Бесхлорная отбелка сульфитной целлюлозы для печатных видов бумаги Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

БЕСХЛОРНАЯ ОТБЕЛКА СУЛЬФИТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ПЕЧАТНЫХ ВИДОВ БУМАГИ

Д.Р. НАГИМОВ, доцент Пермского государственного технического университета, Ф Х ХАКИМОВА, профессор, зав. кафедрой технологии ЦБП,

Т.Н. КОВТУН, доцент

Традиционные схемы отбелки целлюлозы включают 5-6 ступеней для сульфитной и 6-8 ступеней для сульфатной целлюлозы. Современной тенденцией технологии отбелки является переход к укороченным схемам отбелки.

Перспективным решением в этих схемах отбелки может быть чередование ступеней обработки массы щелочными растворами пероксида водорода и кислотными реагентами.

На кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства разработаны экологически надежные и экономически целесообразные укороченные схемы отбелки сульфитной целлюлозы различной степени делигни-фикации. Объектом исследования была целлюлоза Камского целлюлозно-бумажного комбината, полученная по модификации сульфитной варки на кислоте со смешанным натриево-магниевым основанием. Характеристика исходной целлюлозы представлена в табл. I.

На основании результатов предварительного исследования для отбелки такой целлюлозы разработана схема ЩП-Пд-Кук-П-К, где ЩП - окислительное щелочение в присутствии пероксида водорода, Пд - щелочная пероксидная делигнификация, Кук -обработка целлюлозы раствором уксусной ки-

слоты, П - щелочная пероксидная отбелка, К -обработка целлюлозы раствором сернистой кислоты.

Применение программы полного регрессионного анализа позволило с достаточной точностью описать многофакторные процессы делигнификации и отбелки целлюлозы и определить оптимальные технологические режимы. Для оптимизации технологических режимов ступеней окислительного щелочения и пе-роксидной делигнификации выбран план Бокса типа Б3 (переменные факторы - расход пероксида водорода, температура обработки и продолжительность обработки), а для оптимизации режима ступени пероксидной отбелки -план Бокса типа Б4 (переменные факторы -расходы пероксида водорода и гидроксида натрия, температура обработки и продолжительность обработки). В качестве выходных параметров выбраны степень делигнификации, белизна, выход и разрывная длина целлюлозы. Эти параметры достаточно полно характеризуют исследуемый процесс. В результате обработки результатов эксперимента получены уравнен™ регрессии, по которым была проведена оптимизация технологических режимов отдельных щелочных ступеней обработки целлюлозы. Оптимальные условия отдельных ступеней отбелки представлены в табл. 2.

Таблица 1

Характеристика исходной целлюлозы

Показатели целлюлозы Значения показателей

Степень делигнификации, п. ед. 100

Белизна, % от белого 62

Массовая доля в целлюлозе. % от абс. сух. волокна:

лигнина 4,0

пентозанов 5.0

смол и жиров 2,6

Показатели механической прочности (60 °ШР, 75 г/м2);

нулевая разрывная длина, м 10000

разрывная длина, м

сопротивление: 8700

излому, число двойных перегибов 1180

продавливанию, кПа 380

Таблица 2

Оптимальные условия отдельных ступеней обработки целлюлозы при отбелке по схеме ЩП-Пд-Кук-П-К

Условия отбелки Ступени отбелки

ЩП Пд Кук П К

Расход реагентов. % от массы абс.

сух. волокна:

пероксида водорода 0,5 2,0 — 1,7

гидроксида натрия 2,0 2,0 0,7

силиката натрия ~ 3,0 ~ 1,7

уксусной кислоты 1 __

сернистой кислоты -- — — — 1

Температура, °С 75 80 20 85 20

Продолжительность обработки, мин 30 110 60 150 60

Концентрация массы. % 8 8 э 8 э

При реализации технологии укороченной отбелки важное значение имеет скорость диффузионных процессов, которая является определяющей для большинства ступеней отбелки целлюлозы. Ускорение процессов диффузии делигнифицирующих и отбеливающих растворов, в том числе щелочного раствора пероксида водорода, происходит за счет реализации «насосного эффекта», который возникает при чередовании щелочных и кислотных ступеней отбелки. При этом наблюдается изменение состояния субмикроскопической структуры волокна. Важно отметить, что субмикроскопические капилляры клеточной стенки служат путями подвода реагента и вывода продуктов реакции. В результате удаления в процессе де-

лигнификации и отбелки лигнина, гемицеллюлоз, экстрактивных веществ и, как результат этих процессов, образования микрополостей, а также в связи с набуханием и отбуханием клеточных оболочек в отбельных растворах с различной pH, происходят изменения объема субмикроскопических капилляров (ОСК) целлюлозных волокон. Эти изменения во многом определяют физикомеханические и физико-химические свойства как отдельных волокон, так и бумажного листа в целом.

На рисунке приведена гистограмма изменения объема субмикроскопических капилляров (ОСК) в процессе отбелки сульфитной целлюлозы по разработанной схеме.

