Способ получения целлюлозы
Владельцы патента RU 2490384:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХХТ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения целлюлозы из древесного сырья. Способ получения целлюлозы заключается в варке древесной щепы при температуре 90-98°C, интенсивном перемешивании и атмосферном давлении 740-760 мм рт.ст. в смеси, содержащей 3,9-5,6% мас. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты в присутствии 2,0% от массы щепы сернокислотного катализатора, при продолжительности варки 2,5-3,5 ч и гидромодуле 5-10 с последующим выделением целевого продукта. Обеспечивается упрощение способа получения целлюлозы, повышение выхода целевого продукта, улучшение качественных характеристик целевого продукта за счет повышения содержания в нем холоцеллюлозы и снижения остаточного лигнина. 1 табл., 11 пр.
Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано для получения целлюлозы из древесного сырья.
Известен способ получения целлюлозного полуфабриката путем предварительной обработки древесной щепы смесью 90%-ной уксусной кислоты и концентрированной серной кислоты при 95°С и последующей варки обработанной щепы смесью 90% уксусной кислоты и 30% перекиси водорода в присутствии катализатора - серной кислоты, при температуре 70-100°C в течение 2,0-2,5 ч [SU 821614, опубл. 15.04.81].
Недостатками данного способа являются: многостадийность процесса получения целлюлозы и низкий выход целевого продукта (45-60% мас.), а также использование концентрированной уксусной кислоты (90% мас.).
Известен способ получения целлюлозного полуфабриката из древесины лиственных пород путем варки щепы в автоклаве в смеси концентрированной уксусной кислоты и пероксида водорода, взятого в количестве 1,75-10% от массы щепы, при температуре 80-130°C, гидромодуле 1:1 в течение 2,0-4,0 ч. После варки уксусную кислоту отдувают водяным паром, проводят щелочную экстракцию 4%-ным раствором NaOH при температуре 120-150°C в течение 1,0-1,5 ч при гидромодуле 1:4 и промывают водой [RU 2019609, опубл. 15.09.1994].
Недостатком данного способа является его технологическая сложность, а именно: использование специфичного автоклавного оборудования, варка щепы при повышенных температурах 105-130°C, дополнительная стадия отдувки водяным паром концентрированной уксусной кислоты, последующая щелочная экстракция щепы при температуре 150°C, суммарная продолжительность процесса 4-5 ч. Качественные показатели целлюлозного полуфабриката (выход продукта, содержание в нем целлюлозы и лигнина) не указаны.
Наиболее близким по технологической сущности и назначению к предлагаемому способу является способ получения целлюлозного полуфабриката путем варки древесной щепы в смеси из 37%-ного раствора пероксида водорода, 30%-ного раствора уксусной кислоты и сернокислотного катализатора в количестве 1,5-2,5% от массы абсолютно сухой древесины. Гидромодуль процесса составлял 10, температура варьировалась от 120 до 150°C, продолжительность 2-5 ч. Варку осуществляли под давлением в автоклаве из нержавеющей стали [RU 2150538, опубл. 10.06.2000].
Недостатком данного способа является его технологическая сложность: использование специального автоклавного оборудования, высокая температура процесса, низкий выход (38,8-54,0% мас.), а также невысокое качество целевого продукта (содержание в нем целлюлозы 75,7-86,6% мас.).
Задачей настоящего изобретения является упрощение способа, повышение выхода целевого продукта и улучшение его качественных характеристик.
Технический результат изобретения:
- упрощение способа за счет проведения процесса при атмосферном давлении и при пониженной температуре;
- повышение выхода целевого продукта;
- улучшение качественных характеристик целевого продукта за счет повышения содержания в нем холоцеллюлозы и снижения содержания остаточного лигнина.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе получения целлюлозы путем варки древесной щепы в смеси, содержащей 3,9-5,6% мас. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты в присутствии сернокислотного катализатора 2,0% от массы щепы, при продолжительности варки 2,5-3,5 ч и гидромодуле 5-10, согласно изобретению, варку древесной щепы проводят при интенсивном перемешивании сырья и смеси реагентов при температуре 90-98°C, атмосферном давлении 740-760 мм рт.ст.
Сравнительный анализ признаков прототипа и предлагаемого изобретения показал, что общими признаками являются:
- состав варочной смеси (3,9-5,6% мас. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты и 2,0% от массы щепы сернокислотного катализатора);
- продолжительность варки - 2,5-3,5 ч
- гидромодуль процесса 5-10.
