Натронно-каталитическая варка соломы хлебных злаков

НАТРОННО-КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ВАРКА СОЛОМЫ ХЛЕБНЫХ ЗЛАКОВ

А. В. ВУРАСКО, Уральская государственная лесотехническая академия С. Г. АНТОНЕНКОВА,

А Л. АГЕЕВ,

С.Ю. МЕНЬШИКОВ,

Л. А. ПЕТРОВ

Авторами работы проведены исследования по изучению каталитических способностей для натронной деструкции лигноуглеводного комплекса соломы хлебных злаков.

В работе рассмотрена возможность применения ежегодно возобновляемого недревесного сырья, расширяя тем самым сырьевую базу. Применение катализатора, модифицированной формы поверхностноактивного вещества, дает возможность не только повысить качество получаемого полуфабриката, но и улучшить экологическую ситуацию сульфатного производства, так как при сульфатном методе получения целлюлозы выделяются такие токсичные вещества как сернистый ангидрид и меркаптаны. Представленные исследования показывают возможность исключения серы из варочного процесса. В работе проведено сопоставление результатов варок ячменной и пшеничной соломы, проанализированы полученные результаты и сделаны общие выводы.

Доцент Уральской государственной лесотехнической академии Е.А. Мозырева

В настоящее время, в связи с необходимостью рационального использования природных ресурсов, актуальными становятся не только каталитические варки целлюлозы из древесного сырья, но и из ежегодно возобновляемого недревесного сырья - соломы хлебных злаков. Использование этого вида сырья позволит значительно расширить сырьевую базу.

В данной работе в качестве катализатора делигнификации был использован антрахинон, полученный в лабораторных условиях путем окисления антрацена. Применение катализатора позволяет без существенных капитальных затрат повысить выход и качество технической соломенной целлюлозы, заменить сульфатную варку натронной с сохранением высокого качества целлюлозы и исключить из варочного процесса сернистые соединения, являющиеся основным источником загрязнения атмосферы «дурнопахнущими» меркаптановыми соединениями вблизи сульфатцеллюлозных заводов.

Основываясь на опыте отечественной промышленности по применению ан-трахинона и литературных данных (1-5),

необходимо отметить возникновение технологических сложностей при приготовлении, дозировании и подаче катализатора в варочный процесс. В данной работе разработан способ подачи катализатора в варочную систему в виде устойчивой дисперсии. Для получения дисперсии катализатор делигнификации обрабатывали высокоэффективными и доступными поверхностно-активными веществами

(ПАВ) в количестве 0,1-10 массных процентов.

Модификация частиц антрахинона ПАВ перед подачей в варочный процесс способствует гидрофилизации их и исключает комкование, наблюдающееся при вводе катализатора традиционным способом.

Натронную варку пшеничной и ячменной соломы проводили при следующих условиях: расход активной щелочи от 10 до 20 % к а. с. соломе; гидромодуль 1:5; максимальная температура варки 155 0 С; время варки 60 минут; расход катализатора (антрахинон) в виде устойчивой дисперсии

0,1 % к а. с. соломе. Состав исходного сырья приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав соломы хлебных злаков

Компонент. % от а. с. материала Пшеничная солома Ячменная солома

Целлюлоза 34,82 43,11

Лигнин 24,48 17,90

Пентозаны 18,98 18,96

Зола 5.51 6,98

Растворимые в воде 12,90 12.75

Таблица 2

Влияние антрахинона и вида ПАВ на процесс получения целлюлозы из пшеничной соломы. Расход активной щелочи 20 % к а. с. соломе

Расход антрахинона, % к а.с. соломе ПАВ, массный процент к антрахинону Выход технической целлюлозы, % Степень делигнификации, ч. Каппа

лигносульфонат ОП-Ю

- — - 45,0 13,5

0,1 - - 50.5 14,0

0.1 0,5 - 52,7 14,2

од 1.0 - 54,9 14,8

од 1,5 - 51,5 14.7

од - 1,0 52,7 12,7

од - 2,5 52.5 13,0

од - 5,0 52,2 16,2

По результатам работы получены данные, представленные в табл. 2.

