Способ получения целлюлозы Российский патент 2020 года по МПК D21C3/04 

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства и может быть использовано для производства целлюлозы и продуктов на ее основе из недревесного растительного сырья.

Известен способ получения целлюлозы (варианты):

Способ получения целлюлозы по первому варианту осуществляют при одновременном рыхлении и очистке целлюлозосодержащего материала, варки в щелочном растворе, промывки, отбелки, промывки, сушки, в котором после одновременного рыхления и очистки ведут измельчение, замочку в растворе NaOH и очистку, варку ведут в растворе щелочи в течение 1,5-3 ч при гидромодуле 1:(5-20), содержащем дополнительно ПАВ, отбелку ведут в растворе Н₂О₂, а перед сушкой проводят отжим.

Преимущественное выполнение, когда после отбелки осуществляют кисловку в растворе кислоты; когда перед сушкой проводят измельчение.

Способ получения целлюлозы по второму варианту осуществляют при одновременном рыхлении и очистке целлюлозосодержащего материала, варки в щелочном растворе, промывки, отбелки, промывки, сушки, в котором варку ведут в щелочном растворе, дополнительно содержащем ПАВ, в течение 1,5-3 ч при гидромодуле 1:(5-20), отбелку ведут в растворе Н₂О₂ в течение 1-2 ч при гидромодуле 1:(5-20), а перед сушкой проводят отжим.

Преимущественное выполнение, когда после отбелки осуществляют кисловку раствором кислоты; перед сушкой материал измельчают, см. RU Патент №2304647, МПК D21C 5/00 (2006.01), D21C 1/06 (2006.01), D21C 3/02 (2006.01), D01C 1/02 (2006.01), 2007.

Недостатком известных вариантов способа является продолжительность технологического процесса.

Известен способ получения целлюлозы путем варки целлюлозосодержащего сырья с добавлением в качестве катализатора отхода производства антрахинона, получаемого каталитическим парофазным окислением антрацена, в котором отход производства антрахинона обрабатывают в ультразвуковом поле в смеси с белым щелоком при массовом соотношении белый щелок : отход производства антрахинона 5÷1:1 или черным щелоком при массовом соотношении черный щелок : отход производства антрахинона 1÷4:1.

Преимущественное выполнение способа, когда обработку отхода производства антрахинона в ультразвуковом поле проводят в течение 3-10 мин., см. RU №2287035, МПК D21C 3/02 (2006.01), 2006.

Недостатком известного способа является высокое содержание лигнина в конечном продукте.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения целлюлозы, включающий варку измельченного древесного растительного сырья с раствором пероксида водорода в присутствии многокомпонентного катализатора, в котором в качестве многокомпонентного катализатора используют смесь вольфрамовой кислоты или ее солей, молибденовой кислоты или ее солей и серной кислоты при соотношении мольных долей компонентов в смеси соответственно 0,2-0,4: 0,2-0,4: 0,2-0,6, по окончании пероксидной варки проводят экстракцию окисленного лигнина из твердого остатка щелочным раствором при температуре 60-95°С, см. RU Патент №2212483, МПК D21C 3/22 (2001.01), D21C 3/04 (2001.01), 2003.

Недостатком данного способа является продолжительность технологического процесса и высокое содержание лигнина в конечном продукте.

Технической проблемой является улучшения качества целлюлозы и уменьшение времени ее получения.

Техническая проблема улучшения качества целлюлозы и уменьшение времени ее получения решается способом получения целлюлозы, включающим делигнификацию измельченного растительного сырья путем варки сырья при температуре 85-90°С в растворе пероксида водорода в присутствии серной кислоты и катализатора, в качестве которого используют молибденовую кислоту или ее соли, по окончании делигнификации проводят экстракцию остаточного окисленного лигнина, согласно изобретению в качестве растительного сырья берут недревесное растительное сырье, а делигнификацию растительного сырья ведут при непрерывной термомеханохимической активации реакционной массы делигнификации путем пропускания реакционной массы через наружный контур емкости делигнификации, снабженного ультразвуковым устройством или устройством вращающихся анизотропных ферромагнитных тел в течение 60-90 минут, при этом раствор делигнификации содержит пероксид водорода 8 мас. %, серную кислоту 0,42 мас. %, и катализатор молибдат натрия или молибдат аммония 0,2 мас. %, а экстракцию остаточного окисленного лигнина ведут при температуре 50°С

Преимущественное выполнение способа, когда термомеханохимическую активацию реакционной массы делигнификации ведут путем пропускания реакционной массы через наружный контур емкости делигнификации, снабженного более чем одним ультразвуковым устройством.

Решение технической задачи позволяет получать целлюлозу из недревесного растительного сырья до 4,2 раза с меньшей долей остаточного лигнина в целевом продукте и до 2,5 раз уменьшить время получения целлюлозы.

