CC BY
252
УДК 661.728
ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОПКОВОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ СПОСОБОМ СОВМЕЩЕННОЙ ВАРКИ И ОТБЕЛКИ
© А.А. Атаханов , А.Д. Тихоновецкая, Д.С. Набиев, С.Ш. Рашидова
Институт химии и физики полимеров АН РУз, ул. А.Кадыри, 7, Ташкент (Узбекистан) е-тэИ: polymer@online.ru
Получена хлопковая целлюлоза путем совмещения процессов варки и отбелки в одну стадию. Для отбелки использовался экологически безопасный реагент - пероксид водорода. Изучено влияние концентрации растворов щелочи, расхода пероксида водорода и силиката натрия на вязкость и белизну хлопковой целлюлозы. Определяющим фактором снижения рН отбеливаемого раствора является рост температуры в процессе варки-отбелки. Полученная хлопковая целлюлоза соответствует по своим характеристикам требованиям ГОСТ 595 «Целлюлоза хлопковая».
Введение
Основной тенденцией в развитии технологии отбелки целлюлозы является повышение конкурентоспособности беленых целлюлоз при соблюдении требований по охране окружающей среды. Новая технология отбелки должна обеспечивать для предприятия баланс между затратами на производство, качеством целлюлозы и влиянием на окружающую среду.
В последнее время хлорсодержащие отбеливатели активно заменяют пероксидом водорода. Пероксид водорода обладает высоким окислительным и энергетическим потенциалом, так как. в процессе отбелки выделяется большое количество энергии, которое обеспечивает высокую чистоту отбелки. При этом отбеливающие свойства пероксида водорода исключительно велики, а продолжительность процесса мала.
Разработка новой технологии получения хлопковой целлюлозы для высококачественной бумаги и ацетилирования сводится к решению вопроса по разработке нового способа выделения хлопковой целлюлозы путем совмещения процессов варки и перекисной отбелки в одну стадию, позволяющих получить целлюлозу требуемого качества и исключить хлорсодержащие реагенты с одновременным решением экологических проблем производства.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования использовался линт типа Б (сорт II, класс средний, очищенный на линтоочистителе ЛО-4) с массовой долей сорных примесей - 4,5%, золы - 1,0%.
Совмещенную варку и отбелку проводили при модуле 1 : 10, меняя температурные и временные режимы, а также концентрации рабочих растворов.
Качественные показатели полученных образцов хлопковой целлюлозы определяли по ГОСТу 595 «Целлюлоза хлопковая». Вязкость хлопковой целлюлозы определяли в 1% медно-аммиачном растворе, содержащем меди 13±0,2 г/л, аммиака 200±2 г/л и сахарозы 2 г/л.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Обсуждение результатов
Целью данной работы является изучение возможности получения хлопковой целлюлозы совмещенным способом варки-отбелки и нахождение оптимальных условий, при которых качественные показатели хлопковой целлюлозы удовлетворяли бы требования ГОСТа при минимальном расходе реагентов.
Было изучено влияние различных переменных факторов (температура, продолжительность отбелки, рН, концентрация щелочи, расход пероксида водорода и силиката натрия) на качество целлюлозы.
Влияние условий проведения совмещенного процесса варки и отбелки на вязкость и белизну целлюлозы приведено на рисунке 1.
При добавке указанных количеств пероксида водорода и одновременном увеличении количества щелочи и силиката натрия в растворе происходит снижение вязкости, тем больше, чем выше содержание реагентов в растворе. Наиболее сильное влияние на деструкцию целлюлозы оказывает количество щелочи в растворе. Резкое снижение вязкости происходит при концентрациях до 5 г/л. Дальнейший рост содержания щелочи не вызывает значительного снижения вязкости.
При этих же концентрациях щелочи в растворе наблюдается максимальная белизна хлопковой целлюлозы.
Зависимость между степенью белизны и количеством щелочи в растворе носит нелинейный характер и проходит через максимум. Очевидно, содержание щелочи 4-6 г/л является оптимальным для получения максимальной белизны при прочих равных условиях, что подтверждается литературными данными. Из литературы известно, что если щелочи мало, то она быстро связывается органическими кислотами; в результате отбелка становится неэффективной. При избытке щелочи она усиленно поглощается волокнами, что приводит к потемнению массы [1].
Известно также, что избыток щелочи способствует разложению пероксида водорода [2], а это также может влиять на падение белизны в области высоких концентраций.
Рис. 1. Зависимость вязкости и белизны целлюлозы от концентрации щелочи, расхода пероксида водорода и силиката натрия при температуре 120 °С в течение 1 ч.
(----) Вязкость; (......) Белизна; Расход Н2О2 в % от массы линта: а - 2; б - 4; в - 6. Расход силиката
натрия в % от массы линта: 1 - 0; 2 - 5; 3 - 10; 4 - 15; 5 - 20
Присутствие силиката натрия оказывает заметное влияние на белизну и вязкость целлюлозы при низком содержании отбеливающего агента в растворе (рис. 1). В этом случае активизирующее и стабилизирующее действие силиката проявляется наиболее четко. Рост концентрации силиката натрия до 20% от массы линта при прочих равных условиях позволяет повысить белизну до 80%. В растворах с более высоким содержанием пероксида (рис. 1б и рис. 1в) белизна доходит до 90-92%, но влияние силиката натрия на белизну менее заметно.
