ХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ВАРКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Российский патент 2018 года по МПК D21C3/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к значительному усовершенствованию биомассы, которая может широко использоваться для варки целлюлозы и в бумажном производстве, к ее применению и новым материалам.

Уровень техники

В настоящее время целлюлоза широко применяется во множестве областей, наиболее важной из которых является бумажное производство. Бумага необходима для нужд производства и повседневной жизни. Китай занимает первое место в мире по объему производства бумаги, который в 2012 году превысил 100 миллионов тонн, что составляет 23,5% мирового объема. Варка целлюлозы и бумажное производство является одной из важнейших отраслей национальной экономики Китая, которая наряду с производством новых материалов имеет огромный потенциал развития в условиях прогресса человеческого общества.

В настоящее время множество мелких предприятий, занимающихся варкой целлюлозы и бумажным производством, вынуждены закрываться из-за высокого потребления энергии и выброса не соответствующих нормативам отходов. С годами число целлюлозных заводов в Китае сокращается, а их доходность снижается в силу множества сдерживающих факторов, включая требования охраны окружающей среды, поставки сырья и высокую стоимость. Их годовая производительность составляет менее 30 миллионов тонн, а основным видом производимой целлюлозы является древесная целлюлоза. Кроме того, объем импорта первичной целлюлозы и производства вторичной целлюлозы превышает 60 миллионов тонн. Помимо этого варка целлюлозы и бумажное производство занимают первое место в Китае по объему органических сточных вод, который составляет 30% общего объема промышленных сточных вод.

Варка целлюлозы является производственным процессом переработки волокна из растительного сырья в целлюлозу химическим, механическим или биологическим способом или с использованием их сочетаний. В зависимости от технологий варки и очистки может производиться целлюлоза, полуцеллюлоза, целлюлозная древесная масса, древесная масса и биоцеллюлоза с различными показателями выхода, характеристиками и качеством.

Способ извлечения волокна, который широко применяется в наше время в бумажном производстве, обычно предусматривает варку целлюлозы в едком натре или сульфатную варку целлюлозы. Щелочь является наиболее распространенным химическим сырьем при варке целлюлозы и полуцеллюлозы. Являясь главным компонентом раствора для варки древесного (или недревесного) сырья, щелочь играет ключевую роль в удалении лигнина и извлечения главного материала бумажного производства, т.е. волокна из клеток растительного сырья. Для обеспечения качества и выхода идеального продукта, получаемого из растительного сырья, доля едкого натра и сульфида натрия при традиционном способе варки обычно составляет около 25% сырья. В частности, при распространенной в настоящее время сульфатной варке целлюлозы не только расходуется большое количество щелочи, но также используется значительное количество добавок, таких как сульфид, антрахинон и т.п., что сопряжено с множеством недостатков, таких как низкий выход и качество целлюлозного волокна, серьезные проблемы "отходов трех типов", сложная последующая обработка, большие капиталовложения, высокие издержки и высокий расход энергии. Для получения 1 тонны целлюлозного волокна требуется 2-3 тонны (в пересчете на 100% степень чистоты) растительного сырья и 0,67-0,9 тонны (в пересчете на 100% степень чистоты) щелочи. Используемая в больших количествах щелочь повреждает волокно и лигнин, а высокий расход сырья не только повышает издержки при варке целлюлозы, но также приводит к потере ресурсов и затрудняет очистку и повторное использование черного щелока. Значительное количество содержащихся в черном щелоке полезных веществ, таких как лигнин, растворимая целлюлоза и гемицеллюлоза, не используется полностью, и сжигается, или незаконно выбрасывается в окружающую среду. В наше время сжигание считается эффективным решением проблемы загрязнения черного щелока в бумажном производстве. На существующих крупных целлюлозных заводах возвращают в повторный цикл и повторно используют щелочи путем концентрирования, сжигания и каустификации, что частично решает проблему загрязнения черного щелока, но при этом расходуется большое количество биомассы и возникают такие проблемы, как большие капиталовложения в оборудование, высокие издержки, высокий расход энергии, образование большого количества газообразных отходов, содержащих двуокись углерода, окиси азота, двуокись серы, диоксин и другие газообразные отходы, промывной сточной воды с высоким содержанием лигнина, растворенной целлюлозы, гемицеллюлозы, белка и т.п., и отходов с высоким содержанием каустификационного шлама, в котором преобладает карбонат кальция, такой как остатки едкого натра, сульфида натрия, алюминосиликат, что приводит к серьезному вторичному загрязнению. Черный щелок с высоким содержанием силиката, такой как черный щелок из соломы, отрицательно влияет на эффективность процесса, поскольку он легко скапливается и образует накипь. Кроме того, всей системе концентрирования и сжигания черного щелока присущи такие недостатки, как большие капиталовложения (составляющие более половины общих капиталовложений), высокие издержки и высокое потребление энергии. В настоящее время количество лигнина, получаемого при щелочной варке целлюлозы в Китае, составляет около 20 миллионов тонн в год, при этом он почти весь сжигается или выбрасывается, и лишь часть его используется в виде тепловой энергии.

