Получение целлюлозного порошка из хлопковой и древесной целлюлозы

ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ

УДК 661.728.2

Ф.Х. Хакимова, Т.Н. Ковтун, О.А. Носкова

Хакимова Фирдавес Харисовна родилась в 1938 г., окончила в 1965 г. Уральский лесотехнический институт, кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Пермского государственного технического университета. Имеет более 140 научных трудов в области теории и технологии целлюлозы.

ПОЛУЧЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПОРОШКА ИЗ ХЛОПКОВОЙ И ДРЕВЕСНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Приведена принципиальная технологическая схема получения целлюлозного порошка из хлопковой и древесной целлюлозы, оптимизированы условия гидролиза целлюлозы соляной и азотной кислотами, исследованы процессы ее промывки и сушки, определены основные физико-химические свойства порошковой целлюлозы и характеристики сточных вод.

порошковая целлюлоза, кислотный гетерогенный гидролиз, промывка и сушка целлюлозы, сточные воды.

Порошковая целлюлоза - продукт, получаемый деструкцией волокнистого сырья, - обладает свойствами, несколько отличными от волокнистой целлюлозы. Эти свойства целлюлозного порошка интересуют в последние годы специалистов различных отраслей промышленности, работающих как над созданием новых производств, так и над совершенствованием имеющихся технологий. Спрос на данный вид продукта в последние годы постоянно возрастает.

Наиболее распространенным способом получения порошковой целлюлозы является кислотный гетерогенный гидролиз .

Наши исследования были направлены на разработку технологии получения порошковой целлюлозы, ориентированной на использование в пищевой, фармацевтической, медицинской промышленности.

В качестве исходного сырья были выбраны хлопковая целлюлоза и древесная вискозная целлюлоза. Порошковую целлюлозу получали методом кислотного гетерогенного гидролиза по схеме, включающей приготовление гидролизующего раствора, гидролиз целлюлозы, промывку, сушку, диспергирование и сортирование полученного целлюлозного порошка (рис. 1). В качестве деструктирующих агентов были выбраны водные растворы соляной и азотной кислот.

Целлюлоза

кислота

г целлюлозы 1

Промывка

Диспергирование

С целью получить целлюлозный порошок требу- емо-го качества (степень полимеризации порошковой целлюлозы не более 250 и максимальный выход) при рациональных и экономичных режимах была проведена оптимизация условий гидролиза волокнистой целлюлозы. Опре- деление оптимальных условий гидролиза осуществляли с помощью математического пла- нирования эксперимента по трехфактор-ному плану Бокса. Входные параметры плана: температура х\ и продол- жительность х2 гидролиза, концентрация дест-руктирующего агента х3. Постоянными во всех точках эксперимента были: гидромодуль (15 :

1), условия промывки, сушки, размола и сортирования. Исходные данные для планирования экспериментов представлены в табл. 1.

В качестве выходных параметров выбраны: выход ув, степень полимеризации ус.п и белизна уб порошковой целлюлозы.

Таблица 1

Рис.1.

Принципиальная схема получения порошковой целлюлозы

Характеристики планов

Температура гидролиза ,гь °С

Продолжительность гидролиза х2, мин

Концентрация деструк-тирующего раствора х3, %

Гидролиз древесной вискозной целлюлозы соляной кислотой

Верхний уровень 120 120,0

Нижний уровень 60 15,0

Шаг варьирования 30 52,5

Основной уровень 90 68,0

Гидролиз хлопковой целлюлозы соляной кислотой Верхний уровень 98 120,0

Нижний уровень 70 30,0

Шаг варьирования 14 45,0

Основной уровень 84 75,0

Гидролиз хлопковой целлюлозы азотной кислотой

Верхний уровень Нижний уровень Шаг варьирования Основной уровень

98 70 14 84

120,0 30,0 45,0 75,0

10,40 0,70 4,85 5,55

7,00 2,00 2,50 4,50

10,00 4,00 3,00 7,00

Уравнения регрессии, связывающие выход ув и степень полимеризации ус.п с переменными факторами гидролитической деструкции вискозной (1), (2) и хлопковой (3), (4) целлюлозы соляной кислотой, а также хлопковой целлюлозы азотной кислотой (5), (6) имеют следующий вид:

