CC BY
53
ИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ
УДК 676.163.4.
Хакимова Фирдавес Харисовна родилась в 1938 г., окончила в 1965 г. Уральский лесотехнический институт, кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Пермского государственного технического университета, заслуженный работник высшей школы РФ. Имеет более 150 научных трудов в области теории и технологии целлюлозы.
Ф.Х. Хакимова
БИСУЛЬФИТНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА ИЗ СМЕСЕЙ
МОЛОДОЙ ТОНКОМЕРНОЙ ДРЕВЕСИНЫ РАЗЛИЧНЫХ ПОРОД
И БАЛАНСОВОЙ ЕЛИ
Показано, что для получения бисульфитной целлюлозы может быть использована молодая тонкомерная древесина ели, сосны и березы, полученная при рубках прореживания, как в виде смесей различного состава, так и в качестве добавки к балансовой древесине ели.
Ключевые слова: тонкомерная древесина, ель, сосна, береза, бисульфитные варки, диаграммы состав-свойство, смеси древесины, опытные выработки.
Целлюлозно-бумажная промышленность России, особенно предприятия европейской части, где запасы древесины ограничены, все больше сталкиваются с проблемой обеспеченности сырьем. Доставка его из лесо-достаточных районов экономически нецелесообразна.
Одним из резервов сырья для производства волокнистых полуфабрикатов является тонкомерная древесина, получаемая при проведении рубок ухода в молодняках. Вследствие низкого выхода из нее деловых сортиментов, наиболее эффективно она может быть использована в виде технологической щепы в производстве целлюлозы и полуцеллюлозы.
В работах [1, 3, 4] показана возможность применения тонкомерной древесины различных пород (ель, сосна, береза) для получения сульфитной целлюлозы. Однако часто при рубках ухода за лесом получается смесь тонкомерной древесины различных пород. В некоторых случаях рассортировка тонкомерной древесины по породам является весьма сложной и поэтому нежелательной операцией. В связи с этим возникает вопрос о возможности и целесообразности совместной варки тонкомерной древесины различных пород.
Таблица 1
Характеристики использованной древесины
Значение показателя
Показатель для древесины
ели сосны березы
Число годичных колец на пне 22 24 20
Диаметр пня, см:
с корой 6,6 7,5 6,8
без коры 6,0 7,1 6,5
Плотность, г/см3 406 363 560
Массовая доля, % :
экстрактивных веществ (с диэтиловым эфиром) 1,46 2,64 2,46
растворимых в горячей воде (90 °С) веществ 3,38 3,88 2,38
целлюлозы (по Кюршнеру) 50,40 49,10 47,50
лигнина (по Комарову) 31,60 28,90 23,50
пентозанов 9,20 11,20 28,50
золы 0,45 0,47 0,37
полисахаридов (РВ):
легкогидролизуемых 19,20 16,10 25,50
трудногидролизуемых 43,70 42,00 50,70
В данной работе приведены результаты изучения влияния породного состава древесного сырья, получаемого при рубках прореживания, на свойства получаемой бисульфитной целлюлозы. Для варок использовали воздушно-сухую щепу, приготовленную на лабораторной рубительной машине из смеси тонкомерной древесины ели, сосны и березы. Из данных табл. 1 видно, что древесина молодой тонкомерной сосны и березы отличается повышенным содержанием экстрактивных веществ. Вопросы исключения смоляных затруднений при переработке такой древесины будут рассмотрены в следующих публикациях.
Варки проводили в автоклавах вместимостью 2 л с электрообогревом. Состав варочной кислоты: 3,8 ... 4,0 % всего 802; 1,75 ... 1,80 % связанного 802; рН раствора 2,5 ... 2,6. Гидромодуль варки 5 : 1. Для проведения варок целлюлозы из смеси тонкомерной древесины указанных пород принят следующий режим (по результатам наших предыдущих исследований): продолжительность подъема температуры до 115 °С - 105 мин, пропитки при 115 °С - 90 мин, подъема температуры до 150 °С - 90 мин, варки при 150 °С - 90 мин.
Поскольку свойства трехкомпонентных смесей достаточно полно могут быть изучены с использованием плана Шеффе (симплекс-решетчатый план), а достаточная точность математической модели всегда удовлетворительна при степени полинома, равной 3 , то для выполнения данной работы был принят план Шеффе третьего порядка (д = 3, ё = 3) [2]. Все варки повторяли дважды с рандомизацией во времени.
В качестве переменных факторов были приняты доли еловой (х^, сосновой (х2) и березовой (х3) фракций в древесном сырье.