Древесная масса, получаемая в основном путем механического измельчения, имеет более высокое содержание лигнина и других компонентов клеток. Преимуществом такой технологи является простота производственного процесса, низкие издержки, высокий выход, незначительное загрязнение, высокая пригодность для печатания, высокая гладкость, высокая непроницаемость готовой бумаги и т.д., но ее недостатками являются значительный излом волокна при измельчении, низкое соотношение геометрических размеров, сложный состав целлюлозы, низкая эффективность образования волокон и плохие свойства готовой бумаги. Древесную массу получают в основном путем механического измельчения, которое применимо лишь при использовании древесины в качестве сырья. Соответственно, недостатками такого способа являются высокое потребление энергии (более 1000 киловатт-час электроэнергии на тонну целлюлозы), единственный источник сырья, которым является древесина, высокая стоимость, непроизводительный расход высококачественной древесины и т.д., а также большие капиталовложения в оборудование, частые простои вследствие технического обслуживания и высокая стоимость ремонта.

Целлюлозную древесную массу получают путем отделения волокнистого сырья химическим, тепловым или механическим способом или с использованием их сочетаний. Вследствие делигнификации с помощью химических веществ, таких как щелочи, разделение на волокна происходит в основном в межклеточном слое, и целлюлозная древесная масса имеет высокое содержание длинного волокна и низкое содержание тонкого волокна, высокое содержание лигнина и высокий коэффициент оптического рассеяния. Целлюлозная древесная масса в качестве добавки к целлюлозе обладает определенным потенциалом применения при варке целлюлозы в контексте эффективной утилизации отходов переработки древесины.

Одной из разновидностей чистой варки целлюлозы является биоварка. Тем не менее с учетом высоких требований к культивации и отбору биологических штаммов и условиям варки целлюлозы существует множество проблем, таких как значительные колебания характеристик продукции, слабая проницаемость, неравномерность обработки материалов, большая продолжительность обработки, низкое качество и низкая экономическая эффективность производства. Несмотря на более чем 10-летние исследования в Китае существует всего несколько предприятий, производящих низкокачественную целлюлозы из соломенной массы, при этом экономия в пересчете на стоимость переработки тонны сырья составляет всего несколько сот юаней. Соответственно, этот способ по-прежнему требует дальнейшего усовершенствования.

В результате многолетней исследовательской работы авторы изобретения создали секционированную экологически чистую технологию, которая позволяет эффективно извлекать волокно из волокнистого сырья с высоким выходом, и комплексную технологию, которая позволяет непосредственно использовать или извлекать лигнин и получать органическое калийное удобрение из черного щелка. Эти технологии являются прорывом, позволяющим преодолеть основные технические недостатки экологически чистой технологии и обеспечить полное усовершенствование производственного процесса. В то же время, также усовершенствована варка целлюлозы в известном из техники способе путем непосредственного использования извести.

В настоящем изобретении предложен химический способ варки целлюлозы на описанной выше основе. В этом способе использованы технические характеристики известной технологии бумажного производства, являющегося одним из четырех величайших изобретений древнего Китая, и объединены результаты ранее проведенных авторами изобретения исследований щелочной варки целлюлозы. Такой способ не только значительно повышает эффективность варки целлюлозы, но также обеспечивает ее выход, приблизительно равный выходу древесной массы, и при этом сводит к минимуму излом волокна, а также сохраняет прочность волокна.

