способ получения высокооблагороженной целлюлозы

Формула изобретения

Способ получения высокооблагороженной целлюлозы, включающий водный или кислотный предгидролиз измельченного растительного сырья, делигнификацию древесного остатка, отбелку и щелочное облагораживание целлюлозы, отличающийся тем, что делигнификацию предгидролизованной древесины проводят путем катализируемой пероксидной варки и последующей щелочной экстракции окисленного лигнина при атмосферном давлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и предназначено для получения высокооблагороженной целлюлозы, используемой для производства химических волокон и пленок.

Известны способы получения целлюлозы, включающие варку измельченного растительного сырья с раствором пероксида водорода в присутствии многокомпонентного катализатора (смеси вольфрамовой кислоты или ее солей, молибденовой кислоты или ее солей и серной кислоты при соотношениях мольных долей компонентов в смеси соответственно 0,2...0,4; 0,2...0,4; 0,2...0,6) с последующей щелочной экстракцией или без нее. При этом не образуется токсичных и дурно пахнущих побочных продуктов варки, а геми-целлюлозы сохраняют высокую реакционную способность благодаря отсутствию реакций их стабилизации при варке (RU, №2206654, МКИ 7 D 21 С 3/04, 3/22, бюл. №17, 2003; RU, №2212483, МКИ 7 D 21 С 3/04, 3/22, бюл. №26, 2003).

Недостатками известных способов являются высокое содержание гемицеллюлоз и низкая массовая доля альфа-целлюлоз в получаемой пероксидной целлюлозе, что не позволяет получать высокооблагороженную целлюлозу и использовать ее в качестве сырья для химической переработки (для производства химических волокон и пленок).

Наиболее близким по технической сущности является способ получения высокооблагороженной древесной целлюлозы, включающий водный или кислотный предгидролиз, сульфатную варку, отбелку и щелочное облагораживание (Технология целлюлозы. В 3-х томах. Т.2 Непенин Ю.Н. Производство сульфатной целлюлозы. М.: Лесная пром-сть, 1990. – С 229).

Недостатком известного способа является применение сульфида натрия для делигнификации древесины при сульфатной варке, что приводит к образованию в ходе технологического процесса токсичных и дурно пахнущих веществ (сероводорода, метилмеркаптана, диметилсульфида и др.) и создает экологически неблагоприятную обстановку в окрестностях предприятия. Кроме того, в ходе сульфатной варки протекают реакции как деградации полисахаридов (peeling-процесс), так и их стабилилизации (stopping-процесс). Оба эти процесса приводят к накоплению в целлюлозе низкомолекулярных фракций полисахаридов, устойчивых к действию щелочи. В результате не реализуются в полной мере возможности удаления гемицеллюлоз (особенно пентазаной) при последующем щелочном облагораживании целлюлозы.

Изобретение решает задачу получения высокооблагороженной целлюлозы без образования серосодержащих продуктов, улучшение экологичности процесса и снижение энергетических затрат.

Для решения этой задачи измельченную древесину подвергают водному или кислотному предгидролизу, древесный остаток делигнифицируют водным раствором пероксида водорода в присутствии катализатора с последующей щелочной экстракцией, полученную целлюлозу отбеливают и облагораживают щелочным способом.

Технический результат при использовании изобретения заключается в получении высококачественной целлюлозы, максимально полном удалении гемицеллюлоз (в том числе пентозанов), улучшении технологических параметров производства - снижение температуры варки и давления, улучшении экологичности процесса - отсутствие вредных выбросов токсичных и дурно пахнущих веществ при сохранении высокого качества получаемой целлюлозы, снижение энергетических затрат.

Для достижения указанного технического результата в способе получения высокооблагороженной целлюлозы, включающем кислотный или водный предгидролиз измельченной древесины, делигнификацию древесного остатка, отбелку и щелочное облагораживание целлюлозы, согласно изобретению делигнификацию древесного остатка проводят путем катализируемой пероксидной варки с последующей щелочной экстракцией окисленного лигнина при атмосферном давлении и температуре ниже 100°С.

Предложенный способ получения высокооблагороженной целлюлозы отличается от прототипа тем, что делигнификацию предгидролизованной древесины проводят пероксидом водорода в присутствии катализатора с последующей щелочной экстракцией окисленного лигнина. Эти особенности лежат в основе заявляемого способа.

Способ получения высокооблагороженной целлюлозы осуществляется следующим образом.