Техническим результатом при использовании изобретения является получение качественной целлюлозы при уменьшении времени процесса каталитической пероксидной делигнификации и повышения качества получаемого продукта путем комплексного влияния на недревесное растительное сырье в водном растворе при делигнификации химического, механического и температурного воздействия одновременно. Это достигается наложением на растительную массу при делигнификации ультразвукового поля или поля движущихся анизотропных ферромагнитных тел, и обусловлено воздействием сжатия, деформации и дезинтеграции растительного сырья в водном растворе.

В качестве растительного сырья может быть использован любой вид однолетних растений независимо от его природы: лен, рапс, люцерна, амарант, багасса, а также солома овса, пшеницы, ржи и др.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: Фиг. 1 общая схема емкости делигнификации, где 1 - емкость делигнификации, 2 - перемешивающее устройство, 3 - наружный трубчатый контур, 4 - масс-насос, 5 - проходное ультразвуковое устройство;

На Фиг. 2 схема емкости делигнификации, где 1 - емкость делигнификации, 2 - перемешивающее устройство, 3 - наружный трубчатый контур, 4 - масс-насос, в наружный трубчатый контур 3 встроено проходное устройство 5а с потоком вращающихся анизотропных ферромагнитных тел. Анизотропные ферромагнитные тела, размещенные во внутренней цилиндрической полости устройства, приводятся во вращение источником электромагнитных полей 5б, размещенного на наружной поверхности устройства 5а.

На Фиг. 3 - схема емкости, где 1 - емкость делигнификации, 2 - перемешивающее устройство, 3 - наружный трубчатый контур, 4 - масс-насос, на наружном контуре 3 размещены проходные ультразвуковые устройства 5 и 6 последовательно.

Способ осуществляют следующим образом. Измельченное недревесное растительное сырье подвергают делигнификации путем варки сырья при температуре в пределах 85-90°С в растворе пероксида водорода 8 мас. % в присутствии серной кислоты 0,42 мас. % и катализатора молибдата натрия или аммония 0,2 мас. %, по окончании делигнификации проводят экстракцию остаточного окисленного лигнина при температуре 50°С.

Пример 1 по прототипу, в качестве растительного сырья берут недревесное растительное сырье лен.

Растительное сырье подают на операцию делигнификации. Раствор делигнификации содержит пероксид водорода 13 мас. %, многокомпонентный катализатор 0,01 моль/дм³, состоящий из 0,0033 моль/дм³ (0,1 мас. %) вольфрамата натрия, 0,0033 моль/дм³ (0,097 мас. %,) молибдата натрия и 0,0034 моль/дм³ (0,033 мас. %) серной кислоты. Перемешивание реакционной массы осуществляют мешалкой при скорости 70 об/мин. Температура реакционной массы в пределах 85-90°С, время обработки 180 минут. Гидромодуль 1:10. После делигнификации реакционную массу фильтруют и промывают. Для удаления окисленного лигнина с волокон целлюлозы, полученный растительный остаток обрабатывают раствором гидроксида натрия при следующих условиях: гидромодуль 1:4, начальная концентрация гидроксида натрия 4 мас. %, температура в пределах 80-85°С, давление атмосферное, продолжительность 120 минут. Качество полученной целлюлозы анализируют стандартными методами.

Пример 2 аналогичен примеру 1.

Отличием является то, что в качестве растительного сырья берут недревесное растительное сырье рожь.

Пример 3 по заявляемому способу, в качестве недревесного растительного сырья берут лен.

Растительное сырье см. Фиг. 1 подают на операцию делигнификации, осуществляемой в емкости делигнификации 1. Раствор делигнификации содержит пероксид водорода 8 мас. %, серную кислоту 0,42 мас. % и катализатор молибдат натрия (Na₂MoO₄) 0,2 мас. %. Перемешивание осуществляют мешалкой 2 при скорости 70 об/мин., температура раствора в пределах 85-90°С, время обработки 90 мин. Гидромодуль 1:10. Процесс делигнификации ведут при непрерывной термомеханохимической активации путем перекачивания реакционной массы растительного сырья масс-насосом AE.H-ZD 4 (производительность 3,4 м³/час) по наружному контуру 3 (диаметр трубопровода 25 мм) в котором установлено проточное ультразвуковое устройство «Молот» 5 (производительность до 3 м³/час, мощность 5,5 кВт/час) с возвратом в емкость делигнификации 1. Время технологической стадии делигнификации 90 мин. После делигнификации реакционную массу фильтруют. Для удаления окисленного лигнина с волокон целлюлозы полученный растительный остаток обрабатывают раствором гидроксида натрия при следующих условиях: гидромодуль 1:4, начальная концентрация гидроксида натрия 4 мас. %, температура в пределах 80-85°С, давление атмосферное, продолжительность 60 минут. Качество полученной целлюлозы анализируют стандартными методами.

Пример 4 аналогичен примеру 3.

