Способ обработки целлюлозы и целлюлоза, обработанная согласно такому способу
Изобретение относится к способу очистки суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, причем способ содержит следующие стадии: обеспечение суспензии, содержащей целлюлозу и жидкость, подвергание суспензии воздействию электрического поля, вынуждающего течь жидкость суспензии, отделение жидкости от целлюлозы с получением обедненной жидкостью суспензии, добавление промывной жидкости, такой как органический растворитель, к обедненной жидкостью суспензии, подвергание обедненной жидкостью суспензии воздействию электрического поля, вынуждающего течь промывную жидкость суспензии, и отделение промывной жидкости от целлюлозы, с получением очищенной целлюлозы. Изобретение также относится к целлюлозе, такой как микрофибриллированная целлюлоза, получаемой согласно упомянутому способу. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способу очистки, такому как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, путем воздействия на суспензию электрического поля.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ), которая также известна как наноцеллюлоза, представляет собой материал, обычно получаемый из волокон древесной целлюлозы. Ее также можно получать из микробиологических источников, сельскохозяйственных волокон, растворимой целлюлозы или КМЦ и т.д. В микрофибриллированной целлюлозе отдельные микрофибриллы частично или полностью отделены друг от друга.
Микрофибриллированная целлюлоза обладает очень высокой водосвязывающей способностью, и поэтому очень трудно уменьшать водосодержание суспензии, содержащей микрофибриллированную целлюлозу, и при этом соответственно трудно осуществлять очистку. Высокое водосодержание суспензии, содержащей микрофибриллированную целлюлозу, также препятствует использованию МФЦ во многих различных областях применения, где могла бы потребоваться МФЦ с высоким содержанием твердых веществ.
В настоящее время существует несколько разных способов удаления воды из суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза. Например, можно применять разные методы сушки. Примеры разных методов сушки: сушка вымораживанием (сублимационная сушка), распылительная сушка и сверхкритическая сушка. Однако такие методы являются довольно энергоемкими и поэтому экономически неэффективны для применения в крупномасштабных процессах. Также когда вода удаляется с помощью разных методов сушки, часто происходит ороговение или чрезмерное ороговение волокон микрофибриллированной целлюлозы. Ороговение происходит в том случае, когда между волокнами образуются необратимые связи. Когда произошло ороговение, волокна не могут растягиваться и разбухать в воде и первоначальная водосвязывающая способность волокон при этом утрачивается. Ороговение можно предотвращать путем добавления химических реагентов, которые физически предохраняют или модифицируют волокна таким образом, что образование связей между целлюлозными волокнами ограничивается или предотвращается. В CA1208631A описан способ повторного диспергирования высушенной микрофибриллированной целлюлозы путем введения добавок, которые будут предохранять фибриллы от связывания друг с другом и при этом также препятствовать ороговению волокон.
Кроме того, автором Luchache и др. в "Annals of the University of Craiova, Electric Engineering series", № 32, 2008; ISSN 1842-4805, раскрыто обезвоживание целлюлозной массы и бумажного шлама.
С целью удаления воды из суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, также можно применять способы механической обработки. Однако они обычно не очень эффективны из-за небольшого размера волокон и гранулометрического состава микрофибриллированной целлюлозы. Кроме того, фильтрация суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, затруднена из-за образуемого суспензией плотного полотна. К тому же связи между волокнами микрофибриллированной целлюлозы также довольно прочные, что также будет делать механическое обезвоживание менее эффективным.
Неэффективность или ограничения при сушке, например при обезвоживании под давлением, будут создавать дополнительные проблемы с удалением ионов составляющих целлюлозы. Поскольку во время обезвоживания образуется фильтровальный осадок, получается более высокое сопротивление обезвоживанию. В то же время, например, ионы или другие растворимые компоненты более трудно поддаются удалению, поскольку они могут накапливаться в фильтровальном осадке. Следовательно, получаемый обезвоженный фильтровальный осадок МФЦ фактически может содержать первоначальное количество ионов или даже существенно более высокое количество ионов.
