СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСАЖДЕННОГО ЛИНГИНА ИЗ ЧЕРНОГО ЩЕЛОКА И ОСАЖДЕННЫЙ ЛИНГИН, ПОЛУЧЕННЫЙ УКАЗАННЫМ СПОСОБОМ
METHOD FOR OBTAINING PRECIPITATED LIGNIN FROM BLACK LIQUOR AND PRECIPITATED LIGNIN OBTAINED THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения осажденного лигнина из черного щелока. Изобретение, кроме того, относится к осажденному лигнину, полученному указанным способом, к раствору, содержащему осажденный лигнин, а также к различным конечным применениям осажденного лигнина.
Предпосылки создания изобретения
Черный щелок представляет собой отработанный варочный щелок от крафт-способа при варке древесины в пульпу с удалением лигнина, гемицеллюлоз и других экстрагируемых веществ из древесины для того, чтобы высвободить целлюлозные волокна.
Черный щелок содержит более половины энергии, при подаче древесины в варочный котел. Она обычно концентрируется до 65-80% выпарными аппаратами и сжигается в котле-утилизаторе с получением энергии и извлечением химических веществ варки. US 4929307 описывает способ обработки черного щелока нагревом для того, чтобы улучшить способность черного щелока выпариваться.
Лигнин, который присутствует в черном щелоке, представляет собой сложное химическое соединение, производное от древесины, и интегральную часть вторичных стенок клеток растений. Лигнин играет решающую роль в проведении воды в стебли растений.
Лигнин является побочным продуктом способов варки целлюлозы из целлюлозного исходного материала. Имеются различные способы варки целлюлозы, такие как крафт-, органозольв- или натриевый способ варки целлюлозы. Имеются также различные природные целлюлозные исходные материалы, которые используются в таких способах варки целлюлозы. Целлюлозный исходный материал и способы варки целлюлозы обычно выбирают и оптимизируют для получаемых целлюлозных продуктов, таких как бумага или картон. Характеристики лигнина являются результатом используемого исходного материала и различия в материале, а также варьирования способа варки целлюлозы. Соответственно, имеется большое варьирование характеристик черного щелока и лигнина в зависимости от используемого целлюлозного исходного материала, т.е. твердой древесины или мягкой древесины, а также способа варки целлюлозы.
Имеются различные конечные применения осажденного лигнина, который удаляется из черного щелока. Он может сжигаться как топливо или использоваться в качестве компонента или добавки в химических способах и продуктах.
В настоящее время существует несколько различных способов выделения и осаждения лигнина из черного щелока. Один пример описан в WO 2006/021175A. Данный способ осаждения лигнина не дает возможность регулировать или модифицировать вязкость осажденного лигнина. Однако регулирование вязкости и снижение вязкости, в частности, может быть важным на последующих стадиях способа для дальнейшей переработки осажденного лигнина.
Таким образом, имеется потребность в улучшенном способе получения лигнина с улучшенными свойствами, такими как сниженная вязкость.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является создание улучшенного способа получения осажденного лигнина.
Другой целью настоящего изобретения является получение осажденного лигнина с улучшенными свойствами, такими как сниженная средняя молекулярная масса, и сниженная вязкость, и сниженная степень загрязнения благодаря остаточной гемицеллюлозе.
Другой целью настоящего изобретения является получение осажденного лигнина с улучшенной степенью согласованности качества по отношению к улучшенным свойствам.
Другой целью настоящего изобретения является получение суспензии или раствора, содержащего растворитель, такой как органический растворитель, и осажденный лигнин с улучшенными свойствами и высокой степенью согласованности качества по отношению к улучшенным свойствам.
Еще одной целью настоящего изобретения является улучшение отделения осажденного лигнина от жидкой фазы.
Указанные, а также другие цели достигаются настоящим изобретением.
Настоящее изобретение относится к способу получения осажденного лигнина из черного щелока, в котором способ содержит следующие стадии: обеспечение потока черного щелока, обработка потока черного щелока при повышенной температуре и осаждение лигнина из обработанного нагревом черного щелока. При увеличении температуры черного щелока перед тем, как осаждается лигнин, было показано, что средняя молекулярная масса осажденного лигнина и степень загрязнения благодаря остаточной гемицеллюлозе снижаются. Таким образом, можно получать лигнин со сниженной вязкостью, а также раствор, содержащий осажденный лигнин со сниженной вязкостью. Кроме того, данный способ является очень эффективным и экономичным способом получения осажденного лигнина с улучшенными свойствами.
