Способ получения целлюлозы

Способ получения целлюлозы

Реферат

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства, может быть использовано при получении волокнистых полуфабрикатов из однолетних растений, в частности из соломы риса.

Широко известен способ получения целлюлозы из однолетних растений путем щелочной варки в водном растворе едкого натра и сульфида натрия при температуре 150...160°С под давлением в одну стадию [Ю.Н.Непенин. Технология целлюлозы. Т.2. М.: Лесная промышленность, 1990 г.].

Известен также способ получения целлюлозного материала, согласно которому процесс варки ведут путем щелочной обработки измельченного растительного сырья при повышенной температуре в две стадии при разных рН [Пазухина Г.А. Ступенчатые методы производства целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1990, 216 с.].

Наиболее близким к предлагаемому является двухстадийный способ получения целлюлозы путем щелочной варки исходного сырья в растворе едкого натра при нагревании с предварительным предгидролизом исходного сырья, при этом предгидролиз ведут разбавленной минеральной кислотой или варкой водой [Ю.Н.Непенин. Технология целлюлозы. Т.2. М.: Лесная промышленность, 1990 г., с.229], при этом в качестве исходного сырья используется тростник, а обработку ведут серной кислотой [Ю.Н.Непенин. Технология целлюлозы. Т.3. М.: Лесная промышленность, 1990 г., с.444].

Известные процессы не позволяют перерабатывать целлюлозосодержащее сырье с высоким содержанием минеральных компонентов (SiO₂). Это связано с тем, что в процессе варки SiO₂ переходит в раствор в виде малорастворимых силикатов по реакции (1), что приводит к существенному снижению выхода и качества продукта (ухудшение удаления лигнина), а также к возникновению силикатных отложений на поверхностях технологического оборудования по реакции (2).

Кроме того, при реализации известного способа происходит удаление гемицеллюлоз, а попутное уменьшение силикатной зольности обусловлено разрушением покрывной ткани. Это приводит к тому, что получаемая целлюлоза пригодна только для химобработки.

Задачей изобретения является улучшение качества получаемого целлюлозного материала при одновременном повышении выхода целевого продукта.

Поставленная задача решается тем, что процесс получения целлюлозы ведут путем щелочной варки целлюлозосодержащего сырья при повышенной температуре, при этом в качестве целлюлозосодержащего сырья используют рисовую солому, предварительно подвергнутую обескремниванию путем обработки раствором NaOH концентрации 20-60 г/л при температуре не менее 70°С и продолжительности не менее 20 мин в присутствии антрахинона, с последующим отделением целлюлозосодержащего сырья от щелочного раствора. Антрахинон вводят в количестве не менее 0,01% от массы а.с. целлюлозосодержащего сырья.

Щелочную варку целлюлозосодержащего сырья ведут известным способом в растворе NaOH при расходе 8-14% от а.с. целлюлозосодержащего сырья в течение не менее 60 мин.

Заявляемый способ позволяет повысить выход целевого продукта, снизить расход химикатов на варку за счет удаления кремнийсодержащих соединений на стадии щелочной обработки растительного сырья. Заявляемый прием обработки целлюлозосодержащего сырья обеспечивает обескремнивание только лишь посредством протекания процесса экстракции, но не разрушения оболочек и гемицеллюлоз. Реализуемый механизм обработки исходного сырья позволяет улучшить качество целевого продукта за счет сохранения гемицеллюлозного комплекса, а также частичного удаления лигнина.

Заявленный способ иллюстрируется примерами.

Удаление кремнийсодержащих соединений из исходного сырья без катализатора

Рисовую солому (содержание SiO₂ 11,5%) обрабатывали щелочью концентрацией 10...60 г/л при 50...100°С в течение 20...120 мин, гидромодуль 10:1 (примеры 1-24).

Содержание SiO₂ в сырье после обработки определяли по стандартной методике гравиметрическим методом по ГОСТ 9428. Реактивы: кремний (IV) оксид. Полученные результаты представлены в табл.1.

Из данных, представленных в таблице 1, видно, что существенными условиями, при которых происходит удаление диоксида кремния из рисовой соломы (более 90%), являются содержание щелочи 20...60 г/л, температура не менее 70°С, продолжительность не менее 20 мин (пример 13, 14, 16, 17, 19, 21, 23, 24).

Специалистам широко известно, что при щелочной обработке растительного сырья значительной деструкции подвергаются гемицеллюлозы, разрушение которых приводит к значительному снижению выхода технической целлюлозы [Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т.2. М.: Лесная промышленность, 1990 г.]. Если в качестве растительного сырья используют рисовую солому, содержащую до 35% гемицеллюлоз, то процент потерь при их деструкции может достигать более половины их содержания. Для снижения потерь гемицеллюлоз от их деструкции в процессе щелочной обработки в процесс введен катализатор - антрахинон. Для установленных оптимальных режимов удаления диоксида кремния (пример 13, 14, 16, 17, 19, 21, 23, 24) проведены щелочные обработки в присутствии антрахинона.

