Поделиться Поделиться

Складові підгалузі целюлозно – паперової промисловості

Целюлозно-паперова промисловість поєднує виробництва, що випускають целюлозу, папір, картон. Особливість цих виробництв – здрібнювання деревини до розміру волокна і виготовлення з волокна необхідної продукції. Головні хімічні компоненти деревини (целюлоза, геміцелюлоза, лігнін) є високомолекулярними сполуками, які з'єднані поміж собою не лише міжмолекулярними, проте і деякими хімічними зв'язками. Через те звичайними способами розділення органічних речовин і відокремлення їх неможливе. Цього дозволяється досягти лише внаслідок певних хімічних реакцій, які дозволяють перевести один чи декілька компонентів у водорозчинний стан.

Целюлозне виробництво

Основна сировина виробництва – спеціально підготовлена (балансова) деревина та відходи лісозаготівель, лісопиляння, деревообробки.

Головні складові частини деревини:

– целюлоза – 40-50% (клітковина, полісахарид, утворений залишками глюкози: (C6H10O6)n, де n = 5000-20000; головна складова частина клітинних стінок рослин, обумовлює їхню механічну міцність та еластичність рослинних тканин; у бавовнику – 95-98%, у льоні – 80-90%, у джуті – 75%);

– лігнін – 20-30% (аморфна речовина, органічний полімер, що складається з різних ароматичних спиртів, що міститься в клітинних оболонках рослин, викликає їх одеревеніння);

– геміцелюлози – 17-33% (гемі... – напів-, полісахариди, що мають розгалужені ланцюги та ступінь полімеризації меншу, ніж у полісахаридах – η = 100-200)

Волокна целюлози в деревині зв'язані поміж собою лігніном. Для видалення лігніну і звільнення від нього целюлози проводять варіння деревини в присутності реагентів, що руйнують чи розчиняють нецелюлозні компоненти.

Перевести у водорозчинний стан лігнін значно важче, оскільки він є полімером сітчастої будови, котрий має ароматичні ядра і невелику кількість гідрофільних груп (-ОН, -СООН). Для цього необхідно провести часткову хімічну деструкцію макромолекул лігніну з одночасним введенням у його структурні одиниці достатньої кількості гідрофільних груп.

Процеси переведення лігніну у водорозчинний чи розчинний в органічних сполуках стан та виділення його з деревини називають делігніфікацією деревини. Процеси делігніфікації деревини, які супроводжуються переведенням у розчинний стан разом із лігніном більшої частини геміцелюлоз, використовують для одержання целюлози і називають варінням целюлози.

У результаті процесів варіння одержують технічні целюлози, які залежно від умов варіння та призначення, містять також певну кількість лігніну, геміцелюлоз та екстрактивних речовин. За вмістом у них нецелюлозних матеріалів технічні целюлози поділяють на:

• напівцелюлозу;

• целюлозу високого виходу;

• небілену целюлозу.

Технічні целюлози використовують для виробництва картону, паперових мішків, обгорткового паперу тощо. Небілену целюлозу переважно піддають додатковому очищенню від нецелюлозних компонентів, у першу чергу від лігніну, процес складається з двох операцій – відбілювання та облагородження целюлози.

Відбілювання здійснюється у декілька етапів послідовною дією на дисперговану у воді целюлозну масу різних окисників: газоподібного хлору; хлорної води; гіпохлоритів; оксидів хлору; пероксиду водню; кисню у лужному середовищі.

Відбілену целюлозу використовують для виробництва друкарського паперу, паперу для зошитів тощо.

Облагородження відбіленої целюлози здійснюють обробкою її розчином гідроксиду натрію – 0,5 – 2% розчином за температури 95 – 135°С чи 4 – 10% розчином за температури 15-25°С. Облагороджена целюлоза використовується для одержання хімічних волокон, плівок, лаків, пластичних мас, бездимного пороху тощо.

Після очищення целюлози біля 50% маси хімічних компонентів деревини стають водорозчинними і переходять у варильні розчини. Для достатньо повного їх видалення на відмивання целюлози витрачається значна кількість води. Наприклад, на виробництво однієї тонни відбіленої целюлози – 200 – 300 м3, а на одну тонну облагородженої целюлози – 285-500 м3.

Стічні води містять значну кількість різних органічних речовин – від 100 до 500 кг для виробництва однієї тонни целюлози (залежно від способу варіння та очищення целюлози), через те їх очищення вимагає значних капіталовкладень, які складають 15-40% від вартості виробництва.

На даний час використовують, переважно, три способи варіння целюлози – лужне, сульфатне та сульфітне.

