CC BY
45
УДК 676.164.3:676.022.6
СРАВНЕНИЕ СТЕПЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ВЯЗКОСТЬ ЛИСТВЕННОЙ И ХВОЙНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ. СООБЩЕНИЕ 2. ВЛИЯНИЕ РАСХОДА АКТИВНОЙ ЩЕЛОЧИ
© Т.Е. Карманова , В.И. Комаров, Л.А. Миловидова
Архангельский государственный технический университет, Набережная Северной Двины, 17, Архангельск, (Россия) e-mail: y-sevastyanova@yandex.ru
Изучено влияние расхода активной щелочи на химический состав и вязкость лиственной и хвойной сульфатной целлюлозы. Установлено, что снижение вязкости лиственной и хвойной целлюлозы происходит с увеличением концентрации активной щелочи и по ходу варки.
Ключевые слова: хвойная сульфатная целлюлоза, лиственная сульфатная целлюлоза, химический состав, вязкость, число Каппа, лигнин, группы гексенуроновых кислот, концентрация активной щелочи.
Введение
Целью нашей работы является установление взаимосвязи вязкости технической целлюлозы с ее дефор-мативностью и прочностью. Влияние температуры варки на химический состав и вязкость небеленых целлюлоз изложено в предыдущей статье [1]. В данной работе рассмотрено влияние расхода активной щелочи на химический состав и вязкость лиственной и хвойной целлюлозы.
Экспериментальная часть
Варки лиственной и хвойной щепы проводились в стационарных автоклавах при гидромодуле 4 и изменении расхода активной щелочи в интервале 49-61 г/л. Температура варки лиственной щепы составляла 156 °С, а хвойной - 168 °С. Выбранные условия позволили получить образцы целлюлозы в интервалах значений числа Каппа для лиственной целлюлозы от 10 до 20, для хвойной - от 20 до 45.
Обсуждение результатов
Во всех образцах целлюлозы определяли выход, число Каппа, вязкость, содержание лигнина и групп гек-сенуроновых кислот (ГУК). Результаты представлены на рисунках 1-5.
Как и следовало ожидать, повышение расхода активной щелочи приводит к снижению значений всех характеристик как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы. На рисунке 1 представлено изменение выхода целлюлозы в зависимости от расхода щелочи на варку.
Выход хвойной целлюлозы ниже выхода лиственной. Выход лиственной целлюлозы уменьшается при изменении числа Каппа от 20 до 10 с 54 до 49%, в то время как выход хвойной целлюлозы изменяется с 54 до 42% при снижении числа Каппа от 45 до 20. Кривые снижения выхода хвойной целлюлозы идут практически параллельно друг другу.
Увеличение концентрации активной щелочи от 49 до 61 г/л при варке лиственной целлюлозы ведет к снижению числа Каппа практически в два раза на всем протяжении стоянки на конечной температуре (рис. 2а). Причем наиболее заметно влияние расхода активной щелочи при увеличении концентрации с 49 до 55г/л. Дальнейшее повышение концентрации активной щелочи ведет к меньшему снижению числа Каппа, т.е. к менее заметному ускорению варки. В среднем при повышении концентрации активной щелочи в интервале 49-55 г/л число Каппа лиственной целлюлозы снижается на 0,7 единиц на 1 г.
* Автор, с которым следует вести переписку.
о'
Ч
О
X
л
00
60
58
56
54
52
50
48
46
44
;
!
2 ;
_з___ j ^777Г! к _ ■
: * ' —
4 [ [
;
о'
Ч
О
X
л
т
56
54
52
50
48
46
44
42
40
:__1 ! ^ ; ;
; ;
[ |
- 4 ТТТТГ^т!. т 1 '■ 1 !