В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении не используют автоклав, а варку щепы осуществляют при атмосферном давлении и интенсивном перемешивании при пониженной температуре - 90-98°C.
Сочетание мягких условий варки, а именно пониженной температуры, обычного атмосферного давления, интенсивного перемешивания и варочного раствора низкой концентрации (3,9-5,6% мае. пероксида водорода, 25,2-26,7% мас. уксусной кислоты) дало неожиданные результаты. В предлагаемом способе удалось уменьшить образование побочных веществ и удалить растворимый деполимеризованный низкомолекулярный лигнин, предотвратив его конденсацию при повышенных температурах и образование так называемого «псевдолигнина». В результате повысился выход целевого продукта с 47 до 66,8% мас. и улучшились его качественные характеристики. Так, повышено количество холоцеллюлозы до 95,7% мас. и снижено содержание остаточного лигнина до 0-0,9% мас.
Предлагаемый способ подтверждается конкретными примерами.
Пример 1. 10 г абсолютно сухой щепы осины с размером частиц 5-10 мм помещают в двугорлую колбу и заливают смесью, содержащей 26,7% мас. уксусной кислоты, 3,9% мас. пероксида водорода и 2% H2SO4 от массы абсолютно сухой древесины. Гидромодуль процесса составляет 5. Колбу устанавливают в термостат, подсоединяют к обратному холодильнику и вертикальной мешалке с интенсивным перемешиванием (25 оборотов/с), и осуществляют варку при 98°C в течение 3,5 ч. Полученный целевой продукт отделяют от варочного щелока, промывают теплой дистиллированной водой в вакуумном фильтре до нейтральной среды и сушат при температуре 103°C до постоянного веса. Выход целевого продукта составляет 66,8% мас., содержание холоцеллюлозы в продукте 89,0% мас., гемицеллюлоз - 3,8% мас., лигнина - 6,8% мас. (см.табл.). В полученном целевом продукте остается повышенное содержание лигнина и встречаются фрагменты «непровара».
Примеры 2. Варку щепы проводят при таком же перемешивании, той же температуре, продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 1. Отличие в гидромодуле процесса - 7,5. Как следует из данных, представленных в таблице 1, наблюдается небольшое снижение выхода целевого продукта (до 59,0% мас.), но при этом существенно увеличивается содержание холоцеллюлозы (до 95,7% мас.), а остаточный лигнин в продукте обнаруживается в небольшом количестве (0,9% мас.).
Пример 3. Варку щепы осины выполняют так же, как и в примере 1, но при гидромодуле 10. В результате получен целевой продукт с выходом 59,0% мас., содержание холоцеллюлозы в продукте 93,5% мас., гемицеллюлоз - 5,3% мас., лигнина - 0,5% мас. (см.табл.).
Примеры 4-6. Варку щепы осины выполняют аналогично примерам 1-3, но реакционная смесь содержит 25,2% мас. уксусной кислоты, 5,6% мас. пероксида водорода и H2SO4 2% от массы абсолютно сухой древесины. Гидромодуль процесса составляет 5, 7.5 и 10. Выход целевого продукта составляет 59,2-60,7% мас., содержание холоцеллюлозы в продукте варьируется в пределах 91,7-94,2% мас., гемицеллюлоз - 5,9-4,2% мас., лигнина - 0,2-1,3% мас. (см. табл.). При гидромодулях 7,5 и 10 получен целевой продукт, практически не содержащий остаточного лигнина.
Как следует из представленных примеров, высокий выход целевого продукта, высокое содержания в нем холоцеллюлозы при низком содержании остаточного лигнина наблюдается в условиях варки по примерам 2, 3 и 5, 6 (см. табл.). Поскольку расход пероксида водорода существенно влияет на стоимость целлюлозы, целесообразно использовать минимальную концентрацию пероксида в реакционном растворе. При условиях варки, приведенных в примере 2, можно получить из древесины осины качественный целевой продукт с высоким выходом, высоким содержанием холоцеллюлозы и низким содержанием лигнина (<1% мас.) при концентрации пероксида водорода около 4% мас.
Пример 7. Варку проводят при таком же перемешивании, гидромодуле, такой же температуре и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но продолжительность процесса сокращена до 2,5 ч. В результате получен целевой продукт с выходом 64,0% мас., содержание холоцеллюлозы в нем 89,6% мас., гемицеллюлоз - 6,9% мас., лигнина - 3,2% мас. (см. табл.). Присутствие «непровара» в целлюлозном продукте свидетельствует о недостаточной продолжительности процесса варки.