При применении обычного способа сушки ионы и оставшиеся химические вещества будут сохраняться в концентрированных суспензиях волокон и, в конечном счете, в высушенной МФЦ или образце целлюлозы.
Таким образом, существует потребность в усовершенствованном способе очистки, таком как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, не вызывающем ороговения или чрезмерного ороговения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение решает одну или более из вышеуказанных проблем, предусматривая согласно первому аспекту изобретения способ очистки, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, причем способ содержит следующие стадии:
- обеспечение суспензии, содержащей целлюлозу и жидкость,
- подвергание суспензии воздействию электрического поля, вынуждающего течь жидкость суспензии,
- отделение жидкости от целлюлозы с получением обедненной жидкостью суспензии,
- добавление промывной жидкости, такой как органический растворитель, к обедненной жидкостью суспензии,
- подвергание обедненной жидкостью суспензии воздействию электрического поля, вынуждающего течь промывную жидкость суспензии, и
- отделение промывной жидкости от целлюлозы с получением очищенной целлюлозы.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение также предусматривает целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, очищенную согласно первому аспекту.
Согласно третьему аспекту настоящее изобретение также предусматривает целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, получаемую по способу согласно первому аспекту.
Согласно четвертому аспекту настоящее изобретение также предусматривает применение целлюлозы, такой как микрофибриллированная целлюлоза, согласно второму или третьему аспекту в повышающей прочность добавке, загустителе, модификаторе вязкости, реологическом модификаторе, чистящем порошке, стиральном порошке, детергенте, пенообразующем составе, барьере, пленке, пищевом продукте, фармацевтической композиции, косметическом продукте, бумажном или картонном изделии, покрытии, гигиеническом/впитывающем продукте, эмульгаторе/диспергаторе, буровом растворе, композиционном материале, при очистке воды, в фильтре, в солнечном элементе, в батарее, в электронной плате (которая может быть гибкой, печатной или снабженной покрытием) или для повышения реакционной способности целлюлозы при производстве регенерированной целлюлозы или производных целлюлозы.
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ очистки, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, усовершенствованным образом.
Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить обезвоженную целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, с улучшенными свойствами.
Эти, а также другие цели и преимущества достигаются с помощью способа согласно первому аспекту, который также отражен в пункте 1 формулы изобретения. Было показано, что применение электрического поля будет сильно улучшать очистку, такую как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами (углеводами), предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза.
Очистку, такую как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, можно предпочтительно осуществлять, используя обезвоживание с применением электроосмоса (или капиллярного электрофореза). Такое обезвоживание также может дополнительно включать в себя возбуждение других внешних источников, таких как механические или оптические или магнитное поле. Один из примеров представляет собой ультразвуковую обработку. Очистка также может сопровождаться любым из упомянутых ниже способов или их сочетанием для дополнительной сушки материала:
1) способы сушки выпариванием;
2) сушка вымораживанием (сублимационная сушка) из-за повышенного содержания твердых веществ;
3) при сушке обезвоженного материала также можно применять введение добавок против ороговения;
4) обезвоженный материал может также быть частично подсушен далее, чтобы получить материал, который ведет себя подобно твердым частицам и поэтому легко используется в коммерческих областях применения, все еще легко смешиваясь с другими компонентами и диспергируясь в них (по существу сохраняются отдельные волокна), или удобен в применении сам по себе.
Предпочтительно, чтобы применялось электрическое поле с напряжением 10-100 В. Увеличение напряжения обычно повышает степень извлечения воды. Оптимальным является значение, при котором сила тока генерируемого электрического поля и градиент напряжения находятся на максимально допустимых уровнях.
Также к суспензии можно прикладывать давление и/или тепло для того, чтобы дополнительно улучшать очистку суспензии, такую как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно при использовании обезвоживания. Давление можно прикладывать после того, как было приложено электрическое поле и началось обезвоживание суспензии. Это связано с тем, что может быть предпочтительным повышать содержание сухой массы в суспензии перед тем, как прикладывать давление. Еще одна возможность состоит в том, чтобы иметь слабое обезвоживание в E-поле одновременно с тем, как прикладывается механическое давление. Однако, разумеется, это зависит от содержания сухой массы в обрабатываемой суспензии.