Подробное описание изобретения

В результате длительных экспериментов авторы изобретения обнаружили реакцию, в результате которой из сульфата и иона кальция образуется осажденный сульфат кальция с низкой растворимостью. В результате добавления извести в водный фильтрат, полученный путем отфильтровывания нерастворимых веществ от волокнистой суспензии, или в предыдущую партию фильтрата, полученного путем очистки сульфатом алюминия, и затем отфильтровывания нерастворимых веществ, может быть осажден сульфат натрия или сульфат калия, растворенный в фильтрате в виде сульфата кальция, и получена гидроокись натрия или гидроокись калия. При этом концентрация свободного гидроксильного радикала является в 3,5 раза более высокой, чем при добавлении только гидроокиси кальция. Путем нагрева щелочи можно способствовать ее распространению и постоянному расходу, в процессе чего сульфатный радикал непрерывно осаждает ионы кальция. Осаждение ионов кальция может эффективно способствовать непрерывному растворению гидроокиси кальция и высвобождению гидроксильного радикала. Гидроксильные радикалы быстро распространяются и нейтрализуются кислыми веществами, такими как лигнин, что способствует сдвигу равновесия и дополнительно обеспечивает замену сильных щелочей слабыми щелочами, т.е. замену NaOH или KOH дешевой известью и эффективное получение высококачественной целлюлозы без черного щелока за счет повторного использования раствора для варки целлюлозы. Как показывает эксперимент, не только значительно сокращается время вымачивания и варки по сравнению с варкой целлюлозы с использованием только гидроокиси кальция, но также значительно увеличивается выход и повышается качество волокна. Полученное таким способом волокно обладает свойствами, сходными со свойствами волокна, полученного известными способами щелочной и сульфатной варки, что доказывает применимость чистого способа варки целлюлозы с использованием сочетания извести и сульфата вместо щелочей.

В результате дальнейших исследований было обнаружено, что в упомянутый черный щелок для варки целлюлозы или смесь черного щелока и волокна, полученного по завершении варки существующими способами сульфатной и щелочной варки целлюлозы, может добавляться сульфат алюминия с целью дальнейшего использования содержащихся в черном щелоке полезных ингредиентов, таких как лигнин. После размола и очистки сваренной целлюлозы полезные ингредиенты, такие как лигнин, могут равномерно адсорбироваться на поверхности волокна, в результате чего образуется целлюлозное волокно. При этом может не только обеспечиваться выход, близкий к выходу древесной массы, но также поддерживаться качество и прочность целлюлозы, и при этом могут не только повторно использоваться содержащиеся в черном щелоке полезные ингредиенты, но также может предотвращаться загрязнение черного щелока.

Сульфат алюминия как таковой является неорганической добавкой, используемой в бумажном производстве в сочетании с AKD или канифолью, и способен значительно улучшать водонепроницаемость бумажной продукции, поскольку сульфат алюминия повышает не только гидрофобность бумаги, но также ее плотность и прочность. Сульфат алюминия и черный щелок с pH 9-10 могут легко образовывать хлопья полимеров, при этом содержащийся в черном щелоке лигнин осаждается в виде алюминиевой соли лигнина. Ионы алюминия в ней могут действовать как "треугольная заклепка" и образовывать ячеистую структуру с растительными ингредиентами, такими как лигнин, в результате чего повышается прочность бумажной продукции, которая усиливается за счет гидрофобности лигнина.

В результате флокуляции сульфата алюминия большая часть органических соединений может адсорбироваться на поверхности волокна, в результате чего единая скорость снижения ХПК черного щелока достигает более 60%, при этом в растворе сохраняются растворимый сульфат и другие остатки. Композиционная щелочь согласно настоящему изобретению означает смесь, содержащую известь и/или карбидный шлак и сульфат или содержащий сульфат раствор; сульфатом предпочтительно является водорастворимый сульфат натрия и/или сульфат калия. При этом содержащим сульфат раствором предпочтительно является содержащий сульфат фильтрат, полученный путем осаждения органических макромолекул черного щелока посредством сульфата алюминия и затем отфильтровывания нерастворимых веществ.

Путем экспериментов было обнаружено, что органические соединения, такие как лигнин, которые абсорбируются на поверхности волокна за счет, например, образования мостиковых связей, комплексообразования и флокуляции сульфата алюминия, не только повышают гидрофобность и усиливают взаимную адгезию волокна, обеспечивая эффективное совместное осаждение образующегося сульфата кальция и волокна с образованием органо-неорганического композиционного материала с хорошими характеристиками, но также обеспечивают повторное использование черного щелока, образующегося при варке целлюлозы, и позволяют получать целлюлозное волокно в больших количествах, с низкими затратами и без образования черного щелока. Настоящее изобретение может широко применяться в бумажном производстве, волокнистых композиционных материалах, удобрениях с регулируемым высвобождением, антипиренах и других новых материалах.