Пример 8. Варку проводят при таком же перемешивании, гидромодуле, такой же продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но температура процесса снижена до 90°C. В результате получен целевой продукт с выходом 62,2% мас., содержание холоцеллюлозы в нем 89,2% мас., гемицеллюлоз - 8,7% мас., лигнина - 1,8% мас. (см. табл.).
Пример 9. Варку проводят при таком же тидромодуле, такой же температуре, продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но без перемешивания. В результате при высоком выходе целевого продукта - 65,7% мас., остается повышенным в нем содержание лигнина - 6,3% мас. и гемицеллюлоз - 10,4% мас.
Пример 10. Варку проводят при таком же гидромодуле, такой же продолжительности и составе реакционной смеси, что и в примере 2, но применяют слабое перемешивание (7 оборотов/с). В результате сохраняется высокий выход продукта - 63,8% мас., но остается повышенным в нем содержание лигнина - 4,7% мас., а содержание холоцеллюлозы составляет 87,5% мас.
Пример 11. Варку щепы осины выполняют так же, как и в примере 2, но применяют средней интенсивности (14 оборотов/с) перемешивание реакционной смеси и щепы. В результате получен приемлемого качества целевой продукт с выходом 63,3% мас., содержанием холоцеллюлозы в нем 92,1% мас., гемицеллюлоз - 4,6% мас., лигнина - 2,5% мас.
Таким образом, предложен простой и удобный способ получения целлюлозы с высоким выходом и улучшенными качественными характеристиками. В предлагаемом изобретении, по сравнению с прототипом, повышен выход целевого продукта с 47,0% мас. до 66,8% мае., а также снижено содержание остаточного лигнина до 0-0,9% мас.
| Таблица | |||||||
| Влияние условий варки древесины осины при атмосферном давлении на выход целлюлозного продукта и содержание в нем основных компонентов (T=98°C, продолжительность 3,5 ч, катализатор H2SO4 2% от массы а.с.д., интенсивность перемешивания 25 оборотов/с) | |||||||
| № примеров | Концентрация реагентов вреакционной смеси, % мас. | ГМ | Выход целлюлозного продукта, % от массы а.с.д. | Содержание в продукте, % от массы целлюлозного продукта | |||
| Н2О2 | CH3COOH | холоцеллюлоза | гемицеллюлозы | лигнин | |||
| 1 | 3,9 | 26,7 | 5 | 66,8 | 89,0 | 3,8 | 6,8 |
| 2 | 3,9 | 26,7 | 7,5 | 59,0 | 95,7 | 3,5 | 0,9 |
| 3 | 3,9 | 26,7 | 10 | 59,0 | 93,5 | 5,3 | 0,5 |
| 4 | 5,6 | 25,2 | 5 | 60,7 | 94,2 | 4,2 | 1,3 |
| 5 | 5,6 | 25,2 | 7,5 | 59,2 | 93,8 | 5,8 | 0,2 |
| 6 | 5,6 | 25,2 | 10 | 59,2 | 91,7 | 5,9 | 0 |
| 7*1 | 3,9 | 26,7 | 7,5 | 64,0 | 89,6 | 6,9 | 3,2 |
| 8*2 | 3,9 | 26,7 | 7,5 | 62,2 | 89,2 | 8,7 | 1,8 |
| 9*3 | 3,9 | 26,7 | 7,5 | 65,7 | 82,8 | 10,4 | 6,3 |
| 10*4 | 3,9 | 26,7 | 7,5 | 63,8 | 87,5 | 7,5 | 4,7 |
| 11*5 | 3,9 | 26,7 | 7,5 | 63,3 | 92,1 | 4,6 | 2,5 |
| ГМ - гидромодуль | |||||||
| *1 продолжительность 2,5 ч | |||||||
| *2 температура 90°C | |||||||
| *3 без перемешивания | |||||||
| *4 интенсивность перемешивания 7 оборотов/с | |||||||
| *5 интенсивность перемешивания 14 оборотов/с | |||||||
| а.с.д. - абсолютно сухая древесина |
Способ получения целлюлозы путем варки древесной щепы в смеси, содержащей 3,9-5,6 мас.% пероксида водорода, 25,2-26,7 мас.% уксусной кислоты в присутствии 2,0% от массы щепы сернокислотного катализатора, при продолжительности варки 2,5-3,5 ч и гидромодуле 5-10 с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что варку древесной щепы проводят при интенсивном перемешивании при температуре 90-98°C и атмосферном давлении 740-760 мм рт.ст.
