указанной волокнистой массы с помощью пероксида водорода или гидросульфита натрия. Обеспечивается снижение энергозатрат, повышение эффективности следующих далее процессов отбеливания. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 18 табл.

1. Композиция, улучшающая процесс механического получения бумаги, включающий стадию отбеливания с помощью гидросульфита или перекиси, для введения в процесс получения бумаги не позднее завершения стадии механического получения волокнистой массы из древесной щепы, содержащая:
основание, выбранное из гидроксида магния или гидроксида магния в комбинации с гидроксидом натрия,
восстановительный реагент, выбранный из группы, включающей водоростворимые гидросульфиты, дитиониты, сульфиты, бисульфиты, метабисульфиты, борогидриды и их любую комбинацию, и
хелатообразующий агент, представляющий собой соль аминокарбоновой кислоты..

2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что хелатообразующий агент представляет собой агент, хелатирующий ионы переходных металлов, выбранный из перечня, состоящего из: солей диэтилентриаминпентауксусной кислоты (ДТПА), солей этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), солей диэтилентриаминпента(метиленфосфоновой) кислоты (ДТМФК) и любой их комбинации.

3. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что указанная композиция представляет собой водный раствор или суспензию, подходящую для нанесения одним из способов, выбранным из следующего перечня: распыление на древесную щепу, вымачивание древесной щепы, промывка древесной щепы, добавление в рафинер и любая их комбинация.

4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что указанная композиция содержит 15-50% NaOH и 5-20% NaBH₄.

5. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что указанное основание представляет собой только гидроксид магния при дозировке от 0,05 до 0,5%.

6. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что единственный восстановительный реагент в композиции выбран из перечня, состоящего из боргидрида натрия и гидросульфита натрия.

7. Композиция, улучшающая процесс механического получения бумаги, включающий стадию отбеливания с помощью гидросульфита или перекиси, для введения в процесс получения бумаги перед стадией размола или во время нее, содержащая:
гидроксид магния и
хелатообразующий агент, выбранный из группы, включающей соли ДТПА и соли ЭДТА.

8. Способ усовершенствования процесса механического получения волокнистой массы, включающий:
добавление композиции по любому из п.п.1-7 к целлюлозному сырью до завершения процесса механического получения волокнистой массы, с последующим отбеливанием указанной волокнистой массы с помощью пероксида водорода или гидросульфита натрия.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что композиция представляет собой водный раствор или суспензию, подходящую для добавления согласно одному из способов, выбранному из: распыления на древесную щепу, вымачивания древесной щепы, промывки древесной щепы, добавления в рафинер и любой их комбинации.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что композиция представляет собой синергитическую смесь гидроксида магния, гидросульфита натрия и, возможно, боргидрида натрия, гидроксида натрия, и хелатирующего агента.

11. Способ по п.8, дополнительно включающий стадию комбинирования гидроксида магния с гидросульфитом натрия в рафинере с обеспечением получения механической волокнистой массы с большей белизной после последующего отбеливания перекисью водорода или гидросульфитом.