ОСК, см"/г

целлюлоза

Рисунок. Гистограмма изменения показателя ОСК в процессе отбелки

Из диаграммы видно, что на ступенях окислительного щелочения и перок-сидной делигнификации наблюдается интенсивный рост показателя ОСК, что свидетельствует о набухании клеточной стенки. Хорошо развитая в начале отбелки система ОСК наилучшим образом сказывается на результатах делигнификации и отбелки целлюлозы. Далее на ступени кисловки массы уксусной кислотой наблюдается контракция (сжатие) клеточной стенки, которая происходит, вероятно, в результате разрушения водородных связей между целлюлозными фибриллами и водой сильнополярными молекулами уксусной кислоты. В результате сжатия из внутренних полостей клеточной стенки вытесняется отработанный делигнифицирующий раствор, содержащий растворенные компоненты клеточной стенки. На ступени пероксидной отбелки вновь наблюдается набухание клеточной стенки, сопровождающееся поглощением свежего отбеливающего раствора. При заключительной кисловке массы сернистой кислотой наблюдается очень небольшое снижение степени набухания волокна.

Таким образом, ускорения и углубления процессов делигнификации и отбелки целлюлозы щелочными растворами пе-

роксида водорода можно достичь проведением промежуточной обработки массы раствором уксусной кислоты между ступенями обработки целлюлозы растворами пероксида водорода.

Физико-химические и физикомеханические показатели целлюлозы, отбеленной по разработанным оптимальным условиям, представлены в табл. 3 и табл. 4 в сравнении с результатами отбелки целлюлозы по традиционной схеме хлорсодержащими реагентами (схема Х-Щ-Х-Щ-Г-Г-К).

Из данных табл. 3 следует, что после отбелки целлюлозы пероксидом водорода жесткость целлюлозы и ее выход выше, чем после отбелки хлорсодержащими реагентами. Объясняется это как меньшей делигнификацией целлюлозы при отбелке пероксидом, так и меньшей деструкцией целлюлозы в процессе отбелки. Подтверждением более мягкого окислительного воздействия пероксида водорода по сравнению с хлором и гипохлоритом являются данные по медному числу целлюлозы, содержанию в ней карбоксильных групп и растворимости компонентов целлюлозы в цинкате натрия.

Таблица 3

Физико-химические показатели беленых образцов сульфитной целлюлозы

Показатели целлюлозы Схемы отбелки

ЩП-Пд-Кук-П-К Х-Щ-Х-Щ-Г-Г-К

Расход на отбелку:

пероксида водорода 4,20 -

активного хлора — 7.80

Выход целлюлозы, % от массы небеленой 93,50 92.50

Степень делигнификации. п. ед. 38 5

Белизна,% от белого 85 85

Реверсия белизны, Рс 1.70 1,75

Массовая доля в целлюлозе, %:

лигнина 1,10 0,60

пентозанов 3,50 4.40

смол и жиров 0,65 1,45

карбоксильных групп 0.30 0.40

Медное число, г/100 г целлюлозы 1,25 1,60

Растворимость в цинкате натрия. % 11.60 30.60

Таблица 4

Физико-механические показатели беленых образцов сульфитной целлюлозы

Показатели целлюлозы Схемы отбелки

ШД-Пд-Кук-П-К Х-Щ-Х-Щ-Г-Г-К

25 °ШР:

Обезвоживаемость. с 22 20

Водоудерживающая способность, % 165 150

60 ° ШР:

Силы связи между волокнами, Н/мм" 1.05 0.95

Показатели механической прочности:

нулевая разрывная

длина, м 9400 8100

разрывная длина, м 7950 7100

сопротивление:

излому, число дв.пер. 700 570

продавливанию, кПа 350 310

раздиранию, мН 320 260

Из данных табл. 4 видно, что целлюлоза, отбеленная по схеме ЩП-Пд-Кук-П-К имеет несколько большую обезвоживаемость (22 с) в соответствии с большей водоудерживающей способностью по сравнению с целлюлозой, отбеленной хлорсодержащими реагентами (20 с). По показателю ВУС косвенно можно предположить, что волокна целлюлозы, отбеленной пероксидом водорода, имеют большую степень фибрил-лирования, эластичность и в меньшей степени повреждаются в процессе размола, о чем можно судить по нулевой разрывной длине. Вследствие этого такие волокна образуют более прочные меж-волоконные связи и, следовательно, имеют более высокие показатели механической прочности, чем волокна целлюлозы, отбеленной хлором и гипохлоритом. Таким образом, успеху отбелки жесткой сульфитной целлюлозы только пероксидом водорода по схеме ЩГ1-Пд-Ку к-П.....К

способствуют:

■ включение в схему отбелки предварительного окислительного щелочения в присутствии пероксида водорода, которое обеспечивает создание на ранней стадии отбелки условий, обусловливающих более эффективную делигнифика-цию и отбелку целлюлозы на последующих ступенях отбелки;

■ промежуточная обработка целлюлозы между ступенями пероксидной делигни-фикации и пероксидной отбелки уксусной кислотой способствует внутренним изменениям структуры волокон, усиливающим, при последующей добелке целлюлозы пероксидом водорода, эффект делигнификации и отбелки;

■ мягкое окислительное воздействие пероксида водорода на целлюлозное волокно по сравнению с традиционными хлорсодержащими соединениями;

■ существенное снижение содержания в целлюлозе массовой доли смол и жиров, в результате чего решается проблема со смоляными затруднениями в бумажном производстве.