Анализируя полученные данные можно сделать вывод, что модификация частиц антрахинона растворами лигносульфо-ната и ОП-Ю способствует лучшему распределению катализатора в варочном объеме, что приводит к более быстрому включению антрахинона в редокс-цикл, к увеличению числа оборотов редокс-цикла, к увеличению эффекта стабилизации гемицеллюлоз и более селективному удалению лигнина, следствием этого является повышение выхода и снижение содержания остаточного лигнина. Использованные в работе ПАВ достаточно эффективны для данного процесса. Преимуществом лигносульфоната является то, что производится он на предприятиях отрасли и имеет невысокий расход. При использовании ОП-Ю процесс гидрофилизации частиц антрахинона протекает быстро и с этим ПАВ получены наиболее устойчивые дисперсные системы. Поэтому для дальнейших исследований применяли ОП-Ю.

Каталитические натронные варки пшеничной и ячменной соломы проводились в присутствии устойчивой дисперсной системы антрахинона с расходом ОП-Ю 2,5 массных процента. Результаты варок представлены на рис. 1 и 2.

Из представленного рис. 1 видно, что применение антрахинона в количестве 0,1 % к а. с. соломе позволяет повысить выход технической целлюлозы из пшеничной соломы на 2,1-7,5 % при одной и той же степени провара по сравнению с варкой без катализатора и снизить степень делигнификации на 1-2 %.

При увеличении расхода активной щелочи наблюдается заметное снижение выхода (7,5 %) при варке без катализатора. При варке с катализатором наблюдается лишь незначительное снижение выхода технической целлюлозы (2,1 %).

С увеличением расхода активной щелочи эффект от использования антрахинона возрастает, т.к. на 1 % удаленного лигнина разрушается в среднем 0,6 % целлюлозы, а при варке без катализатора - 1,3 %.

Рис. 1. Зависимость степени провара (1,2) и выхода технической целлюлозы (3, 4) из пшеничной соломы от расхода активной щелочи: 1,4 - без анграхинона ; 2, 3 - с антрахиноном

Рис. 2. Зависимость степени провара (У, 2) и выхода технической целлюлозы (3, 4) из ячменной соломы от расхода активной щелочи: 1,4- без антрахинона ',2,3 - с антрахиноном

Из рис. 2 видно, что при использовании антрахинона выход технической целлюлозы из ячменной соломы увеличивается на 3,8-4,5 % по сравнению с варкой без катализатора» при одной и той же степени провара.

Степень делигнификации при антра-хиноновой варке ниже на 0,4 % по сравнению с варкой без антрахинона.

При увеличении расхода активной щелочи от 10 до 12 % к а. с. соломе выход технической целлюлозы практически не меняется, при дальнейшем увеличении расхода активной щелочи происходит плавное снижение выхода С уменьшением расхода активной щелочи избирательность процесса возрастает: на один процент растворенного лигнина теряется меньше углеводов, это справедливо как для варки с антрахиноном, так и без него.

При сравнении варок пшеничной и ячменной соломы следует отметить, что выход технической целлюлозы из пшеничной соломы превышает выход из ячменной соломы. Вероятно, на выход влияет химический состав исходной соломы.

Из полученной в процессе варок ячменной соломы технической целлюлозы были приготовлены опытные образцы отливок с массой 75 г/м2 с предварительным размолом целлюлозы до 30 ° ШР. У полученных образцов был определен ряд физикомеханических показателей с целью исследования влияния расхода активной щелочи и катализатора на бумагообразующие свойства. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением расхода активной щелочи показатели механической проч-

ности образцов, полученных при варке без катализатора снижаются.

При варке с катализатором сопротивление продавливанию незначительно повышается, а сопротивление раздиранию увеличивается.

Ухудшение бумагообразующих свойств целлюлозы некаталитической варки с увеличением расхода активной щелочи вероятно связано с растворением гемицеллюлоз, поэтому прочность связей между волокнами в листах ниже [6]. Гемицеллюлозы, сохраненные при варке с антрахиноном, пластифицируют волокна, облегчая их фибри-лирование, что способствует повышению прочности связей между волокнами в бумажном листе. С повышением содержания гемицеллюлоз растет сопротивление продавливанию при каталитической варке. Здесь сказывается склеивающий эффект гемицеллюлоз, имея более короткие цепи по сравнению с целлюлозой, они при набухании создают поперечные гибкие связи между соседними волокнами.

