СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
METHOD OF PRODUCING CELLULOSE

Изобретение относится к переработке древесных отходов, в частности к способу получения целлюлозного продукта, который может быть использован в целлюлозо-бумажной и химико-фармацевтической отраслях промышленности как сорбент и фильтрационный материал, а также как сырье для получения биотоплив.
Известен способ получения целлюлозного полуфабриката путем предварительной обработки древесной щепы смесью 80%-ной муравьиной кислоты и концентрированной серной кислоты при 95°С и последующей варки обработанной щепы в смеси 80% масс. муравьиной кислоты и 30% масс. пероксида водорода в присутствии катализатора - концентрированной серной кислоты, при температуре 90°С в течение 2 ч [SU 821614, опубл. 15.04.1981].
Недостатками данного способа являются: использование концентрированной муравьиной кислоты (80% масс.) и коррозийно-активной концентрированной серной кислоты.
Известен способ получения целлюлозного продукта, где в качестве растворителя, использовали водную муравьиную кислоту концентрацией 60-99% масс. Продолжительность варки, в зависимости от вида используемого целлюлозосодержащего материала, от 30 до 120 минут. Вводимое заданное количество пероксида водорода составляло 1-3% масс. в пересчете на общую массу целлюлозосодержащего материала и растворителя. Соотношение между жидкостью и исходным материалом изменялось в диапазоне от 20:1 до 25:1. Для повышения степени белизны и одновременно снижения числа Каппа дополнительно подавали в растворитель воздух, кислород, озон или же смесь из этих газов [RU 2139965, опубл. 20.10.1999].
Недостатком данного способа является его технологическая сложность: необходимость специального автоклавного оборудования и использование значительного количества варочных реагентов.
Известен способ одноступенчатого получения волокнистой массы из лигноцеллюлозного сырья с высокой степенью белизны, включающий варку березовой стружки в 82% масс. муравьиной кислоте при температуре 120°С в течение 116 мин, промывку 82% масс. муравьиной кислотой с добавлением 0,5% масс. пероксида водорода и отбелку пероксидом водорода (4,3% масс.) в щелочной среде при температуре 105-115°С и давлении 4,5 бар в течение 60-90 мин [US 6156156, опубл. 05.12.2000].
Способ технологически сложен, требуется наличие автоклава и повышенной температуры процесса. К недостаткам способа следует также отнести использование концентрированной муравьиной кислоты.
Известен способ получения целлюлозного полуфабриката путем варки древесных опилок в смеси, состоящей из уксусной кислоты, пероксида водорода, воды и катализатора диоксида титана. Смесь подвергали УФ-активации в течение 5-20 мин. Гидромодуль процесса 7,5-15, температура 110-140°С, продолжительность 2-3 ч. Варку осуществляли под давлением в автоклаве из нержавеющей стали [RU 2217536, опубл. 27.11.2003].
Недостатками данного способа являются: использование специального автоклавного оборудования, высокая температура процесса, затраты на предварительную УФ-активацию.
Наиболее близким по технологической сущности и назначению к предлагаемому способу является способ получения целлюлозного продукта, описанный в патенте ЕР 0250422, опубл. 13.06.1990. Березовую стружку измельчали в волокна в варочном растворе, содержащем 90% масс. муравьиную кислоту и пероксид водорода с концентрацией 10-50% масс. при температуре 70-100°С в течение 1-5 часов. Соотношение раствор: древесина составляло 4:1-8:1. Для разделения волокон пульпу интенсивно перемешивали в блендере в течение 3 сек. Щелочную обработку (отбелку) волокнистого продукта проводили раствором гидроксида натрия концентрацией 5-8% масс. с добавлением пероксида водорода в количестве 3-16,3% масс. при температуре 80°С в течение 1-3,5 ч. Выход целлюлозы составил 43,2-43,9% масс. Качественные характеристики целлюлозного продукта не представлены.
Недостатками этого способа являются: применение концентрированных растворов муравьиной кислоты, использование значительного количества пероксида водорода и невысокий выход целевого продукта - целлюлозы (43,2-43,9% масс.).
Задача настоящего изобретения состоит в повышении экономичности и экологичности способа при сохранении высокого выхода и качества целевого продукта.
Технический результат изобретения:
- повышение экономичности способа за счет снижения продолжительности процесса и расхода реагентов;
- улучшение экологичности процесса за счет снижения концентрации агрессивных реагентов: муравьиной кислоты, пероксида водорода и гидроксида натрия;
- повышение выхода целлюлозного продукта за счет использования нетоксичного твердого катализатора - диоксида титана;
- улучшение качества получаемого целевого продукта (высокое содержание целлюлозы при низком содержании лигнина).
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе получения целлюлозы путем варки щепы березы в растворе, содержащем муравьиную кислоту и пероксид водорода, при гидромодуле 6, температуре 80-90°С в течение 2 часов и отбелки целлюлозного полуфабриката пероксидом водорода в щелочной среде с гидромодулем 8 при нагревании в течение 1-2 часов с последующим выделением целевого продукта, согласно изобретению на стадии варки древесины используют катализатор диоксид титана в количестве 1,0% от массы абсолютно сухой древесины при интенсивном перемешивании в растворе, содержащем 15,0% масс. муравьиной кислоты и 1,0-3,0% масс. пероксида водорода, а отбелку осуществляют при интенсивном перемешивании раствором, содержащим 2,0-4,0% масс. гидроксида натрия и 1,0-2,0% масс. пероксида водорода, при температуре 90°С.