Таблица 2
Основные результаты бисульфитных варок смесей
молодой тонкомерной древесины хвойных и лиственной пород
Состав сырья Выход, % от древесины Показатели целлюлозы
Ель Xi Сосна Х2 Береза Х3 отсортированной массы сучков и непровара общий Степень провара, п.е. Белизна, % Разрывная длина, м Сопротивление
излому, ч.д.п. продавливанию, кПа
1 0 0 47,7 2,6 50,3 111 63 9010 2530 549
0 1 0 48,1 7,8 55,9 135 66 8090 2430 457
0 0 1 49,8 0,9 50,7 72 65 6330 900 288
2/3 1/3 0 49,2 2,3 51,7 115 65 7950 2580 446
1/3 2/3 0 47,3 4,8 52,1 122 66 7870 2180 426
2/3 0 1/3 48,8 2,1 50,9 102 65 8360 1410 423
1/3 0 2/3 47,5 2,3 49,8 98 66 7290 1120 340
0 2/3 1/3 45,6 7,3 52,9 119 67 7100 1420 340
0 1/3 2/3 47,7 5,0 52,7 103 68 6320 1080 308
1/3 1/3 1/3 48,4 4,4 52,8 114 67 7580 1390 418
Результаты варок и свойства образцов бисульфитной целлюлозы оценивали следующими выходными параметрами: у1 - выход целлюлозы, %; у2 - степень провара целлюлозы, п.е.; у3 - разрывная длина, м; у4 - сопротивление продавливанию, кПа.
Смеси древесины разных пород, образующие матрицу планирования, и результаты экспериментов (средние для двух варок) приведены в табл. 2 .
Как следует из данных табл. 2, в ходе проведения эксперимента получены образцы бисульфитной целлюлозы различной степени провара. При одинаковых условиях варки более глубокая степень провара отмечена для образцов из смесей, в состав которых входила березовая древесина; при использовании в составе смеси древесины сосны целлюлоза проваривается хуже (более жесткая целлюлоза).
Выход целлюлозы изменялся в пределах 50 ... 56 %. Следует отметить несколько повышенное содержание в образцах непровара из-за наличия сучков в используемой тонкомерной молодой древесине.
Определение механической прочности образцов показало, что наиболее высокие механические показатели имеет целлюлоза из тонкомерной ели, наименьшие - из березы. Довольно высоки прочностные показатели у целлюлозы из сосновой древесины. В связи с этим увеличение массовой доли березы в смеси снижает прочность целлюлозы, а увеличение ели в составе смеси повышает механические показатели целлюлозы.
Зависимость каждого из выходных параметров (у ... у4) от переменных факторов (х1 ... х3) аппроксимировали полиномами третьей степени следующего вида:
3 3 3 3
У = 1 Ь,х, + 2 Ь1]х1х] + 2 с1]х1х] (хг - х]) + ^ Ь1]кх1х]хк ,
1=1 1<1< у 1<;< у 1<;< ]<к
где к - число факторов, включенных в исследование, к = 3.
После математической обработки экспериментальных данных, расчетов коэффициентов регрессии и проверки их значимости получены следующие уравнения регрессии:
У = 48,3Х + 53,8Х2 + 48,6Х3 - 5,64ХХ2 - 0,7ХХ3 - 2,03ХХз - 4,05Х Х2 х
х(Х - Х2) + 6,75ХХ3 (Х - Х3) - 9,0Х2Х3 (Х2 - Х3) + 39,6ХХХ3; У2 = 100,5Х + 125,0Х2 + 62,0Х3 - 19,1ХХ, + 39,4ХХ3 + 31,5Х2Х3 + 7,9ХХ2 х
х (Х -Х2) - 59,6ХХ3 (Х -Х3) - 33,75ХХ3 (Х2 -Х3) + 62,25 ХХХ3; У3 = 9010,0Х + 8075,0Х2 + 6325,0Х3 + 2846,3ХХ2 + 697,5ХгХ3 - 2216,3Х2Х3 --1563,8Х1Х2(Х1 - Х2) + 1147,5ХХ3(Х - Х3) + 1361,3ХХ3(Х2 - Х3) + 6930,0 ХХХ3;
У4 = 549,0Х + 457,0Х2 + 288,0Х3 - 301,5ХХ2 - 163,0ХХ3 - 218,3ХХ3 -- 72,0 Х1Х2(Х1 - Х2) - 23,6Х1Х3(Х1 - Х3) - 164,6Х2Х3(Х2 - Х3) + 1705,5Х1Х2Х3.
