СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО ПОЛУФАБРИКАТА
METHOD OF PRODUCING CELLULOSE INTERMEDIATE PRODUCT

Изобретение относится к области химической переработки древесины и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности для получения целлюлозного полуфабриката. Полученный таким образом полуфабрикат может быть использован как адсорбент для поглощения паров воды и других соединений, а также в качестве основы для синтеза химически модифицированных углеводных и лигноуглеводных материалов.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что измельченная лиственная древесина подвергается озонированию при температуре 20°C. Способ позволяет получить целлюлозный полуфабрикат с высоким содержанием целлюлозы и низким содержанием лигнина.
Для получения целлюлозного полуфабриката из лиственных пород древесины традиционно используют варочные процессы. Известен способ получения целлюлозного полуфабриката путем варки древесной щепы смесью 90%-ной уксусной кислоты и 30%-ной перекиси водорода в присутствии катализатора - серной кислоты [SU 821614, 15.04.81]. Недостатком данного способа являются низкий выход целевого продукта, его двухстадийность, значительный расход перекиси водорода и сернокислотного катализатора.
Наиболее близким к заявленному изобретению является одностадийный способ получения целлюлозного полуфабриката путем варки измельченной древесины осины в смеси 37% перекиси водорода и 30% уксусной кислоты, взятых в мольном отношении 0,3-0,5 при гидромодуле 10:1 и температуре 120-140°C в течение 2-5 часов в присутствии серной кислоты в количестве 1,5-2,5% от массы абсолютно сухой древесины [RU 2150538, 10.06.2000]. Недостатком данного способа является применение сернокислотного катализатора, поскольку он способствует деструкции углеводов древесины, что снижает содержание целлюлозы в целлюлозном полуфабрикате. Недостатком данного способа является также значительный расход реагентов (перекиси водорода и уксусной кислоты) и сернокислотного катализатора, что приводит к загрязнению сточных вод.
Известны патенты, касающиеся использования озона в качестве экологически чистого реагента в процессе отбелки лигноцеллюлозных материалов [US Patent 5164043, 17.11.1992]. В ряде стран озон используется в производстве бумаги в качестве одного из делигнифицирующих агентов на стадии отбелки целлюлозной массы [J.Rounsaville, R.G.Rice. Ozone Science & Engineering 18, 549 (1997)].
Задача, решаемая заявленным изобретением, заключается в создании экологически чистой технологии, позволяющей получать с высоким выходом целлюлозный полуфабрикат, характеризующийся высоким содержанием целлюлозы, низким содержанием в нем лигнина, а также позволяющий снизить удельный расход реагентов при его получении.
Поставленная задача решается путем озонирования древесины осины, находящейся в водной суспензии. Озонирование водной суспензии измельченной древесины осины проводят в проточном реакторе при концентрации озона в озоно-кислородной смеси 90 мг/л, скорости потока газа 2-4 л/час и температуре 20°C при гидромодуле от 0,1:1,0 до 1,6:1,0.
Существенным отличительным признаком заявленного технического решения является использование в качестве реагента озона. Озон является сильным окислителем, единственным продуктом превращения которого является кислород; озон характеризуется высокой реакционной способностью по отношению к ароматическим соединениям, что способствует селективному окислению лигнина древесины. Проведение процесса при различном гидромодуле позволяет его оптимизировать с точки зрения качества целлюлозного полуфабриката и удельного расхода реагента - озона и растворителя - воды. Использование на выходе из реактора каталитического патрона разложения озона [RU 2077946, 27.04.97] позволяет избежать выбросов непрореагировавшего озона в атмосферу и повысить экологическую безопасность проводимого процесса.