Сравнительный анализ признаков прототипа и предлагаемого изобретения показал, что общими признаками являются: проведение варки при температуре 80-90°С (в прототипе - 70-100°С) при атмосферном давлении в течение 2 ч (в прототипе 1-5 ч) и щелочная обработка (отбелка) в течение 1-2 ч (в прототипе 1-3,5 ч), с последующим выделением целлюлозного продукта.
В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении используют экологически безопасный и легко отделяемый от продукта катализатор диоксид титана. В отличие от прототипа варочный раствор содержит меньшее количество муравьиной кислоты (15% масс.), в прототипе - 90% масс. и пероксида водорода (1-3% масс.), в прототипе - 10-50% масс. Отличительным признаком также является снижение концентрации, в отбеливающем растворе гидроксида натрия (2-4% масс.), в прототипе - 5-8% масс. и пероксида водорода (1-2% масс.), в прототипе - 3-16,3% масс. Температура на этапе щелочной обработки (отбелки) 90°С (в прототипе 80°С). В предлагаемом изобретении как на этапе варки, так и на этапе отбелки применяется интенсивное перемешивание (500-800 об/мин).
Благодаря использованию твердого катализатора диоксида титана и низким концентрациям муравьиной кислоты, пероксида водорода и гидроксида натрия значительно снижена деструкция углеводов древесины, улучшено качество получаемого целлюлозного продукта за счет повышения содержания в нем целлюлозы (до 94,9% масс.) и снижения содержания лигнина (до 0,5% масс.), улучшена экологическая чистота процесса. Кроме того, применение интенсивного перемешивания позволило сократить продолжительность стадий варки и отбеливания целлюлозного полуфабриката.
Предлагаемый способ подтверждается конкретными примерами.
Пример 1. В стеклянный реактор объемом 250 мл, снабженный механической мешалкой (800 об/мин), холодильником и термометром заливают реакционный раствор, содержащий 15% масс. муравьиной кислоты и 3% масс. пероксида водорода, затем вносят катализатор диоксид титана в количестве 1,0% от массы абсолютно сухой древесины и перемешивают до образования суспензии, после этого в реактор загружают 10 г воздушно-сухой щепы березы с размером частиц 2-5 мм. Гидромодуль процесса составляет 6. Реактор помещают в жидкостной термостат и проводят варку древесины при температуре 90°С в течение 2 ч. Полученный волокнистый продукт отделяют от варочного раствора декантацией, промывают 2-кратным объемом горячей дистиллированной воды. Промывочный раствор сливают, а к целлюлозному полуфабрикату приливают раствор с гидромодулем 8, содержащий гидроксида натрия 4% масс. и пероксида водорода - 1% масс. для удаления остаточного лигнина. Процесс проводят при температуре 90°С в течение 2 часов при перемешивании реакционного раствора со скоростью 500 об/мин. Полученный целевой продукт отделяют от растворимых продуктов, промывают дистиллированной водой на воронке Бюхнера под вакуумом с использованием водоструйного насоса до нейтральной реакции среды сушат при температуре 103°С до постоянного веса. Выход целевого продукта составляет 52,5% масс., содержание целлюлозы в продукте 94,9% масс., гемицеллюлоз 4,2% масс., лигнина 0,5% масс. (см. таблицу).
Пример 2. Варку проводят в тех же условиях, что и в примере 1, но при содержании пероксида водорода в варочном растворе в количестве 1% масс. гидромодуле 10 и температуре 80°С. На этапе отбелки содержание пероксида водорода 2% масс. а продолжительность процесса 1 ч. Выход целевого продукта составляет 52,2% масс., содержание целлюлозы в продукте 93,7% масс., гемицеллюлоз 5,1% масс., лигнина 0,6% масс.
Пример 3. Варку проводят в тех же условиях, как и в примере 1, но на этапе отбеливания волокнистой массы используют гидроксид натрия с концентрацией 2% масс. и продолжительность процесса 1 час. Выход целевого продукта составляет 55,3% масс., содержание целлюлозы в продукте 91,8% масс., гемицеллюлоз 6,8% масс., лигнина 1,0% масс.
Пример 4. Варку проводят в тех же условиях, как и в примере 3, но на этапе отбеливания волокнистой массы продолжительность процесса 2 часа. Выход целевого продукта составляет 55,4% масс., содержание целлюлозы в продукте 92,3% масс., гемицеллюлоз 6,5% масс., лигнина 0,6% масс.
Таким образом, предложен простой и экологически безопасный способ получения целлюлозы из древесины. В предлагаемом изобретении, по сравнению с прототипом, за счет применения нетоксичного твердого катализатора - диоксида титана - повышается выход и улучшается качество целлюлозного продукта, а также повышается экологическая безопасность процесса его получения и увеличивается срок службы оборудования в результате снижения концентрации коррозийно-активных делигнифицирующих реагентов.