Отличием является то, что время технологической стадии делигнификации растительного сырья составляет 60 мин.

Пример 5 аналогичен примеру 3.

Отличием является то, что на стадии делигнификации в качестве катализатора берут молибдат аммония ((NH₄)₂MoO₄).

Пример 6 аналогичен примеру 5.

Отличием является то, что время технологической стадии делигнификации растительного сырья составляет 60 мин.

Пример 7 аналогичен примеру 3.

Отличием является то, что делигнификацию недревесного растительного сырья ведут при непрерывной термомеханохимической активации путем перекачивания реакционной массы растительного сырья, см. Фиг. 2, масс-насосом AE.H-ZD 4 (производительность 3,4 м³/час) по наружному контуру 3 (диаметр трубопровода 25 мм) через устройство 5а с потоком движущихся анизотропных ферромагнитных тел, приводимых в движение источником электромагнитных полей 5б. Устройство силового воздействия с ферромагнитными телами имеет диаметр 2 мм и длину 15 мм при диаметре внутренней полости устройства 70 мм и длиной 100 мм. Скорость вращения ферромагнитных тел 3000 об/мин.

Пример 8 Аналогичен примеру 7.

Отличием является то, что время технологической стадии делигнификации растительного сырья составляет 60 мин.

Пример 9 аналогичен примеру 3.

Отличием является то, что непрерывную термомеханохимическую активацию на стадии делигнификации растительного сырья ведут путем перекачивания реакционной массы растительного сырья, см. Фиг. 3, масс-насосом AE.H-ZD 4 (производительность 3,4 м³/час) по наружному контуру 3 (диаметр трубопровода 25 мм) через два ультразвуковых устройствах 5 и 6, установленых последовательно на наружном контуре емкости делигнификации 1

Пример 10 аналогичен примеру 3.

Отличием является то, что в качестве недревесного растительного сырья берут рожь

Пример 11 аналогичен примеру 10.

Отличием является то, что время технологической стадии делигнификации растительного сырья составляет 60 мин.

Пример 12 аналогичен примеру 9.

Отличием является то, что в качестве недревесного растительного сырья берут рожь

Показатели целлюлозы, полученной по заявляемому способу и прототипу приведены в Таблице 1.

Как видно из примеров конкретного выполнения, заявленный способ по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: совместное использование катализируемой пероксидной делигнификации и непрерывной термомеханохимической активации до 2,5 раз уменьшает время получения целлюлозы, при этом наблюдается достижение лучших показателей полученной целлюлозы за счет снижения содержания остаточного лигнина в целевом продукте до 4,2 раза.

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства и может быть использовано для производства целлюлозы и продуктов на ее основе из недревесного растительного сырья. Способ получения целлюлозы включает делигнификацию измельченного растительного сырья путем варки сырья при температуре 85-90°С в растворе пероксида водорода в присутствии серной кислоты и катализатора, в качестве которого используют соли молибденовой кислоты, по окончании делигнификации проводят экстракцию остаточного окисленного лигнина, в качестве растительного сырья берут недревесное растительное сырье, а делигнификацию растительного сырья ведут при непрерывной термомеханохимической активации реакционной массы делигнификации путем пропускания реакционной массы через наружный контур емкости делигнификации, снабженный ультразвуковым устройством или устройством вращающихся анизотропных ферромагнитных тел в течение 60-90 минут, при этом раствор делигнификации содержит пероксид водорода 8 мас. %, серную кислоту 0,42 мас. % и катализатор молибдат натрия или молибдат аммония 0,2 мас. %, а экстракцию остаточного окисленного лигнина ведут при температуре 50°С. Техническим результатом является уменьшение времени получения целлюлозы из недревесного растительного сырья и уменьшение доли остаточного лигнина в целевом продукте. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения целлюлозы, включающий делигнификацию измельченного растительного сырья путем варки сырья при температуре 85-90°С в растворе пероксида водорода в присутствии серной кислоты и катализатора, в качестве которого используют соли молибденовой кислоты, по окончании делигнификации проводят экстракцию остаточного окисленного лигнина, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья берут недревесное растительное сырье, а делигнификацию растительного сырья ведут при непрерывной термомеханохимической активации реакционной массы делигнификации путем пропускания реакционной массы через наружный контур емкости делигнификации, снабженный ультразвуковым устройством или устройством вращающихся анизотропных ферромагнитных тел в течение 60-90 минут, при этом раствор делигнификации содержит пероксид водорода 8 мас. %, серную кислоту 0,42 мас. % и катализатор молибдат натрия или молибдат аммония 0,2 мас. %, а экстракцию остаточного окисленного лигнина ведут при температуре 50°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термомеханохимическую активацию реакционной массы делигнификации ведут путем пропускания реакционной массы через наружный контур емкости делигнификации, снабженный более чем одним ультразвуковым устройством.