: - Г ^
60
эо
120
150
60
Т, мин
90
б
120
150
Т, мин
Рис. 1. Зависимость выхода целлюлозы от расхода активной щелочи: а - лиственная целлюлоза; б - хвойная целлюлоза; 1 - начальная концентрация активной щелочи в варочном растворе 49 г/л; 2 - 55 г/л; 3 - 58 г/л; 4 - 61 г/л
л
с
о
с
«
ьс
о
с;
и
Т, мин
Т, мин
б
Рис. 2. Зависимость числа Каппа целлюлозы от расхода активной щелочи: а - лиственная целлюлоза; б - хвойная целлюлоза; 1 - начальная концентрация активной щелочи в варочном растворе 49 г/л;
2 - 55 г/л; 3 - 58 г/л; 4 - 61 г/л
3.8
пГ 3,3 г
5
Г
з 2,8 с;
0>
I 2,3
1.8 1,3
о'
О.
а>
сГ
О
О
: 1 ! ! : :
: : :
: 2 Т ' —I1
,г ! 1 ! !
^
ТГ-П-^гЧ-4— ■ 1 " ч. ^ ■ ,
- ■ 1 ■ Ж “ Ч
60
90 Т, мин 120
150
6,5
54 6 га
х 5,5
г
|_
3 5
а>
5 4,5
а 4
а>
О 3,5 О
3
\1
■ 'Тч |
Ч' 4 X. \ 4 : : '* : : ^"г
60
90
Т, мин
120
150
а б
Рис. 3. Зависимость содержания лигнина от расхода активной щелочи: а - лиственная целлюлоза; б - хвойная целлюлоза; 1 - начальная концентрация активной щелочи в варочном растворе 49 г/л; 2 - 55 г/л; 3 - 58 г/л; 4 - 61 г/л
а
а
Кривые снижения числа Каппа для хвойной целлюлозы (рис. 2б) так же, как и кривые снижения выхода, идут практически параллельно друг другу. При этом увеличение расхода активной щелочи на 1 г/л ведет к
уменьшению числа Каппа примерно на 0,7 единиц, т.е. наблюдается та же зависимость, что и для лиственной целлюлозы. Наиболее заметное снижение этого показателя отмечается для концентрации 49 г/л при увеличении продолжительности стоянки на конечной температуре с 60 до 90 мин.
Характер изменения содержания лигнина в лиственной целлюлозе (рис. 3 а) соответствует снижению числа Каппа, на кривых изменения содержания лигнина отсутствует заметное замедление процесса делигнификации.
Скорость изменения содержания лигнина в хвойной целлюлозе (рис. 3б) значительно больше, чем в лиственной, но основная делигнификация также происходит на первых 60 мин варки. В дальнейшем содержание лигнина уменьшается практически в два раза.
Увеличение расхода активной щелочи с 49 до 55 г/л практически не влияет на содержание групп ГУК в лиственной целлюлозе (рис. 4а). Однако при повышении концентрации до 58 г/л их количество значительно уменьшается. Дальнейшее повышение концентрации активной щелочи до 61 г/л при продолжительности стоянки на конечной температуре до 120 мин не влияет на содержание групп ГУК. Увеличение времени варки до 150 мин при данной концентрации активной щелочи ведет к снижению содержания групп ГУК.
Значительное снижение групп ГУК (рис. 4б) наблюдается при повышении концентрации активной щелочи от 55 до 61 г/л лишь при времени варки более 120 мин.
Вязкость лиственной целлюлозы (рис. 5а) снижается при уменьшении числа Каппа по ходу варки и увеличении расхода активной щелочи. Интервал изменения вязкости для лиственной целлюлозы 850-1100 мл/г. Характер влияния концентрации на вязкость хвойной целлюлозы такой же, как на число Каппа. Можно отметить, что максимальное снижение вязкости имеет место при повышении концентрации от 49 до 55 г/л.
х:
£
п
*
9
СЕ
о
О
42
40
38
36
34
32
30
1
4 ^-41 ... -р- - " С ^ , 1. V
Е:
I*
|_ л
I 3
ч
о
О
60
90
120
150
Т, мин
Т, мин
б
Рис. 4. Зависимость содержания групп ГУК от расхода активной щелочи: а - лиственная целлюлоза; б - хвойная целлюлоза; 1 - начальная концентрация активной щелочи в варочном растворе 49 г/л;
2 - 55 г/л; 3 - 58 г/л; 4 - 61 г/л
с;
е
л"
I—
и
о
и
п
К
со
л
к
и
о
«
ос
(И
1000
950
900
850
800
750
700
650
600
60
; ; ; ;
| |
_ _ _ _ 1 .777?