Зависимость свойств трехкомпонентных смесей от их состава может быть наглядно представлена изолиниями свойств в барицентрических координатах - треугольными диаграммами состав исходного древесного сырья -свойство бисульфитной целлюлозы (см. рисунок).
Диаграммы зависимости выхода целлюлозы (а), степени провара (б), разрывной длины (в) и сопротивления продавливанию (г) от состава смесей
Анализ уравнений регрессии и изолиний указанных диаграмм показал следующее:
с увеличением массовой доли сосны в породном составе общий выход целлюлозы повышается, а с увеличением доли березы этот показатель снижается;
вследствие несколько худшей делигнификации тонкомерной сосны при принятых в эксперименте условиях, более высокие величины жесткости (120 ... 130 п.е.) имеют образцы целлюлозы, полученные из смеси с большей долей сосны;
наиболее высокими показателями разрывной длины обладает целлюлоза из смеси, содержащей в основном еловую древесину, наименьшую прочность имеет целлюлоза из смеси, в состав которой входит более 50 % тонкомерной березы;
чем выше массовая доля еловой древесины в породном составе, тем выше показатель сопротивления целлюлозы продавливанию.
Пользуясь данными диаграммами можно предсказать свойства би-сульфитной целлюлозы (выход, степень провара, механическая прочность) при известном составе исходного тонкомерного древесного сырья. Возможно и другое использование этих диаграмм - при определенных требованиях к свойствам бисульфитной целлюлозы можно выбрать необходимый породный состав исходного сырья.
Одним из вариантов переработки тонкомерной древесины в производстве целлюлозы является применение ее в качестве добавки при варке балансовой еловой древесины. В исследованиях использовали молодую тонкомерную древесину ели, сосны и березы. Доля добавки тонкомерной древесины к балансовой варьировалась от 10 до 40 %. Варки проводили по одинаковому режиму при конечной температуре 150 °С, т.е. при температуре, применяемой на большинстве целлюлозных заводов для варки бисуль-фитной целлюлозы (табл. 3).
Поскольку молодая тонкомерная древесина делигнифицируется медленнее спелой [1, 3, 4], влияние добавок ее при варке спелой древесины должно сказаться на скорости процесса варки. Добавка 10 % тонкомерной ели к спелой практически не изменяет результаты варок, но дальнейшее увеличение доли молодой древесины в исходном сырье несколько затрудняет процесс делигнификации, т.е. получается более жесткая целлюлоза, особенно при добавке 40 % тонкомерного сырья. В соответствии с изменением степени провара изменяется и выход целлюлозы. С увеличением в смеси доли тонкомерной древесины повышаются все показатели механической прочности целлюлозы.
Тонкомерная молодая древесина сосны, в отличие от спелой, может быть использована в качестве сырья для производства сульфитной целлюлозы [1]. Представляет интерес и возможность ее применения в качестве добавки при бисульфитной варке балансовой ели.
Добавка 10 % тонкомерной сосны не оказывает существенного влияния на результаты варки - выход, степень провара и прочностные пока-
Таблица 3
Влияние добавки древесины молодой тонкомерной ели, сосны и березы на результаты бисульфитной варки древесины спелой ели
Состав исходного древесного сырья, % Выход целлюлозы, % от исходной Показатели целлюлозы
Ель Сосна |Береза древесины Степень Разрывная длина, м Сопротивление
спелая молодая молодая общий отсортированной провара, п.е. продавли-ванию, кПа излому, ч.д.п.
100 — - - 52,4 51,1 100 8040 400 2100
90 10 - - 52,6 51,4 102 8210 410 2090
80 20 - - 51,9 50,3 105 8450 430 2280
70 30 - - 52,1 51,0 107 8570 430 2080
60 40 - - 52,8 50,6 112 8660 470 2560
- 100 - - 51,2 50,6 110 8670 460 2390
90 - 10 - 52,8 51,6 104 7900 380 2120
80 - 20 - 54,0 50,4 112 8110 380 1850
70 - 30 - 54,7 50,5 117 8170 480 2300
60 - 40 - 54,6 48,8 119 8130 470 2380
- - 100 - 55,3 50,1 122 8090 460 2320
90 - - 10 52,2 50,9 102 8230 410 2160
80 - - 20 52,0 51,3 100 8130 400 1840
70 - - 30 51,4 50,3 96 7950 410 1690
60 - - 40 51,0 50,5 95 7260 360 1470
- - - 100 51,2 50,0 90 7050 340 1360
затели получаются на уровне соответствующих показателей целлюлозы только из еловой древесины. С увеличением доли сосны несколько повышается общий выход древесного остатка вследствие меньшей степени ее де-лигнификации, выход отсортированной целлюлозы уменьшается, а доля непровара возрастает с 1,2 % при использовании 10 % добавки до 5,8 % при добавке 40 % сосны. По прочностным показателям полученные образцы целлюлозы различаются незначительно.