Ув = 93,52 - 5,52x1 - 0,94x2 - 2,85хз - 0,64х:2 - 1,63х22 + 2,68хз2 -

- 2,04х1х2 - 2,19х1х3;

ус.п = 217,81 - 113,00x1 - 30,00x2 - 86,00хз + 29,69х12 + 24,69х22 +

+ 24,69х32 + 10,63х1х2 + 53,13х1х3;

Ув = 94,62 - 3,56x1 - 1,97x2 - 2,77x3 - 1,90х12 - 0,59х22 + 0,67х32 -

-1,47х1х2 - 0,90x1x3;

ус.п = 224,06 - 39,50x1 - 35,50x2 - 53,00x3 + 0^12 + 0^22 - 1^32 +

+ 20,63x1x2 + 11,88^;

Ув = 95,41 - 7,18x1 - 2,88x2 - 1,48x3 - 5,23xl2 + 0,79x22 + 0^32 -

- 2,34x1x2 - 1,27x1x3;

ус.п = 233,75 - 65,00x1 - 22,50x2 - 44,50x3 + 1,25xl2 - 1,25x22 - 1,25xз2 +

+ 10,00x1x2 + 32,50x1x3 .

На основании уравнений регрессии определены оптимальные технологические режимы получения порошковой целлюлозы (табл. 2).

Таблица 2

Целлюлоза, Температура Продолжительность Концентрация

деструктирующии гидролиза, гидролиза, деструктирующего

агент °С мин раствора, %

Вискозная, соляная кислота 85 110 4,5

Хлопковая, соляная кислота 80 105 2,8

», азотная кислота 85 85 5,0

Таблица 3

Значения показателей для целлюлозы

Показатели исходной порошковой, полученной по

гидролизом ТУ 9199-

Вискоз- Хлопко- с НС1 с HNO3 005-

ная вая Вискозная Хлопковая 12043303-96

Выход порошковой

целлюлозы, % от

исходной - - 94,0 96,4 96,1 -

Степень полимеризации 750 950 240 247 250 < 300

Белизна, % 88,2 88,0 87,4 87,5 87,9 -

Сорбционная способность,

мг 12/г целлюлозы 62,2 53,5 17,2 13,8 13,8 > 10

Водоудержание, % 59,2 31,5 60,1 38,1 37,8 > 30

Медное число, г/100 г

абс. сухой целлюлозы 1,18 0,16 2,42 2,58 2,94 -

Массовая доля в целлюлозе, %:

смол и жиров 0,30 Отсутств. 0,31 Отсутств. Отсутств. < 0,6

золы 0,12 0,12 0,11 0,13 0,12 < 0,6

карбонильных групп 0,06 0,01 0,41 0,26 0,28 -

карбоксильных групп 0,41 0,21 0,48 0,24 0,23 -

Нами получены соответствующие образцы порошковой целлюлозы. Данные табл. 3 свидетельствуют, что качественные показатели этих образцов соответствуют ТУ 9199-005-12043303-96 на целлюлозу микрокристаллическую порошковую для пищевой и медицинской промышленности.

Суспензию порошковой целлюлозы, полученную после гидролиза, предлагается перерабатывать по схеме, изображенной на рис. 2, согласно

Киста ОР-О

-и-1

Цем таза —— гидролиз —— Отжим — Рпз5обмние —-целлюлоза I

^ОР-1 0Р-1 | СР-2 I

Тапок 1 I

—- Отжим —Рпзшление —— Отжим -^промытая (1-я ступень) ^^ (1-я ступет) целмта

рующего раствора, осталь- рис. 2. Принципиальная схема промывки ное сбрасывается в сток. порошковой целлюлозы

Оборотный раствор после

второй ступени промывки (ОР-2) полностью поступает для разбавления на первой ступени промывки. Таким образом, разработанная схема промывки целлюлозного порошка позволяет уменьшить количество сточных вод и расход свежей кислоты для приготовления деструктирующе-го раствора.

Представленная схема была воспроизведена 10-кратно в лабораторных условиях при получении порошковой целлюлозы из хлопкового сырья с использованием азотной кислоты по оптимальному режиму.

