Влияние сульфидности белого щелока на выход и свойства лиственной сульфатной целлюлозы

УДК 676.16

Ю.В. Севастьянова, Л.А. Миловидова, Г.В. Комарова, Т.А. Королева

Миловидова Любовь Анатольевна родилась в 1946 г., окончила в 1970 г. Архангельский лесотехнический институт, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии ЦБП Архангельского государственного технического университета. Имеет более 60 научных трудов в области производства беленых волокнистых полуфабрикатов.

Комарова Галина Владимировна родилась в 1947 г., окончила в 1970 г. Ленинградскую лесотехническую академию, кандидат химических наук, доцент кафедры технологии ЦБП Архангельского государственного технического университета. Имеет более 60 научных трудов в области производства беленой целлюлозы.

Королева Татьяна Алексеевна родилась в 1974 г., окончила в 1996 г. Архангельский государственный технический университет, кандидат технических наук, ассистент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства АГТУ. Имеет 16 печатных работ в области исследования процессов отбелки целлюлозы.

ВЛИЯНИЕ СУЛЬФИДНОСТИ БЕЛОГО ЩЕЛОКА НА ВЫХОД И СВОЙСТВА ЛИСТВЕННОЙ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Приведены данные о выходе, свойствах и белимости целлюлозы, полученной при различной сульфидности щелока.

Ключевые слова: лиственная сульфатная целлюлоза, сульфидность белого щелока, остаточный лигнин, группы гексенуроновой кислоты, способность к отбелке.

Одним из основных факторов сульфатной варки, влияющих на скорость делигнификации древесины, выход и свойства целлюлозы, является сульфидность варочного щелока. Присутствие сульфида в варочном щелоке облегчает делигнификацию, ускоряя переход лигнина в раствор, в то время как скорость растворения углеводной части древесины практически не изменяется. В результате этого продолжительность варки до определенной степени провара сокращается, выход увеличивается, а свойства целлюлозы улучшаются.

Установлено, что при варке еловой щепы увеличение сульфидности от 0 до 16 % ускоряет процесс равноценно повышению температуры варки на 7 ... 8 °С в интервале от 150 до 170 °С. Полученная в этих условиях целлюлоза содержит в 1,5 раза меньше лигнина, чем полученная при температуре более 170 °С (при одинаковом выходе). Дальнейшее повышение сульфидности до 31 % не приводит к ускорению варки и улучшению де-лигнификации в этом интервале температур. При повышении температуры варки еловой щепы до 175 °С и сульфидности до 33 % была получена целлюлоза с максимальным выходом, которая имела светло-коричневую окраску и высокие показатели механической прочности. Дальнейшее повышение сульфидности до 40 % не сопровождалось снижением механической прочности волокна, но целлюлоза приобретала более темный цвет [2].

В результате других исследований [2] было установлено, что благоприятное влияние сульфидности в отношении ускорения делигнификации и повышения содержания ос-целлюлозы в процессе варки хвойной древесины наблюдается при увеличении сульфидности от 0 до 20 %.

При варке березовой древесины растворение остаточного лигнина также улучшается с ростом сульфидности белого щелока [1]. Результаты исследования варки осиновой древесины показали, что увеличение суль-фидности щелока от 10 до 30 % вызывает повышение степени провара (снижение числа Каппа с 17 до 12 ед.) и механической прочности целлюлозы. В то же время увеличение сульфидности усиливает корродирующее действие щелока и дурной запах вследствие выделения большого количества летучих метилсернистых соединений.

Оптимальной сульфидностью при варке лиственной древесины считается интервал 15 ... 20 %, а для - хвойной 25 ... 35 % [1]. Возможность снижения сульфидности белого щелока при варке лиственной древесины объясняется особенностями химического строения лигнина и его более низкой молекулярной массой. Однако исследования по влиянию сульфидности белого щелока на качество лиственной целлюлозы ограничивались собственно процессом варки и оценкой показателей небеленой целлюлозы.

Цель нашего исследования - изучить влияние сульфидности белого щелока на химический состав небеленой лиственной сульфатной целлюлозы, ее белимость и расход химикатов при отбелке.