Лигнин может быть осажден при снижении рН черного щелока. Снижение рН может осуществляться в одну или более последовательных стадий.
Предпочтительно, что температура черного щелока в ходе термообработки увеличивается до 150-200°C, предпочтительно в интервале 170-190°C.
Черный щелок может обрабатываться при повышенной температуре в течение 1-60 мин, предпочтительно в течение 1-5 мин.
рН черного щелока может быть, по меньшей мере, частично снижен перед повышением температуры черного щелока. Таким образом, частично осажденный лигнин может присутствовать в черном щелоке в процессе термообработки.
Черный щелок может быть выпарен перед повышением температуры черного щелока. Это может быть благоприятно для увеличения содержания сухого вещества черного щелока перед термообработкой для того, чтобы снизить количество энергии, необходимой в процессе термообработки. Так количество воды снижается в процессе выпаривания, меньше энергии требуется для того, чтобы повысить температуру черного щелока до необходимого уровня. Черный щелок может иметь содержание сухого вещества в интервале 30-50% общей концентрации сухого вещества перед термообработкой или в процессе термообработки.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к осажденному лигнину, полученному вышеуказанным способом. Было показано, что осажденный лигнин, полученный вышеуказанным способом, имеет сниженную среднюю молекулярную массу по сравнению с осажденным лигнином, полученным способами, описанными в прототипе.
Получаемый осажденный лигнин может иметь улучшенную фильтруемость благодаря снижению средней молекулярной массы получаемого осажденного лигнина и низкому количеству остаточной гемицеллюлозы. Получаемый осажденный лигнин может также иметь низкую степень загрязнения в отношении остаточной гемицеллюлозы.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к раствору, содержащему растворитель и осажденный лигнин, в котором раствор имеет сниженную вязкость и низкую степень загрязнения в отношении остаточной гемицеллюлозы. Было показано, что раствор, содержащий осажденный лигнин, полученный вышеописанным способом, имеет более низкую вязкость по сравнению с раствором, содержащим осажденный лигнин, полученный согласно прототипу.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к использованию осажденного лигнина в применениях, относящихся к биоочистке, для извлечения энергии или в качестве соединения в химическом способе или продукте. Получаемый осажденный лигнин, предпочтительно, используется по вышеуказанным причинам. Благодаря улучшенным свойствам осажденного лигнина обработка и последующая переработка осажденного лигнина улучшаются и облегчаются.
Краткое описание чертежа
На фигуре 1 представлена схема одного варианта согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Путем комбинирования термообработки черного щелока с последующим осаждением лигнина из термообработанного черного щелока можно осаждать лигнин из черного щелока очень эффективным образом. Способ согласно настоящему изобретению является как более легким, так и более экономически эффективным по сравнению с другими способами получения осажденного лигнина, особенно в случае получения лигнина с низкой вязкостью и низкой средней молекулярной массой.
Кроме того, было показано, что термообработка черного щелока для снижения вязкости также улучшает осаждение лигнина из черного щелока. Способ осаждения лигнина будет намного более эффективным благодаря улучшенным свойствам черного щелока как такового и лигнина в термообработанном черном щелоке.
Осажденный лигнин имеет улучшенные свойства, например фильтруемость осажденного лигнина является улучшенной благодаря сниженному количеству остаточной гемицеллюлозы. Остаточная гемицеллюлоза может образовывать гидрогели, которые увеличивают сопротивление фильтрации в процессе выделения осажденного лигнина из водной фазы. Количество остаточной гемицеллюлозы в черном щелоке снижается в процессе термообработки и последующих стадиях способа, и, таким образом, фильтруемость улучшается.
Кроме того, вязкость суспензии или раствора, содержащего растворитель, такой как органический растворитель, и осажденный лигнин, снижается. Это делает суспензию или раствор более легкими для обработки. Подача насосом суспензии или раствора, содержащего осажденный лигнин, улучшается, и также можно улучшить смешение лигнина с другими компонентами. Вязкость суспензии или раствора, содержащего лигнин, зависит от термообработки, например от времени и температуры термообработки, а также от способа варки целлюлозы, который дает черный щелок.