Считается, что одной из основных пород древесины, удаляемых при рубках прореживания, является береза. Обычно лиственная древесина, в том числе и спелая березовая, при сульфитной варке делигнифицируется легче, чем древесина ели, что приводит к перевару лиственной составляющей при совместной варке древесины хвойных и лиственных пород. Поскольку древесина молодой тонкомерной березы делигнифицируется медленнее, чем спелая, было бы целесообразно использовать ее в качестве добавки при сульфитных (бисульфитных) варках балансовой ели.
Результаты бисульфитных варок смесей древесины спелой ели и молодой березы в различных соотношениях показывают, что добавка 10 ... 20 % тонкомерной березы практически не влияет на выход и качественные показатели целлюлозы, т.е. они соответствуют целлюлозе из 100 % ели. При дальнейшем увеличении доли березы в смеси наблюдается некоторое повышение степени делигнификации целлюлозы (уменьшение жестко-
Таблица 4
Показатели качества целлюлозы опытно-промышленной выработки
(60 75 г/м2)
Показатель Значение показателя для целлюлозы
небеленой беленой
Степень провара, п.е. 65 -
Разрывная длина, м 7820 7260
Сопротивление:
продавливанию, кПа 410 380
излому, ч.д.п. 1230 1040
Белизна, % 61 86
Массовая доля смол и жиров, % 1,3 0,6
сти, что связано с более легкой делигнификацией березовой древесины по сравнению с хвойной), незначительное снижение выхода целлюлозы в соответствии со степенью делигнификации, а также снижение показателей механической прочности.
Таким образом, добавка 10 ... 20 % тонкомерной древесины ели, сосны и березы к балансовой ели не ухудшает результаты бисульфитной варки.
С целью проверки полученных результатов лабораторных исследований на Вишерском ЦБК проведена опытно-промышленная выработка сульфитной целлюлозы из балансовой ели с добавкой 20 % древесины тонкомерной молодой ели. Такой состав древесного сырья не вызвал затруднений при проведении варки, промывки, сортирования и отбелки целлюлозы; полученная целлюлоза имела достаточно высокие показатели механической прочности и не вызывала ухудшения качества выработанной из нее бумаги.
Результаты опытно-промышленной варки приведены в табл. 4
Как показали результаты исследований, при создавшемся дефиците древесного сырья в центральных районах России для получения бисульфит-ной целлюлозы может быть использована молодая тонкомерная древесина различных пород (ель, сосна, береза) как в виде смесей, так и в качестве добавки к балансовой еловой древесине (в количестве до 20 % от общего расхода древесного сырья).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ковтун, Т.Н. Особенности сульфитной делигнификации молодой и спелой древесины сосны [Текст] / Т.Н. Ковтун, Ф.Х. Хакимова, А.П. Трейманис // Химия древесины. - 1989. - № 4. - С. 55-59.
2. Пен, Р.З. Статистические методы моделирования и оптимизации процессов целлюлозно-бумажного производства [Текст] / Р.З. Пен.- Красноярск, 1982. -192 с.
3. Хакимова, Ф.Х. Об особенностях сульфитной делигнификации молодой тонкомерной ели [Текст] / Ф.Х. Хакимова, Т.Н. Ковтун, А.П. Трейманис // Строение древесины и его роль в процессах делигнификации: сб. докл. - Рига: Зинатне, 1990. - С. 6-9.
4. Хакимова, Ф.Х. Получение сульфитной целлюлозы из тонкомерной березы [Текст] / Ф.Х. Хакимова, Т.Н. Ковтун, А.П. Трейманис // Химия и технология целлюлозно-бумажного производства. - Л.: ЛТА, 1988. - С. 52-57.
Пермский государственный технический университет
Поступила 29.05.06
F.Kh. Khakimova
Bisulfite Pulp from Mixtures of Thin Wood of Various Species and Spruce Pulpwood
It is shown that young thin spruce, pine and birch timber cut when thinning could be used for producing bisulfite pulp both in mixtures of different composition and as the additive to spruce pulpwood.