Таблица 1
Влияние условий обработки на содержание SiO2 в рисовой соломе
№ примера	Концентрация NaOH, г/л	Продолжительность, мин	Температура, °С	Извлечение SiO2 из сырья, %
1.	10	20	50	20
2.	20	35
3.	40	40
4.	60	50
5.	10	20	70	35
6.	20	40
7.	40	45
8.	60	75
9.	10	20	90	40
10.	20	45
11.	40	58
12.	60	85
13.	40	100	95
14.	60	98
15.	20	30	70	85
16.	40	95
17.	60	98
18.	20	60	90	85
19.	40	>99
20.	20	60	100	85
21.	40	>99
22.	20	120	90	85
23.	40	>99
24.	60	>99

Удаление кремнийсодержащих соединений из исходного сырья при оптимальных условиях (удаление более 95%) в присутствии антрахинона

Рисовую солому (содержание SiO₂ 11,5%, лигнина 22,3% от а.с. сырья, гемицеллюлоз 20,0% от а.с. сырья) обрабатывали щелочью 40 г/л при 90°С в течение 60 мин (пример 19) в присутствии 0,005...0,1% антрахинона к а.с. сырью и гидромодуле 10:1.

Содержание SiO₂ в сырье и после обработки определяли по стандартной методике гравиметрическим методом по ГОСТ 9428. Реактивы: кремний (IV) оксид. Содержание гемицеллюлоз по ГОСТ 9002, лигнина ГОСТ 10070.

Полученные результаты представлены в табл.2.

Таблица 2
Влияние расхода антрахинона на результаты предварительной обработки рисовой соломы (извлечение SiO2 более 99%)
№ примера	Расход антрахинона, % к а.с. сырью	Содержание компонентов в обработанном сырье, % от а.с. сырья
Гемицеллюлозы	Остаточный лигнин
25.	-	5,0	15,2
26.	0,005	6,5	10,4
27.	0,01	17,6	6,5
28.	0,05	18,2	6,0
29.	0,10	18,5	6,0

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что существенными условиями, при которых происходит меньшее разрушение гемицеллюлоз при одновременном селективном удалении диоксида кремния из рисовой соломы, является расход антрахинона не менее 0,01% от массы а.с. сырья (пример 27-29). Так, если в исходном сырье доля гемицеллюлоз, растворимых в водном растворе гидрооксида натрия (5%), составляет 20%, после стадии обескремнивания их содержание снижается в 4 раза (пример 25), то при использовании на стадии обескремнивания антрахинона позволяет практически полностью сохранить их содержание (примеры 27-29).

Для установления оптимальных условий, соответствующих удалению более 99% SiO₂ и лучшему сохранению гемицеллюлоз, проведены варки целлюлозы. Диоксид кремния удаляют при концентрации 40 г/л, расходе АХ 0,05% от массы а.с. сырья, температуре 90°С и продолжительности 60 мин.

Варка обескремненного сырья

После стадии предварительной обработки обескремненное сырье отделяют от щелочного раствора и используют в процессе варки в растворе NaOH при расходе 8...14% к а.с. сырью, температуре 160°, гидромодуле 10:1. Результаты варки представлены в табл.3.

Таблица 3
Влияние условий варки на качество получаемой целлюлозы из рисовой соломы
№	Расход активной щелочи, % к а.с. сырью	Предварительная обработка	Выход целлюлозы, %	Остаточный лигнин, %
30.	12	нет	39,1*	5,3
31.	8	есть	49,2	5,2
32.	10	есть	45,6	2,5
33.	12	есть	44,6	2,2
34.	14	есть	43,5	1,7
* выход технической целлюлозы без зольного остатка

Как видно из представленных данных (табл. 3), предварительное удаление из исходного сырья диоксида кремния щелочным раствором в присутствии АХ приводит к увеличению выхода целлюлозы за счет сохраненных гемицеллюлоз, одновременно при этом происходит значительное снижение содержания остаточного лигнина (примеры 30, 33), кроме того, реализация заявленного способа позволит снизить расход активной щелочи при варке (примеры 31-34).

Использование заявляемого способа в целлюлозно-бумажной промышленности позволит расширить сырьевую базу с получением высококачественной целлюлозы, пригодной для изготовления бумаги.

1. Способ получения целлюлозы путем химической обработки целлюлозосодержащего сырья с последующей его щелочной варкой при нагревании, отличающийся тем, что в качестве целлюлозосодержащего сырья используют рисовую солому, предварительно подвергнутую обескремниванию путем обработки раствором NaOH концентрации 20-60 г/л при температуре не менее 70°С и продолжительности не менее 20 мин, в присутствии антрахинона с последующим отделением целлюлозосодержащего сырья от щелочного раствора.

2. Способ по п.1. отличающийся тем, что антрахинон вводят в количестве не менее 0,01% от массы абсолютно сухого целлюлозосодержащего сырья.