Характеристики осажденного лигнина, такие как вязкость, обычно могут быть трудно снижены или изменены в способах-прототипах. Способ согласно настоящему изобретению имеет своей целью предоставление возможности снижать вязкость, молекулярную массу и увеличивать согласованность качества осажденного лигнина или раствора, содержащего осажденный лигнин. Это важно для обеспечения дополнительного применения осажденного лигнина, например, для извлечения энергии, или применений для биоочистки, или даже в качестве соединения в химических способах и продуктах. Снижение вязкости осажденного лигнина обеспечивает более высокую согласованность качества продуктов и промежуточных продуктов в последующих способах.
Вязкость осажденного лигнина может быть измерена на чистом лигнине при температуре выше температуры стеклования. Альтернативно, вязкость осажденного лигнина может быть измерена на растворе, содержащем растворенный или диспергированный лигнин в жидкости или растворителе. Благодаря различиям в получаемом лигнине вследствие различий в способах варки целлюлозы и в используемом исходном целлюлозном материале вязкость, а также другие свойства осажденного лигнина, сильно различаются. Способ согласно настоящему изобретению дает лигнин с более низкой вязкостью и более низким колебанием вязкости, чем у лигнина, полученного согласно прототипу.
Рассматриваемый черный щелок получают в процессе варки целлюлозного материала. Образованный черный щелок отделяется от прошедшего варку целлюлозного материала, и по меньшей мере одна часть выделенного черного щелока обрабатывается при повышенной температуре, а лигнин осаждается и затем отделяется от термообработанного черного щелока.
Предпочтительно по меньшей мере одна часть черного щелока, выделенного из варочного котла, обрабатывается согласно настоящему изобретению, т.е. нет необходимости обрабатывать весь поток выделенного черного щелока. Предпочтительно 5-100%, предпочтительно 5-50% общего количества черного щелока из варочного котла обрабатывается согласно настоящему изобретению. Таким образом, часть черного щелока сжигается в котле-утилизаторе для утилизации энергии черного щелока. Насколько много выделенного черного щелока подводится в котел-утилизатор, соответственно, для термообработки с последующим осаждением, зависит от потребности в соответствующем конечном продукте. Иногда желательно получать большое количество осажденного лигнина, и, таким образом, большое количество выделенного черного щелока термообрабатывается и затем осаждается.
Повышение температуры черного щелока предпочтительно осуществляется введением водяного пара. Водяной пар часто легко доступен в мельнице целлюлозы, и поскольку черный щелок содержит воду, введение большего количества воды в форме пара не влияет отрицательно на последующие обработки. Однако также могут использоваться другие традиционные способы повышения температуры черного щелока.
Температура повышается выше температуры, используемой в процессе варки целлюлозного материала, т.е. выше температуры варки. Предпочтительно, температура находится в интервале 150-200°C, предпочтительно в интервале 170-190°C. В процессе термообработки молекулярная масса лигнина снижается. Это дает в результате то, что вязкость черного щелока, а также лигнина черного щелока, снижается.
Лигнин может быть осажден несколькими последовательными стадиями подкисления и промывки. Например, можно сначала подкислить черный щелок с последующим обезвоживанием. Полученный остаток на фильтре лигнина затем суспендируют, и рН снова снижается с последующим вторым обезвоживанием. Лигнин затем промывают вытеснительным промыванием, и полученный лигнин окончательно обезвоживают. Указанным способом получается лигнин с высоким содержанием сухого вещества. Один пример такого способа осаждения лигнина описан более подробно в WO 2006/031175 A.
Могут также использоваться другие способы осаждения лигнина. Например, мембранные фильтры, которые отделяют лигнин от черного щелока. Однако могут также использоваться другие традиционные способы отделения или осаждения лигнина из черного щелока.
Если способ, подобный или описанный в WO 2006/031175A, используется для того, чтобы осаждать лигнин, можно сначала снизить рН черного щелока с последующей термообработкой черного щелока, а затем продолжить способ, как описано в WO 2006/ 031175A, т.е. продолжить с различными стадиями промывки и дополнительными стадиями снижения рН для того, чтобы полностью осадить лигнин.