Согласно одной из особенностей изобретения предложен способ варки целлюлозы, включающий:

1) варку растительного сырья с использованием композиционной щелочи, содержащей сульфат и известь и/или карбидный шлак, с целью получения целлюлозного волокна, содержащего волокна и черный щелок,

2) необязательно по завершении варки и/или во время варки целлюлозы добавление сульфата алюминия с целью формирования хлопьев органических макромолекул черного щелока и их осаждения и адсорбции на волокнах, а затем отделения, и/или

3) необязательно добавление растительного сырья и щелочи, используемых в существующей технологии щелочной варки, или других слабых щелочей, таких как известь и/или карбидный шлак и т.п., в содержащий сульфат фильтрат, полученный путем отфильтровывания нерастворимых веществ целлюлозы, с целью получения целлюлозного волокна,

при этом стадии 2) и 3) являются необязательными.

В одном из вариантов осуществления способ варки целлюлозы согласно настоящему изобретению включает стадию 1).

В другом варианте осуществления способ варки целлюлозы согласно настоящему изобретению включает стадии 1) и 2) или стадии 1) и 3).

В одном из дополнительных вариантов осуществления способ варки целлюлозы согласно настоящему изобретению включает стадии 1), 2) и 3).

Согласно другой особенности изобретения предложен способ варки целлюлозы, включающий:

1) варку растительного сырья с использованием существующей технологии щелочной или сульфатной варки с целью получения целлюлозного волокна, содержащего волокна и черный щелок, и

2) по завершении варки и/или во время варки целлюлозы добавление сульфата алюминия с целью формирования хлопьев органических макромолекул черного щелока и их осаждения и адсорбции на волокнах, а затем отделения, и/или

3) необязательно добавление растительного сырья, сульфата и щелочи, используемых в существующей технологии щелочной варки, или композиционной щелочи, содержащей сульфат и известь и/или карбидный шлак, в фильтрат, полученный путем отфильтровывания нерастворимых веществ целлюлозы, с целью получения целлюлозного волокна.

В одном из вариантов осуществления способ варки целлюлозы согласно настоящему изобретению включает стадии 1) и 2) или стадии 1) и 3).

В другом варианте осуществления способ варки целлюлозы согласно настоящему изобретению включает стадии 1), 2) и 3).

В одном из вариантов осуществления способ варки целлюлозы согласно настоящему изобретению включает следующие стадии:

1) варку волокнистого растительного сырья с использованием композиционной щелочи, содержащей сульфат и известь и/или карбидный шлак, или с использованием существующей технологии щелочной или сульфатной варки,

при этом общий вес добавляемой композиционной щелочи предпочтительно составляет более 2% в зависимости от различных требований к качеству,

варка целлюлозы с использованием композиционной щелочи включает вымачивание растительного сырья и композиционной щелочи в течение 1-100 часов при комнатной температуре или в условиях нагрева, и затем варку полученного продукта в течение 1-10 часов при температуре 100-165°C, предпочтительно в течение 1-12 часов при температуре 80-130°C, и затем его варку в течение 1-4 часов при температуре 120-165°C,

2) по завершении варки и/или во время варки целлюлозы добавление сульфата алюминия в полученную смесь волокон и черного щелока с целью формирования хлопьев органических макромолекул черного щелока и их осаждения и адсорбции на волокнах,

3) фильтрацию и отделение упомянутой смеси целлюлозы и черного щелока с целью получения композиционного целлюлозного волокна без осаждения или растворения органического вещества в воде, остающейся в фильтрате,

4) восстановление щелочи путем добавления слабых щелочей, таких как известь или карбидкальциевый шлак и т.п. в упомянутый фильтрат или водный раствор сульфата, т.е. получение композиционной щелочи и ее варку, и по завершении варки добавление сульфата алюминия с целью отделения волокон и большей части твердых частиц лигнина и использование конечного фильтрата для варки следующей партии материалов. Фильтрат предпочтительно повторно используют до тех пор, пока его использование не становится невозможным, или не используют повторно, т.е. фильтрат не осаждают с использованием сульфата алюминия и используют среди прочего в качестве биологического источника питательных веществ.