Отбелку проводили в щелочной среде, так как в этом случае преобладает распад пероксида водорода с образованием пероксидных ионов, что увеличивает эффективность отбелки, особенно если рН среды в начале составляет 10-11 и постепенно падает до 8-9 в конце отбелки [1].
На рисунке 2 показано снижение рН варочного раствора от первоначального значения в зависимости от температуры и продолжительности процесса отбелки при концентрации щелочи 5 г/л, расходе пероксида водорода 4% от массы линта.
В первые 30-60 мин наблюдается снижение рН среды, тем больше, чем выше температура отбелки, в дальнейшем процесс снижения рН замедляется.
Так при температуре 90 °С и продолжительности 60 мин рН варочного раствора снизился с 13,5 до 12,5, а при той же продолжительности с повышением температуры до 150 °С рН равен 9,8, что указывает на то, что температура является одним из определяющих факторов при отбелке.
В зависимости от продолжительности процесса рН изменяется с 13 в начале и доходит до 12,0-9,2 в конце, что коррелирует с литературными данными и указывает на правильно подобранные условия отбелки.
Для поддержания необходимого рН среды во время процесса перекисной отбелки добавляли силикат натрия. Являясь стабилизатором пероксида водорода, силикат натрия дополнительно выступает в качестве буферного раствора и постепенно высвобождает щелочь, поддерживая рН на желаемом уровне.
однако, как уже было сказано выше, щелочность не должна выходить за определенные пределы, так как при этом степень белизны массы понижается, что наблюдается при использовании растворов с содержанием щелочи более 6 г/л (рис. 1).
Таким образом, рН раствора 13-10 в начале и 10 в конце процессаможно считать оптимальной величиной. Можно предположить, что вышеуказанным значениям рН соответствует максимальная белизна целлюлозы.
В таблице представлены качественные показатели хлопковых целлюлоз, полученных при различных режимах совмещенной варки и отбелки.
Рис. 2. Зависимость снижения рН среды от продолжительности и температуры совмещенного способа варки и отбелки при концентрации №ОН 5 г/л, расход Н2О2 - 4% от массы линта. Температура, °С:
1 - 90; 2 - 100; 3 - 110; 4 - 130; 5 - 150
Качественные показатели хлопковой целлюлозы.
Расход Н2О2, % от массы линта Концентрация щелочи, г/л Расход силиката натрия, % от массы линта. Показатели качества
Вязкость, мПах Белизна, % Массовая доля, %
нерастворимый остаток в Н2БО4, % массовая доля золы, % а-целлю-лоза, %
6 3 - 200 88 0,27 0,14 99,3
6 5 - 176 90 0,20 0,11 99,0
6 3 5 133 90 0,27 0,14 98,8
6 1 10 166 88 0,35 0,17 99,5
4 5 - 254 90 0,21 0,13 99,4
4 3 5 260 89 0,28 0,15 99,5
4 3 10 228 89 0,26 0,16 99,4
4 5 5 215 89 0,20 0,19 99,2
4 5 10 170 89 0,21 0,17 99,0
Качественные показатели всех образцов хлопковой целлюлозы, полученных при различных условиях совмещенного способа варки и отбелки, удовлетворяют требованиям ГОСТ 595 «Целлюлоза хлопковая».
Значения массовой доли остатка нерастворимого в серной кислоте и массовой доли золы хотя и соответствуют требованиям ГОСТ 595, являются несколько завышенными по сравнению с требованиями, предъявляемыми к высококачественной целлюлозе, предназначенной для химической переработки, у которой эти показатели не должны превышать 0,1%.
Таким образом, показана возможность получения хлопковой целлюлозы совмещенным способом варки-отбелки, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 595. Оптимальными условиями проведения совмещенного способа варки и перекисной отбелки являются концентрация щелочи 4-6 г/л, расход пероксида водорода 4-6% от массы линта и силиката натрия 5-10% от массы линта.
Выводы
Показано влияние концентрации растворов щелочи, расхода пероксида водорода и силиката натрия на вязкость и белизну хлопковой целлюлозы при совмещенном способе ее получения.
Установлено определяющее влияние температуры на процесс снижения рН раствора в ходе совмещенного способа получения хлопковой целлюлозы.
Полученная хлопковая целлюлоза по своим качественным показателям удовлетворяет требованиям ГОСТ 595 «Целлюлоза хлопковая».
Список литературы
1. Лебедева И.А., Кречетова С.П. Отбелка древесной массы. М., 1973. 160 с.
2. Перекись водорода и перекисные соединения / Под ред. проф. М.Е. Позина. Л.; М., 1951. 476 с.
Поступило в редакцию 20 марта 2004 г. После переработки 10 апреля 2004 г