Сточную воду после каждого цикла подвергали нейтрализации известковым молоком. В сточной воде до и после нейтрализации определяли показатели, характеризующие степень загрязненности: химическое потребление кислорода (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК5), перманганатную окисляемость (ПМК) и цветность. Результаты анализов сточных вод, сбрасываемых при промывке порошковой целлюлозы, приведены в табл. 4.

Наименьшие показатели ХПК, БПК5, ПМК, цветности получены для оборотного раствора первого цикла, так как в этом случае для промывки на первой ступени вместо ОР-2 использовали свежую воду. Проведенные нами исследования показали, что с увеличением числа циклов показатели, характеризующие степень загрязненности сточных вод, практически не изменяются. В результате нейтрализации сточных вод происходит снижение содержания трудноокисляемых компонентов (ХПК уменьшается на 25 ... 40 %) и перманганатной окисляемости (на 18 ... 34 %), одновременно содержание легкоокисляемых компонентов возрастает (БПК 5 увеличивается на 14 ... 29 %).

которой отработанный де-структирующий раствор (ОР-0) после отделения от порошка используется для последующего гидролиза. Часть оборотного раствора после первой ступени промывки (ОР-1) идет для приготовления деструкти-

Таблица 4

Порядковый Химическое потреб- Перманганатная Биохимическое потреб- Цветность,

номер ление кислорода окисляемость ление кислорода °ХКШ

цикла мг О2/л

1 270 20,2 23,8 14

240 13,4 33,2 13

2 330 43,5 50,4 19

300 37,1 51,6 19

3 300 43,5 50,0 24

290 37,0 56,8 24

4 390 39,7 52,4 28

300 34,9 61,6 28

5 390 35,8 50,0 33

300 29,8 62,0 30

6 390 33,8 51,2 33

300 31,2 60,4 33

7 390 33,1 50,4 33

290 30,8 60,4 30

8 390 32,6 51,2 33

270 30,6 64,2 33

9 390 32,0 54,4 35

270 28,8 64,4 33

10 390 30,7 54,4 37

240 26,6 65,2 36

Примечание. В числителе приведены данные для целлюлозы до нейтрализации, в знаменателе - после нее.

Таблица 5

Значения показателей целлюлозы

Показатели полученной в цикле по ТУ 9199-005-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12043303-96

Выход порошковой

целлюлозы, % от

исходной 95,5 96,6 95,3 95,4 96,1 95,6 95,9 95,8 96,2 95,4 -

Степень полимеризации 237 237 244 242 238 242 242 247 250 245 < 300

Сорбционная способность, мг12/г

целлюлозы 13,0 13,8 13,8 12,1 12,1 12,1 12,1 13,8 12,1 12,1 > 10

Водоудержание, % 36,7 35,9 35,7 36,6 36,4 39,5 38,6 37,9 38,2 37,5 >30

Насыпная плот-

ность, кг/м3 280 287 282 286 280 279 283 287 286 270 -

Белизна, % 87,9 87,8 87,7 87,9 87,2 86,9 87,0 87,0 86,9 87,0 -

рН водной вытяж-

ки 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,5 5,4 5,4 5,0...7,0

Исследовано влияние 10-кратного использования оборотного кислого раствора на качественные показатели порошковой целлюлозы. Как видно из табл. 5, увеличение числа циклов не оказывает влияния на выход порошковой целлюлозы, водоудержание, насыпную плотность. Такие показатели, как степень полимеризации, сорбционная способность и белизна при этом изменяются, но остаются на уровне требований норм ТУ 9199-005-12043303-96 «Целлюлоза микрокристаллическая порошковая».

Исследование сушки порошковой целлюлозы показало, что оптимальной является температура 90 ... 100 °С. Дальнейшее ее повышение приводит к значительному ухудшению свойств порошковой целлюлозы.

Таким образом, разработана технология получения порошковой целлюлозы для пищевой, медицинской и фармацевтической промышленности требуемого качества с высоким выходом.

Пермский государственный технический университет

Поступила 23.10.2000 г.

F.Kh. Khakimova, T.N. Kovtun, O.A. Noskova Producing Powder out of Cotton and Wood Pulp

The principal technological chart for producing pulp powder is provided, the conditions of pulp hydrolysis by hydrochloric and nitric acids are optimized, the washing and drying processes for pulp powder are investigated, its main physicochemical properties and waste water characteristics are determined.