Растительным сырьем в настоящем изобретении является древесина, бамбук, стебли растений, такие как стебли сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, рис, кукурузу, сою, сорго или хлопок, китайский альпийский камыш, багасса, тростник или скорлупа кокосовых орехов.

Щелочью, используемой в существующем способе щелочной варки, упомянутом в изобретении, может являться одна или несколько щелочей, выбранных из группы, включающей водные растворы гидроокиси натрия, гидроокись калия, известь и карбидный шлак.

Сульфат алюминия может добавляться по завершении варки или во время распыления, смешивания, сдвига или рафинирования до отделения готового продукта.

Сульфат алюминия может добавляться путем добавления раствора сульфата алюминия или путем непосредственного добавления твердого сульфата алюминия.

Сульфат алюминия добавляют в количестве 0,5-50% по весу волокна, предпочтительно в таком количестве, чтобы pH раствора не превышал 7.

Сульфат алюминия может добавляться при температуре в интервале от нормальной температуры до 100°C.

При повторном использовании фильтрата слабыми щелочами, добавляемыми в фильтрат, могут являться такие химические вещества, как известь и/или карбидный шлак и т.п., которые вызывают осаждение после вступления в реакцию с сульфатными радикалами, при этом добавляемое количество извести и/или карбидного шлака в пересчете на гидроокись кальция составляет более 2%, предпочтительно 5-15% по весу абсолютно сухого растительного сырья (т.е. после удаления из него воды).

При повторном использовании фильтрата сульфат может пополняться в зависимости от содержания сульфатных радикалов в фильтрате, чтобы обеспечить получение образующейся при реакции щелочи, в количестве, требуемом для варки.

Способ согласно настоящему изобретению имеет следующие преимущества.

1. За счет осаждения сульфата алюминия способ позволяет возвращать в повторный цикл лигнин, гемицеллюлозу и растворимые волокна, содержащиеся в черном щелоке, который непосредственно абсорбируется на волокне как часть взвеси, и тем самым обеспечивается выход, близкий к выходу древесной массы, а также качество целлюлозного волокна и прочность бумаги. Способ не только обеспечивает качество волокна, но также повышает его выход, который составляет до 86,5% или более.

2. В способе используется два химических равновесия, т.е. используется сульфат и слабые щелочи для получения сильных щелочей, необходимых для варки, и используется дешевая известь для замены дорогих NaOH и KOH.

3. При варке целлюлозы способом согласно настоящему изобретению может достигаться циркуляция воды и нулевой выброс сточных вод, при этом способ является простым в осуществлении.

Настоящее изобретение дополнительно проиллюстрировано на следующих примерах, не ограничивающих его объем.

Примеры

Пример 1

Сравнительный эксперимент

Добавили в варочный аппарат 431 г бамбука с содержанием влаги 42% по весу, 25 г NaOH и 895 г воды. После вымачивания при 105°C в течение 90 мин нагрели смесь до 125°C и подвергли варке в течение 150 мин при этой температуре. По завершении варки разделили полученную смесь на твердую и жидкую фазы, после чего размололи и просеяли сваренный бамбук и изготовили из него бумагу, при этом выход целлюлозы составил 69,5% при степени помола в условных градусах Шоппер-Риглера (ШР°) 40, а изготовленная бумага имела базовый вес 80 г, белизну 22,7, показатель сопротивления продавливанию 3,26 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 51, показатель прочности на растяжение 28,3 Н⋅м/г, показатель прочности на разрыв 17,2 мН⋅м²/г, ХПК черного щелока 83900, содержание сухого вещества 8,5% по весу и pH 10,46.

Пример 2

Эксперимент с очисткой черного щелока сульфатом алюминия

Добавили в варочный аппарат 431 г бамбука с содержанием влаги 42% по весу, 25 г NaOH и 495 г воды. После вымачивания при 105°C в течение 90 мин нагрели смесь до 125°C и подвергли варке в течение 150 мин при этой температуре. По завершении варки добавили полученную смесь в молотилку с целью размола, во время которого добавили в нее 14 кг воды и 8,8 г сульфата алюминия с целью формирования хлопьев и адсорбции. Затем профильтровали полученную смесь и получили целлюлозу с абсорбированными ей органическими веществами, такими как лигнин, при этом выход целлюлозы составил 74,7% при ШР° 40, а изготовленная бумага имела базовый вес 80 г, белизну 21,8, показатель сопротивления продавливанию 3,60 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 55, показатель прочности на растяжение 29,2 Н⋅м/г, показатель прочности на разрыв 19,0 мН⋅м²/г, ХПК черного щелока 72300, содержание сухого вещества 7,8% по весу и pH 7,20.