Для этого были проведены варки щепы (соотношение березовой и осиновой древесины 1:1) по следующему режиму: гидромодуль - 4, температура - 165 °С, расход щелочи - 18 и 21 % (в ед. Na2O), продолжительность подъема температуры от 70 до 160 °С - 120 мин, продолжительность стоянки на конечной температуре - 60 и 90 мин, сульфидность белого щелока - 15 ... 35 % (табл. 1).

При варках с низкой начальной концентрацией активной щелочи (45,0 г/л) повышение сульфидности до 37 % приводит к увеличению числа Каппа и снижению выхода сортированной целлюлозы, что свидетельствует о замедлении варки. При более высокой концентрации активной щелочи

(52,5 г/л) увеличение сульфидности в меньшей степени влияет на скорость варки. Минимальное значение числа Каппа в этой серии варок было достигнуто при сульфидности 20 %, при дальнейшем увеличении этого показателя можно отметить некоторое замедление процесса делигнифика-ции. В полученных пробах непровар отсутствовал.

Проведенный химический анализ полученной целлюлозы (табл. 2) показал, что изменение сульфидности от 15 до 35 % не повлияло на содержание экстрактивных веществ, как и повышение концентрации активной щелочи. Некоторый рост содержания экстрактивных веществ можно отметить только для варки с низкой концентрацией активной щелочи (45,0 г/л) при сульфидности 35 %. В то же время при повышении сульфидности от 15 до 20 ... 25 %, содержание групп гексенуроновой кислоты

Таблица 1

Результаты варок щепы при различной сульфидности белого щелока

Расход щелочи Сульфид- Показатели целлюлозы Концентрация

(начальная ность Выход, % Число остаточной

концентрация акт. щелока, общий сортированной Каппа, активной

щелочи), % (г/л) % целлюлозы ед щелочи, г/л

18(45,0) 17 50,3 50,3 18,7 12,3

20 53,0 52,5 17,4 17,0

25 53,3 52,2 17,2 14,0

30 49,3 49,3 17,2 16,0

37 52,0 50,9 21,0 10,6

21(52,5) 15 50,5 50,3 15,4 18,2

20 51,0 51,0 14,8 13,3

25 51,3 50,4 15,8 16,6

30 52,5 52,5 16,8 17,9

35 51,8 51,8 16,3 17,0

Таблица 2

Результаты химического анализа образцов целлюлозы, полученных при различной сульфидности белого щелока

Расход щелочи Сульфид- Число Содержание в целлюлозе

(начальная ность Каппа, экстрактивных групп НехА, остаточного

концентрация акт. щелока, ед. веществ, ммоль/г лигнина,

щелочи), % (г/л) % % %

18(45,0) 15 18,7 1,00 29,70 2,09

20 17,2 1,09 25,90 1,63

25 14,0 1,04 27,51 1,85

30 16,5 1,09 18,00 1,83

35 22,0 1,53 44,70 2,22

21(52,5) 15 15,4 0,94 32,40 1,53

20 15,0 1,06 30,25 1,72

25 17,0 1,00 20,35 1,79

30 17,4 1,04 24,90 1,86

Таблица 3

Влияние сульфидности белого щелока на показатели лиственной небеленой сульфатной целлюлозы

Суль-фидность щелока, % Показатели целлюлозы Концентрация остаточной активной щелочи, г/л

Выход, % Число Каппа, ед. Содержание Вязкость, мл/г

общий сортированной целлюлозы экстрактивных веществ, % групп НехА, ммоль/г остаточного лигнина, %

15 52,2 52,1 12,6 0,92 25,9 1,45 950 20,8

20 52,7 52,7 12,2 0,90 25,9 1,19 980 16,0

25 52,9 52,9 10,9 0,93 22,0 1,03 980 17,6

30 53,8 53,6 11,8 0,94 18,1 1,18 1020 18,6

35 53,9 53,9 11,3 1,29 10,9 1,22 950 19,2

(НехА) снижается. Дальнейший рост сульфидности приводит к увеличению содержания групп НехА, по-видимому, вследствие снижения концентрации эффективной щелочи. Влияние сульфидности на содержание лигнина также в большей степени проявляется при пониженной концентрации активной щелочи.