Измельченное растительное сырье подвергают водному предгидролизу при температуре 160-170°С или кислотному предгидролизу при температуре 110-120°С и варке с раствором пероксида водорода в присутствии катализатора, например многокомпонентного смешанного катализатора - вольфрамовой кислоты или ее солей (мольная доля в смешанном катализаторе 0,2...0,4), молибденовой кислоты или ее солей (мольная доля 0,2...0,4) и серной кислоты (мольная доля 0,2...0,6), при температуре 70...95°С. Твердый остаток промывают водой и обрабатывают раствором щелочи при температуре 60-97°С и атмосферном давлении для удаления продуктов окисления. Полученную целлюлозу отбеливают и облагораживают по общепринятым схемам и технологическим режимам.

Пример 1.

Для проведения водного предгидролиза древесину ели (100 г) в виде стружки и 500 г воды загружают в автоклав, быстро нагревают до 160°С и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. Древесный остаток (выход 84 г) промывают водой, переносят в стеклянную колбу и обрабатывают раствором пероксида водорода с катализатором. Условия обработки: гидромодуль 4; начальная концентрация пероксида водорода 17%; суммарная концентрация комплексного катализатора 0,010 моль/дм³ (в том числе серной кислоты 0,0034 моль/дм³, вольфрамата натрия 0,0033 моль/дм ³, молибдата натрия 0,0033 моль/дм³); температура 87°С; давление атмосферное; продолжительность процесса 2,5 ч. Твердый остаток промывают водой и обрабатывают в стеклянной колбе раствором гидроксида натрия при следующих условиях: гидромодуль 4; начальная концентрация NaOH 4%; температура 97°С; давление атмосферное; продолжительность 2,5 ч. Полученную целлюлозу освобождают от остатков лигнина обработкой раствором гипохлорита натрия при температуре 23°С в течение 1 ч (расход активного хлора корректируют в зависимости от содержания лигнина) и проводят холодное щелочное облагораживание. Условия облагораживания: концентрация волокнистой суспензии 5%, концентрация гидроксида натрия 9%, температура 15°С, продолжительность процесса 3 ч. По окончании процесса целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 32 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Пример 2.

Для проведения кислотного предгидролиза 100 г древесины ели в виде стружки и 500 г серной кислоты концентрацией 0,3% загружают в автоклав, быстро нагревают до температуры 115°С и выдерживают при этой температуре в течение 2,5 ч. Древесный остаток (выход 82 г) промывают водой, переносят в стеклянную колбу и проводят катализируемую пероксидную варку, щелочную экстракцию, отбелку и облагораживание аналогично примеру 1. Целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 31,0 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Пример 3. По способу прототипу с использованием водного предгидролиза.

Для проведения водного предгидролиза древесину ели (100 г) в виде стружки и 500 г воды загружают в автоклав, быстро нагревают до 160°С и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. Древесный остаток (выход 84 г) промывают водой и делигнифицируют изотермической сульфатной варкой в автоклаве при условиях: гидромодуль 4,5; концентрация NaOH 50 г/дм³; концентрация Na ₂S г/дм³; температура 170°С; давление 0,9 МПа; продолжительность процесса 2 ч. Отбелку и облагораживание проводят аналогично примеру 1. Целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 29,9 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Пример 4. По способу-прототипу с использованием кислотного предгидролиза.

Для проведения кислотного предгидролиза 100 г древесины ели в виде стружки и 500 г серной кислоты концентрацией 0,3% загружают в автоклав, быстро нагревают до температуры 115°С и выдерживают при этой температуре в течение 2,5 ч. Древесный остаток (выход 82 г) промывают водой и проводят сульфатную варку, отбелку и облагораживание, как в примере 3. Целлюлозу промывают дистиллированной водой, высушивают на воздухе при комнатной температуре и анализируют стандартными методами. Выход облагороженной целлюлозы 30,5 г. Результаты анализов приведены в таблице.

Таблица
Свойства облагороженной целлюлозы	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4
Массовая доля альфа-целлюлозы, %	97,5	97,6	97,2	97,4
Массовая доля пентозанов, %	2,1	2,0	2,5	2,2
Средняя степень полимеризации	780	820	910	890
Реакционная способность, % CS 2/NaOH	110/12	110/12	110/12	110/12

Как видно из данных таблицы, заявленный способ имеет следующие преимущества перед известными:

- ниже температура и давление при проведении делигнифицирующей стадии процесса (щелочной экстракции);

- меньше массовая доля пентозанов в целлюлозе при сопоставимых прочих показателях свойств, что является предпосылкой для лучшей перерабатываемости целлюлозы по вискозному способу;

- в технологическом процессе получения целлюлозы не используются соединения серы, что является предпосылкой для снижения техногенной нагрузки на природную среду и для улучшения качества жизни.

Указанные преимущества предлагаемого способа получения облагороженной целлюлозы достигаются за счет замены сульфатного метода делигнификации на катализируемый пероксидный метод делигнификации.