Пример 3

Эксперимент с повторным использованием фильтрата и варкой в композиционной щелочи

Добавили в 250 г бамбука (в пересчете на 100% степень чистоты) 975 г фильтрата (с ХПК 2750), полученного путем разбавления черного щелока, который был очищен сульфатом алюминия, 25,0 г гидроокиси кальция и 44,8 г дополнительного сульфата натрия, при этом сульфатные радикалы имели такой же молярный вес, как ионы кальция, а концентрация гидроксильных радикалов в растворе с pH 13,32 в 3,2 раза превышала их концентрацию в насыщенной гидроокиси кальция с pH 12,82. Затем вымачивали полученную смесь при 95°C в течение 12 часов, и продули после варки при 165°C в течение 3,5 часов. Подвергли полученное волокно размолу, и изготовили бумагу, при этом выход целлюлозы составил 83,5% при степени размола ШР° 40, а изготовленная бумага имела базовый вес 80 г, число каппа 163, белизну 20,6, показатель сопротивления продавливанию 2,45 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 64, показатель прочности на растяжение 29,0 Н⋅м/г, показатель прочности на разрыв 14,2 мН⋅м²/г, ХПК черного щелока 60100 и pH 9,94.

Пример 4

Эксперимент с рециркуляцией варочного раствора, содержащего композиционную щелочь

Добавили в 250 г бамбука (в пересчете на 100% степень чистоты) 933 г фильтрата (с ХПК 25200), полученного путем добавления 26,6 г сульфата алюминия в упомянутый черный щелок, который был очищен гидроокисью кальция, и 25,0 г гидроокиси кальция. Затем вымачивали полученную смесь при 95°C в течение 12 часов и продули после варки при 165°C в течение 3,5 часов. Подвергли полученное волокно размолу и изготовили бумагу, при этом выход целлюлозы составил 85,0% при степени размола ШР° 40, а изготовленная бумага имела базовый вес 80 г, число каппа 164, белизну 19,6, показатель сопротивления продавливанию 2,39 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 54, показатель прочности на растяжение 26,9 Н⋅м/г, показатель прочности на разрыв 15,1 мН⋅м²/г, ХПК черного щелока 80400 и pH 9,82.

Пример 5

Эксперимент с композиционной щелочью

Добавили в 250 г бамбука (в пересчете на 100% степень чистоты) 1033 г воды, 25,0 г гидроокиси кальция и 47,9 г сульфата натрия. Затем вымачивали полученную смесь при 95°C в течение 12 часов и продули после варки при 165°C в течение 3,5 часов. Подвергли полученное волокно размолу и изготовили бумагу, при этом выход целлюлозы составил 84,4% при степени размола ШР° 40, а изготовленная бумага имела базовый вес 80 г, число каппа 159, белизну 19,9, показатель сопротивления продавливанию 2,41 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 50, показатель прочности на растяжение 27,3 Н⋅м/г, показатель прочности на разрыв 16,2 мН⋅м²/г, ХПК черного щелока 63500 и pH 10,05.

Пример 6

Эксперимент с осаждением древесного черного щелока, очищенного сильной щелочью

Вымачивали 500 г древесины сосны (в пересчете на 100% степень чистоты) в растворе NaOH (из 100 г NaOH и 2000 мл воды) при 60°C в течение 12 часов. После варки целлюлозы при 165°C в течение 3,5 часов подвергли ее размолу. Добавили в молотилку 38,5 г сульфата алюминия с целью формирования хлопьев и адсорбции. Затем промыли и профильтровали полученную смесь, при этом выход волокна составил 75,6%. После разложения полученной таким способом целлюлозы с помощью стандартного диссоциатора волокна изготовили бумагу, которая имела базовый вес 80 г, белизну 23,0, показатель сопротивления продавливанию 2,9 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 56, показатель прочности на растяжение 45,8 Н⋅м/г и показатель прочности на разрыв 15,2 мН⋅м²/г.