: ^ 1 !Г *-4. _ "
■ *■_ в •
: : 4 :
1 ' 1 '
90
120
150
Т, мин
Т, мин
а б
Рис. 5. Зависимость вязкости от расхода активной щелочи: а - лиственная целлюлоза; б - хвойная целлюлоза; 1 - начальная концентрация активной щелочи в варочном растворе 49 г/л; 2 - 55 г/л; 3 - 58 г/л; 4 - 61 г/л
а
На рисунке 5 представлено также влияние концентрации активной щелочи на вязкость лиственной и хвойной целлюлозы при одинаковых значениях числа Каппа. Для лиственной целлюлозы значение числа Каппа соответствовало 12. Значение вязкости при этом возрастало при снижении концентрации активной щелочи от 61 до 49 г/л в интервале 940-970 мл/г, что при ошибке определения 50 мл/г позволяет считать, что влияние концентрации активной щелочи в данном интервале ее изменения на вязкость лиственной целлюлозы практически отсутствует.
Для хвойной целлюлозы число Каппа соответствовало 30. При этом снижение концентрации активной щелочи от 61 до 49 г/л привело к повышению вязкости от 840 до 900 мл/г. Наиболее заметное влияние на вязкость в данном случае оказало повышение концентрации активной щелочи от 49 до 55 г/л. Изменение вязкости целлюлозы превышает, хотя и незначительно, ошибку определения, что свидетельствует о более заметном воздействии концентрации активной щелочи на вязкость хвойной целлюлозы по сравнению с лиственной.
Выводы
1. выполненный эксперимент показал, что при варке лиственной древесины в интервале концентрации активной щелочи 49-61 г/л возможно получить целлюлозу с числом Каппа 20-10 единиц при выходе 5449%. При варке хвойной древесины при изменении концентрации активной щелочи в этом же интервале значений может быть получена целлюлоза с числом Каппа 45-20 при изменении выхода от 54 до 42%.
2. Повышение концентрации активной щелочи от 49 до 61 г/л приводит к снижению числа Каппа и содержания лигнина хвойной и лиственной целлюлозы. При этом кривые, характеризующие уменьшение числа Каппа, совпадают с характером кривых снижения содержания лигнина.
3. Снижение вязкости лиственной и хвойной целлюлозы происходит с увеличением концентрации активной щелочи и по ходу варки.
4. При постоянном значении числа Каппа лиственной целлюлозы снижение концентрации активной щелочи при варке от 61 до 49 г/л практически не оказывает влияния на вязкость.
5. Для хвойной целлюлозы при снижении концентрации активной щелочи от 61 до 49 г/л для целлюлоз с одинаковым числом Каппа имеет место повышение вязкости примерно на 5-7%.
Заключение
Таким образом, выполненный эксперимент показал, что в выбранных условиях варки характер снижения выхода, числа Каппа, содержания лигнина и групп ГУК для лиственной и хвойной целлюлозы практически одинаков, при этом снижение числа Каппа и уменьшение содержания лигнина соответствуют друг другу. Наиболее заметное снижение содержания групп ГУК как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы происходит при повышении концентрации активной щелочи до 58-61 г/л. Увеличение концентрации последней от 49 до 61 г/л при получении лиственной и хвойной целлюлозы с одинаковыми значениями числа Каппа не оказывает заметного влияния на вязкость целлюлозы, хотя хвойная целлюлоза более чувствительна к изменению этого фактора.
Список литературы
1. Карманова Т.Е., Комаров В.И., Миловидова Л.А. Сравнение степени воздействия факторов сульфатной варки на химический состав вязкость лиственной и хвойной целлюлозы. Сообщение 1. Влияние температуры и продолжительности варки // Химия растительного сырья. 2010. №4. С. 37-40.
Поступило в редакцию 23 ноября 2009 г.