Улучшение бумагообразующих

свойств ячменной целлюлозы, полученной при каталитической варке, можно объяснить тем, что антрахинон способствует сохранению более коротких молекул гемицеллюлоз, которые прочно связаны в волокнах с целлюлозой. Антрахинон в процессе окислительно - восстановительного цикла стабилизирует реакции растворения и гидролиза гемицеллюлозы при варке [7].

По химическому составу солома хлебных злаков ближе по составу к лиственной древесине. Содержание лигнина в соломе выше, чем в лиственной, но меньше, чем в хвойной [6].

Таблица 3

Физико-механические показатели ячменной целлюлозы

Показатели Расход активной щелочи, % к а. с. соломе

12 14 16 18 1 12 14 16 18

Разрывная длина, м Сопротивление продавливанию. кПа Сопротивление раздиранию, мН 6300 153 1058 6200 136 784 5500 139 784 5300 138 745 7200 162 588 6500 158 980 6400 170 980 6300 166 1011

Лигнин соломы менее полимеризо-ван, следовательно менее прочно связан с углеводным комплексом, обладает большей реакционной способностью и легче поддается действию делигнифицирующих агентов [6]. Поэтому, в связи с особенностью строения соломенного сырья роль антрахинона заключается в первую очередь в защите углеводного комплекса от деструкции, а затем в удалении лигнина.

Выводы

1. Введение антрахинона в виде дисперсии позволяет лучше распределить катализатор в варочном объеме. Используемые ПАВ не влияют на варочный процесс. Оптимальный расход лигносульфоната 1 массный процент к антрахинону, ОП-Ю - 2,5 массных процента.

2. Применение дисперсии антрахинона в качестве катализатора делигнификации при натронной варке соломы хлебных злаков способствует повышению выхода технической целлюлозы при одной и той же степени провара, улучшению физикомеханических показателей. Эффект от при-

менения антрахинона для пшеничной соломы выше, чем для ячменной.

Литература

1. Ростов Б.М., Сафонов Ю.К.. Свирепое Н.Е. О физико-механических свойствах антрахинона // Деп. ВНИИ целлюлоз.-бум. пром. ВНГЮ ЦБП. - Л.: 1985. - С. 144-152 .

2. Иванова И.С.. Василенко Л. А. Александрович А.И..

Личутина Л.Ф.. Махина Р.Н. Разработка технологии сульфатной варки с использованием антрахинона // Экспресс-информ: целлюлоза, бумага и картон. - Вып. 20. - М.. ВНИПИЭЛеспром., 1990. -С. 2-17.

3. Шевченко С.Н.. Дейнеко И.Г1, Химия анграхинон-ной варки // Химия древесины. - 1983. - № 6. - С. 3-32.

4. Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. - М.: Лесн.

пром-ть, 1994. - Т. 3: Технология целлюлозы. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы производства. - 575 с.

5. Шторгард-Иивалл Карола, Диммель Д Р. Dissolving

reations of anthraquinone at high temperature // J. Wood Cim. and Teclmol. - 1986. - Vol. 6. - № 3. -P. 367-388.

6. Лигнфут В.И. New catalyst improves polisulfide li-guor mekeup, oxihygen delignification // Pulp and Pap. - 1990. - Vol. 64. № 1. - C. 88-93.

7. Пат. DE. 3905311.ЗА 1,ФРГ. Anthraguinone Tensid Gemische. ihre Herstellung und Verwendung / H. Blank. - Anm. 21.02.89; Off 23.08.90.

ВЫСТАВКИ 2000

ИНФОРМАТИКА-2000

11-я Международная выставка «Вычислительная техника и информатика» НАУЧНЫЕ ПРИБОРЫ-2000

4-я Международная выставка приборов для научных исследований ИНТЕРИНСТРУМЕНТ-2000

МЕБЕЛЬ-2000

12-я Международная выставка «Мебель, фурнитура и обивочные материалы» ЛЕСТЕХПРОДУКЦИЯ-2000

5-я Международная специализированная выставка-ярмарка лесопродукции, машин, оборудования и материалов для лесной и деревообрабатывающей промышленности

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕБЕЛИ Международная специализированная выставка

16-20 октября

16-20 октября

18-21 октября 14-18 ноября

6-9 декабря

6-9 декабря