Пример 7

1-й производственный сравнительный эксперимент

Добавили 5,8 тонн бамбука (в пересчете на 100% степень чистоты), 24 мешка NaOH (600 кг в пересчете на 100% степень чистоты) и 10 м воды в ротационный сферический варочный котел объемом 25 м³. Затем нагрели смесь до 105°C и выдерживали при этой температуре в течение 1,5 часов, а затем нагрели до 125°C и выдерживали еще в течение 2,5 часов. Продули полученную целлюлозу воздухом, при этом выход целлюлозы составил 67%, ХПК черного щелока 112800 частей на миллион, содержание сухого вещества 11,7% по весу, pH 10,37. Затем размололи и промыли продутую целлюлозу при ШР° 40. После разложения полученной таким способом целлюлозы с помощью стандартного диссоциатора волокна изготовили бумагу, имевшую базовый вес 80 г, белизну 22,8, показатель сопротивления продавливанию 3,15 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 46, показатель прочности на растяжение 32,3 Н⋅м/г и показатель прочности на разрыв 16,8 мН⋅м²/г.

Пример 8

2-й производственный эксперимент с добавлением сульфата алюминия

В соответствии с условиями сравнительного эксперимента добавили 5,8 тонн бамбука (в пересчете на 100% степень чистоты), 24 мешка NaOH (600 кг в пересчете на 100% степень чистоты) и 10 м³ воды в ротационный сферический варочный котел объемом 25 м³. Затем нагрели смесь до 105°C и выдерживали в течение 1,5 часов, а затем нагрели до 165°C и выдерживали еще в течение 3,5 часов. Добавили 0,78 тонны раствора сульфата алюминия с концентрацией 40% в ротационный сферический варочный котел с целью формирования хлопьев и адсорбции, после чего продули и перемешали целлюлозу, и получили 8 м³ черного щелока с ХПК 83300 частей на миллион, при этом выход целлюлозы составил 73,9%, содержание сухого вещества 8,28% по весу, pH 7,26 и содержание 1,60%. Затем размололи и промыли продутую целлюлозу при ШР° 40. После разложения полученной таким способом целлюлозы с помощью стандартного диссоциатора волокна изготовили бумагу, имевшую базовый вес 80 г, белизну 22,3, показатель сопротивления продавливанию 3,18 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 42, показатель прочности на растяжение 29,8 Н⋅м/г и показатель прочности на разрыв 17,4 мН⋅м²/г.

Пример 9

Производственный эксперимент с варкой бамбукового сырья путем повторного использования композиционной щелочи-фильтрата

Добавили 850 кг сульфата натрия, 550 кг извести и 2 м³ воды в 8 м³ фильтрата, полученного в Примере 8, перемешали и получили однородную смесь. Затем перекачали однородную смесь в ротационный сферический варочный котел объемом 25 м³ с добавлением 5,8 тонн бамбука (в пересчете на 100% степень чистоты). Затем нагрели смесь до 105°C и выдерживали в течение 1,5 часов, а затем нагрели до 165°C и выдерживали еще в течение 3,5 часов. Добавили 0,78 тонны раствора сульфата алюминия с концентрацией 40% в ротационный сферический варочный котел с целью формирования хлопьев и адсорбции, после чего продули и перемешали целлюлозу, и получили 8,1 м³ черного щелока с ХПК 81900 частей на миллион, при этом выход целлюлозы составил 79,4%, содержание сухого вещества 7,78% по весу, pH 7,36 и содержание 1,80%. Затем размололи и промыли продутую целлюлозу при ШР° 40. После разложения полученной таким способом целлюлозы с помощью стандартного диссоциатора волокна изготовили бумагу, имевшую базовый вес 80 г, белизну 22,1, показатель сопротивления продавливанию 2,43 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 38, показатель прочности на растяжение 27,5 Н⋅м/г и показатель прочности на разрыв 15,8 мН⋅м²/г.

Пример 10

Производственный эксперимент с варкой и осаждением древесного сырья

Вымачивали 500 г древесины сосны (в пересчете на 100% степень чистоты) в растворе NaOH (из 100 г NaOH и 2000 мл воды) при 60°C в течение 12 часов. После варки целлюлозы при 165°C в течение 3,5 часов подвергли ее размолу. Добавили в молотилку 38,5 г сульфата алюминия с целью формирования хлопьев и адсорбции. Затем промыли и профильтровали полученную смесь, при этом выход волокна составил 75,6%. После разложения полученной таким способом целлюлозы с помощью стандартного диссоциатора волокна изготовили бумагу, которая имела базовый вес 80 г, белизну 23,0, показатель сопротивления продавливанию 2,9 кПа⋅м²/г, число двойных перегибов 56, показатель прочности на растяжение 45,8 Н⋅м/г и показатель прочности на разрыв 15,2 мН⋅м²/г.