Дополнительно были проведены варки лиственной щепы с белым щелоком различной сульфидности по тому же температурному графику, но с более низким гидромодулем 3 (табл. 3). Концентрация активной щелочи составляла 56,6 г/л, расход Ка20 - 17 %, температура варки была снижена до 160 °С в соответствии с ранее полученными нами результатами.

В этой серии варок были получены более мягкие образцы целлюлозы (число Каппа 10,0 ... 12,5 ед.). Как следует из представленных данных, повышение сульфидности белого щелока от 15 до 25 % приводит к ускорению делигнификации, что проявляется в снижении числа Каппа. Дальнейшее повышение сульфидности привело к некоторому повышению числа Каппа, но общий уровень значений этого показателя для всего интервала сульфидности был близким. Также незначительно изменялось содержание лигнина и экстрактивных веществ. В этой серии опытов с увеличением сульфидности белого щелока во всем исследованном интервале наблюдалось снижение содержания групп НехА, что обусловлено более высокой концентрацией как активной, так и эффективной щелочи. Рост сульфидно-сти белого щелока также приводит к повышению выхода и вязкости целлюлозы, скорее всего, в результате замедления реакции пилинга.

В ходе дальнейших исследований проведена отбелка образцов целлюлозы, полученных при варке с различной сульфидностью белого щелока и температуре 165 °С (расход активной щелочи - 21 %, гидромодуль - 4), по схеме Д0ЩДЩД с расходом активного хлора 3 кг на ед. Каппа, фактор Каппа на ступени Д0 - 0,17 (табл. 4). Повышение сульфидности более 25 % оказало отрицательное влияние на белимость лиственной сульфатной целлюло-

зы. В то же время в рассмотренном интервале сульфидности проявилось положительное влияние исследуемого показателя на вязкость целлюлозы.

При отбелке образцов целлюлозы, полученных при варке с гидромодулем 3 (табл. 5), отрицательное влияние повышения сульфидности проявилось в значительно меньшей степени, хотя также можно отметить

Таблица 4

Результаты отбелки образцов целлюлозы, полученной при варке с различной сульфидностью белого щелока

Сульфидность Продолжительность Число Белизна Вязкость

щелока, стоянки, Каппа, целлюлозы, беленой

% мин ед. % целлюлозы, мл/г

15 60 17,3 89,2 920

90 16,6 88,8 900

20 60 15,3 90,4 890

90 14,8 89,9 890

25 60 16,8 88,3 870

90 14,0 87,0 900

35 60 17,1 86,6 1030

90 16,3 85,8 910

Таблица 5

Влияние сульфидности белого щелока на белимость лиственной сульфатной целлюлозы

Сульфидность Число Каппа, Показатели беленой целлюлозы

щелока, % ед. Белизна, % Вязкость, мл/г

15,0 12,6 86,9 770

20,0 12,2 86,5 840

25,0 10,9 86,8 810

30,0 11,8 86,4 880

35,0 11,3 86,4 850

тенденцию к снижению белизны и повышению вязкости беленой целлюлозы при увеличении сульфидности.

Выводы

1. Увеличение сульфидности белого щелока от 15 до 35 % при варке лиственной целлюлозы приводит к замедлению варки тем в большей степени, чем ниже концентрация активной щелочи, что проявляется в повышении числа Каппа и содержания остаточного лигнина в целлюлозе; при постоянных расходе и начальной концентрации активной щелочи снижается бели-мость лиственной целлюлозы.

2. Увеличение сульфидности от 15 до 20 . 25 % снижает содержание групп гексенуроновой кислоты тем в большей степени, чем выше концентрация активной, а следовательно, и эффективной щелочи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бобров А.И. Производство волокнистых полуфабрикатов из лиственной древесины / А.И. Бобров [и др.]. - М.: Лесн. пром-ть, 1984. - 248 с.

2. Лендьел П. Химия и технология целлюлозного производства / П. Лендь-ел, Ш. Морваи. - М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 542 с.

Архангельский государственный технический университет

Поступила 29.10.04

Yu. V. Sevastjyanova, L.A. Milovidova, G. V. Komarova, T.A. Koroleva Influence of White Liquor Sulfidity on Yield and Properties of Hardwood Sulphate Pulp

The data regarding yield, properties and brightness of pulp produced at different liquor sulfidity are provided.