Получаемый лигнин может использоваться в применениях для биоочистки, для извлечения энергии или как соединение в химических способах или продуктах. Он может использоваться в качестве добавки в различных компонентах, таких как пластики.
На фигуре 1 представлена схема способа согласно одному варианту изобретения. Черный щелок (1) из варочного котла (не показано), в котором варится целлюлозный материал и образуется черный щелок, подводится в выпарной аппарат (2). Выпаренный черный щелок (3) подводится в котел-утилизатор (4) для извлечения энергии из черного щелока. По меньшей мере одна часть черного щелока (5) удаляется из выпарного аппарата (2) и подводится на термообработку (6), где температура черного щелока повышается выше температуры, используемой в варочном котле. После термообработки (6) черный щелок подводится на осаждение (7), где образуется осажденный лигнин. Осажденный лигнин (8) далее используется желательным образом.
Содержание сухого вещества черного щелока (1), подводимого из варочного котла, составляет 10% общей концентрации сухого вещества. В процессе выпаривания вода удаляется и содержание сухого вещества увеличивается. Содержание сухого вещества черного щелока (3) после выпаривания увеличивается до приблизительно 80% общей концентрации сухого вещества. Предпочтительно удалять по меньшей мере одну часть черного щелока (5) из выпарного аппарата (2) прежде, чем содержание сухого вещества слишком увеличится. Содержание сухого вещества черного щелока (5), обрабатываемого при повышенной температуре, составляет предпочтительно 30-50% общей концентрации сухого вещества. Черный щелок, таким образом, удаляется из выпарного аппарата (2), когда содержание сухого вещества находится на требуемом уровне. Предпочтительно, черный щелок (3) имеет высокое содержание сухого вещества, когда он подводится в котел-утилизатор (4), т.к. более энергоэффективно сжигать черный щелок с высоким содержанием сухого вещества в котле-утилизаторе (4), т.е. он содержит меньшее количество воды. Однако непрактично термообрабатывать черный щелок со слишком высоким содержанием сухого вещества с последующим осаждением лигнина из него. Соответственно, содержание сухого вещества черного щелока, обрабатываемого согласно настоящему изобретению, является предпочтительно низким.
Осажденный лигнин согласно настоящему изобретению предпочтительно используется в применениях биоочистки, для извлечения энергии или как соединение в химическом способе или продукте. Благодаря улучшенным свойствам осажденного лигнина, таким как сниженное количество гемицеллюлозы, чистота лигнина улучшается, и это является преимуществом для многих продуктов. Кроме того, обработка и последующая переработка осажденного лигнина улучшается и облегчается, и это делает его используемым во многих химических способах.
Пример
Черный щелок из крафт-способа варки мягкой древесины обрабатывают при температуре 180°C в течение 30 мин. Термообработанный черный щелок затем подвергается осаждению при снижении рН до примерно 10. Осажденный лигнин затем отфильтровывают и промывают.
В таблице 1 ниже представлены результаты определения молекулярной массы и вязкости осажденного лигнина, осажденного из термообработанного черного щелока согласно настоящему изобретению.
Молекулярную массу лигнина определяют методом гельпроникающей хроматографии ((ГПХ)(GPC)).
Вязкость определяют на суспензии, содержащей 20% мас. осажденного лигнина в органическом растворителе (в данном случае используется поли(простой эфир)полиол), с нагреванием суспензии до 80°C в течение часа, и вязкость затем измеряют с использованием веретенного вискозиметра.
Таблица 1Сравнение лигнина из необработанного черного щелока в качестве эталона и лигнина из термообработанного черного щелока
Характеристика
Единица
Лигнин из необработанного черного щелока (эталон)
Лигнин из термообработанного черного щелока
Молекулярная масса Mw
Дальтон
4810
4050
Вязкость (суспензии с органическим растворителем, при 25°C)
сПз
2170
1320
Как можно видеть из таблицы 1, как молекулярная масса лигнина, так и вязкость суспензии, содержащей лигнин, осажденный из термообработанного черного щелока, снижаются.
Принимая во внимание приведенное выше подробное описание настоящего изобретения, другие модификации и варианты становятся очевидными для специалистов в данной области техники. Однако должно быть понятно, что такие другие модификации и варианты могут быть осуществлены без отступления от сущности и объема изобретения.