Описан способ варки целлюлозы. С целью высокоэффективного производства целлюлозы заменяют едкий натр дешевой известью и дополнительно используют комплексообразование, флокуляцию и кислотно-щелочную нейтрализацию сульфата алюминия, при этом повторно используются содержащиеся в черном щелоке полезные ингредиенты, достигается выход, близкий к выходу древесной массы, производится целлюлоза высокого качества, осуществляется циклическая утилизация черного щелока, и решается проблема его загрязнения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.

1. Способ варки целлюлозы, включающий:

1) варку растительного сырья с использованием композиционной щелочи, содержащей сульфат и известь и/или карбидный шлак, с целью получения смеси, содержащей волокна и черный щелок,

2) по завершении варки и/или во время варки целлюлозы добавление сульфата алюминия в указанную смесь с целью формирования хлопьев органических макромолекул черного щелока и их осаждения и адсорбции на волокнах, а затем отделения волокон и сформированных в хлопья и осажденных органических макромолекул из черного щелока, и

3) необязательно добавление растительного сырья и щелочи, используемых в технологии щелочной варки, или других слабых щелочей, таких как известь и/или карбидный шлак и т.п., в содержащий сульфат фильтрат, полученный путем отфильтровывания нерастворимых веществ указанной смеси, с целью получения целлюлозного волокна.

2. Способ варки целлюлозы, включающий:

1) варку растительного сырья с использованием технологии щелочной или сульфатной варки с целью получения смеси, содержащей волокна и черный щелок, и

2) по завершении варки и/или во время варки целлюлозы добавление сульфата алюминия в указанную смесь с целью формирования хлопьев органических макромолекул черного щелока и их осаждения и адсорбции на волокнах, а затем отделения волокон и сформированных в хлопья и осажденных органических макромолекул из черного щелока, и

3) необязательно добавление растительного сырья, сульфата и щелочи, используемых в технологии щелочной варки, или композиционной щелочи, содержащей сульфат и известь и/или карбидный шлак, в фильтрат, полученный путем отфильтровывания нерастворимых веществ указанной смеси, с целью получения целлюлозного волокна.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором щелочью, используемой в способе щелочной варки, предпочтительно является одна или несколько щелочей, выбранных из группы, включающей водные растворы гидроокиси натрия, гидроокись калия, известь и карбидный шлак.

4. Способ по п. 1 или 2, в котором сульфатом в композиционной щелочи является растворимый сульфат натрия или сульфат калия.

5. Способ по п. 1 или 2, в котором общее количество извести и/или карбидного шлака, добавляемого на стадии 3), в пересчете на гидроокись кальция предпочтительно составляет более 2% по весу абсолютно сухого растительного сырья.

7. Способ по любому из пп. 1, 2 или 6, в котором варка целлюлозы с использованием композиционной щелочи на стадии 1) или 3) включает вымачивание растительного сырья и композиционной щелочи в течение 1-100 часов при комнатной температуре или в условиях нагрева, и затем варку полученного продукта в течение 1-10 часов при температуре 100-165°С, предпочтительно в течение 1-12 часов при температуре 80-130°С, и затем его варку в течение 1-4 часов при температуре 120-165°С.

8. Способ по любому из пп. 1, 2 или 6, в котором сульфат алюминия может добавляться по завершении варки и/или во время распыления, смешивания, сдвига или рафинирования до отделения готового продукта,

количество добавляемого сульфата алюминия может составлять 0,5-50% по весу волокна и/или

сульфат алюминия может добавляться при температуре в интервале от нормальной температуры до 100°С.

9. Способ по любому из пп. 1, 2 или 6, в котором растительным сырьем является древесина, бамбук, стебли растений, такие как стебли сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, рис, кукурузу, сою, сорго или хлопок, китайский альпийский камыш, багасса, тростник или скорлупа кокосовых орехов.

10. Способ по любому из пп. 1, 2 или 6, в котором получают указанную смесь с использованием растительного сырья без использования сильных щелочей, таких как гидроокись натрия, гидроокись калия и т.п., при этом черный щелок может повторно использоваться в дальнейшем.