Лужне варіння иелюлози. Перший технічний спосіб виділення целюлози з деревини був розроблений у 1854 році К. Ваттом і Г. Бургессом. Він полягав у нагріванні деревини під тиском з розчином гідроксиду натрію (каустична сода), за що одержав назву лужного. Варіння проводять в автоклавах. В них поміщають деревні тріски листяних порід, заливають 4-6% розчин NaOH та нагрівають до температури 165–175°С – протягом 2-6 годин. У цих умовах в автоклаві створюється тиск біля 1 Мпа. Після варіння целюлозну масу відділяють від відпрацьованого варильного розчину, котрий називають натронним лужком, очищають від механічних домішок і відмивають водою. Одержують технічну целюлозу, яка містить до 2% лігніну, 20% пентозанів і приблизно 78% – целюлози. Її головним чином використовують для виробництва топографічного паперу, бавовняної целюлози.

Відпрацьований варильний розчин, котрий містить формальдегіди, каустичну соду тощо, як правило, випаровують, а речовини, що містяться в ньому, спалюють для регенерації гідроксиду натрію.

Сульфатне варіння иелюлози. Сульфатний спосіб видалення целюлози з деревини є також модифікацією лужного способу варіння. Основними реагентами варильного розчину у цьому способі є гідроксид та сульфат натрію.

Винахідником сульфатного варіння вважають Даля (1884 р.). Даль запропонував для компенсації лугу під час натронного варіння використовувати сульфат натрію, що був на той час промисловим відходом. Це і зумовило назву методу. Суть методу полягає в через те, що до відпрацьованого натронного лужку під час його спалювання додають сульфат натрію.

Сульфатне варіння проводять в апаратах неперервної дії, у які подають технологічну тріску будь-яких порід деревини чи тростини та варильні розчини, що містять 4 – 8% NaOH та NaSH. Протягом 2–4 годин піднімають температуру до 165-180°С. Целюлозну масу відділяють від відпрацьованого варильного розчину, (котрий називають чорним лужком) та промивають. Інколи, перед сульфатним варінням, проводять попередній гідроліз деревини розведеними кислотами (0,3 – 0,5% H2SO4 чи 0,5 – 1,0% НСl за температури 100-125°С протягом 2-5 годин) чи водою (за температури 140 – 180°С протягом 0,5 – З годин) з метою виділення з неї геміцелюлози. З чорного лужку виділяють сульфатне мило. Сульфатне мило є сумішшю натрієвих, смоляних та вищих жирних карбонових кислот, складних ефірів, вищих спиртів тощо. У процесі сульфатного варіння шпилькових порід деревини із варильного розчину випаровуються терпенові вуглеводні, конденсацією яких одержують сульфатний скипидар.

Сульфатний спосіб варіння целюлози найбільш поширений у світі, оскільки дозволяє переробляти на целюлозу всі види деревини, а також інші целюлозовмісні природні матеріали (тростину, солому, тощо), з екологічної точки зору для приготування варильного розчину використовуються відносно токсичні речовини – сульфат натрію та вапно. За допомогою їх одержують більше половини всієї целюлози.

Сульфітне варіння целюлози. Сульфітний спосіб варіння целюлози був впроваджений у виробництво вперше в Швеції – 1874 р. На відміну від лужних способів, сульфітне варіння целюлози проводять у кислому чи нейтральному середовищі. Винахідником методу вважають Ф.Тільгмена, котрий у 1866 р. запропонував використовувати розчин диоксиду сірки у воді в присутності солей, сірчаної кислоти. В процесі розчинення SO2 у воді утворюється сірчиста кислота. Як слабка кислота, у водному розчині, вона розкладається переважно з утворенням гідрид-аніону (бісульфіт- аніону):

SO2+H2O → H2SO3

H2SO3 Û H+ + HSO3-

Сульфітне варіння проводять у варильних котлах, виготовлених з кислотостійкого матеріалу і обладнаних примусовою циркуляцією варильного розчину, в які подають технологічну тріску (переважно шпилькових порід деревини) та варильний розчин. Протягом 1,5-4 годин поступово піднімають температуру до 100-110°С. Витримують, за даної температури деревину 1-2 години, а потім температуру підвищують до 135 – 150°С і витримують також 1-4 години. Одержану небілену целюлозу відділяють від відпрацьованого варильного розчину, котрий називають сульфітним лужком, і відмивають.

Під час виробництва однієї тонни целюлози одержують 8-9 м3 сульфітного лужку, котрий містить різні речовини, а саме: вуглеводні (З – 4,5%), альдонові кислоти (0,6 – 0,8%), сірчисту кислоту та її солі, мурашину і оцтову кислоти тощо. Оскільки сульфітний лужок містить значну кількість моносахаридів, його піддають біохімічній чи хімічній переробці.

Біохімічною переробкою сульфітного лужку переважно одержують кормові білки, етиловий спирт, антибіотики та багатоатомні спирти. На одну тонну отриманої переробкою лужку целюлози одержують 100 -110 кг кормових білків, чи 80 – 100 літрів етилового спирту, а також 1,0 – 1,2 тонн концентрату сульфітоспиртової барди.

Хімічною переробкою сульфітного лужку одержують ванілін, феноли, ароматичні кислоти. У світі цим способом одержують близько 30% деревної целюлози, якому використовують для виробництва різних сортів паперу та картону.

Похожие статьи