Сущность предлагаемого способа получения целлюлозного полуфабриката иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (Таблица 1). К 1 г абсолютно сухой измельченной древесины осины (размер частиц 0,315-0,63 мм) добавляют 0,1 г воды, помещают эту суспензию в проточный реактор и пропускают озоно-кислородную смесь с концентрацией озона 90 мг/л. Скорость потока газа 4 л/ч, температура 20°C. Озонирование проводят до тех пор, пока не прекратится поглощение озона. Выход целлюлозного полуфабриката - 82%, содержание целлюлозы - 60%, содержание остаточного лигнина - 21,3%.
Пример 2. Озонирование проводят при тех же условиях, что и в примере 1, но при гидромодуле 0,3:1,0. Выход целлюлозного полуфабриката - 62%. Содержание целлюлозы в нем - 67%, содержание остаточного лигнина - 4,8%.
Пример 3. Озонирование проводят при тех же условиях, что и в примерах 1-2, но при гидромодуле 0,6:1,0. Выход целлюлозного полуфабриката - 55%. Содержание целлюлозы в нем - 75%, содержание остаточного лигнина 3,5%.
Пример 4. Озонирование проводят при тех же условиях, что и в примерах 1-3, но при гидромодуле 1,0:1,0. Выход целлюлозного полуфабриката - 55%. Содержание целлюлозы в нем - 75%, содержание остаточного лигнина 3,1%.
Пример 5. Озонирование проводят при тех же условиях, что и в примерах 1-3, но при гидромодуле 1,6:1,0. Выход целлюлозного полуфабриката - 50%. Содержание целлюлозы в нем - 78%, содержание остаточного лигнина - 1,7%.
Примеры 6, 7 таблицы 2 показывают, что при скорости потока 2 л/ч с увеличением гидромодуля возрастает расход озона; при этом степень делигнификации увеличивается от 15,8% до 81%.
Примеры 8, 9 таблицы 2. При гидромодуле 0,6:1,0-1,0:1,0 расход озона 1,1-1,3 г озона на грамм абсолютно сухой древесины при степени делигнификации 86,2-87,7%.
Пример 10 таблицы 2. При гидромодуле 1,6:1,0 - степень делигнификации 93,3%, расход озона 3,0 г озона на грамм древесины.
Таким образом, при гидромодуле 0,1:1,0 - самый высокий выход целлюлозного полуфабриката, однако в нем высокое содержание лигнина (21,3%о) и низкое содержание целлюлозы. Увеличение гидромодуля выше значений 1,0:1,0 приводит к снижению выхода целлюлозного полуфабриката из-за частичной деструкции углеводов в древесине, что сопровождается значительным увеличением расхода озона.
Для получения целлюлозного полуфабриката с выходом 55% с высоким содержанием в нем целлюлозы (75%) и умеренным расходом озона озонирование древесины осины целесообразно проводить при гидромодуле 0,6:1,0-1,0:1,0. Степень делигнификации при этом составляет 86,2-87,7%.
Таблица 1
Влияние гидромодуля на выход целлюлозного полуфабриката
Концентрация озона в озоно-кислородной смеси 90 мг/л, скорость потока газа 4 л/час, температура 20°C.
Пример
Гидромодуль
Выход полуфабриката, %**
Содержание лигнина в полуфабрикате, %*
Содержание целлюлозы в полуфабрикате, %
1
0,1:1,0
82
21,3
60
2
0,3:1,0
62
4,8
67
3
0,6:1,0
55
3,5
75
4
1,0:1,0
55
3,1
75
5
1,6:1,0
50
1,7
78
* от массы абсолютно сухого полуфабриката
** от массы асд древесины
Таблица 2.
Влияние гидромодуля на расход озона и степень делигнификации целлюлозного полуфабриката
Пример
Гидромодуль
Расход озона г озона/г асд
Степень делигнификации, %
6
0,1:1,0
0.1
15,8
7
0,3:1,0
0.9
81,0
8
0,6:1,0
1.1
86,2
9
1,0:1,0
1.3
87,7
10
1,6:1,0
3.0
93,3
Концентрация озона в озоно-кислородной смеси 90 мг/л, скорость потока газа 2 л/час, температура 20°C.