Прикладываемое давление предпочтительно представляет собой механическое давление, такое как сжатие при помощи отжимного вала или прессовых сукон.
Содержание сухой массы в суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, перед очисткой, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, предпочтительно составляет примерно 1-10% по массе. После обработки согласно данному способу предпочтительно, чтобы содержание сухой массы в очищенной, например обедненной солями/ионами и/или обедненной свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, составляло примерно 5-50% по массе.
Температура суспензии во время очистки, предпочтительно включающей в себя обезвоживание, предпочтительно составляет более 30°C и предпочтительно менее 100°C.
Суспензия также может содержать наночастицы (такие как абсорбенты), соль и/или поверхностно-активные вещества, которые возбуждаются электрическим полем и улучшают течение жидкости. Таким образом повышается очистка суспензии, обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно включая обезвоживание. Кроме того, могут уменьшаться запахи.
Настоящее изобретение также относится к целлюлозе, такой как микрофибриллированная целлюлоза, очищенной, например обедненной солями/ионами и/или обедненной свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, согласно описанному выше способу. Было показано, что при очистке, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, с помощью электрического поля не будет происходить или будет происходить очень ограниченное ороговение микрофибриллированных целлюлозных волокон.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу очистки, такому как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза. Из-за характеристик волокон микрофибриллированной целлюлозы, например их размера, гранулометрического состава и связей между волокнами, обычно очень трудно проводить очистку, такую как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, суспензии, содержащей микрофибриллированную целлюлозу, с применением обезвоживания.
По всему настоящему описанию подразумевается, что выражение "целлюлоза" охватывает любой тип целлюлозы, такой как целлюлозные волокна (целлюлозный материал). Целлюлоза также может представлять собой микрофибриллированную целлюлозу (МФЦ). Целлюлоза может быть беленой или небеленой. Целлюлоза также может представлять собой кристаллическую целлюлозу, МКЦ (микрокристаллическую целлюлозу; иметь высокую степень чистоты, необходимую для ее потенциально возможного применения в фармацевтических композициях или по другим медицинским назначениям), БНЦ, НКЦ (нанокристаллическая целлюлоза; может использоваться в связанных с электричеством областях применения и обладает магнитными свойствами), ЦНК, КМЦ (карбоксиметилированная целлюлоза) или синтетические полимерные волокна и волокна, получаемые из растворимой целлюлозы. Целлюлоза может присутствовать в виде целлюлозной массы, которая может представлять собой целлюлозу химической переработки, механическую древесную массу, термомеханическую древесную массу или химико(термо)механическую древесную массу (CMP или CTMP). Упомянутая целлюлоза химической переработки предпочтительно представляет собой сульфитную целлюлозную массу или крафтцеллюлозную массу.
Целлюлозная масса может состоять из целлюлозной массы, полученной из твердой древесины, мягкой древесины или древесины обоих типов. Целлюлозная масса, например, может содержать смесь сосновой древесины и древесины других хвойных деревьев или смесь березовой древесины и древесины хвойных деревьев. Целлюлозные массы химической переработки, которые могут применяться в настоящем изобретении, включают в себя все типы целлюлозных масс на основе древесины химической переработки, таких как беленые, полубеленые и небеленые сульфитные, крафтцеллюлозные и натронные целлюлозные массы и их смеси. Целлюлозная масса может быть растворимого типа. Целлюлозная масса также может содержать текстильные волокна. Целлюлозная масса также может происходить из сельскохозяйственной культуры (например, картофеля, бамбука или моркови).
По всему настоящему описанию подразумевается, что выражение "свободный сахар" охватывает не только сахара в мономерных формах, но и низкомолекулярные полимеры. Оно также охватывает свободные углеводы.
Было показано, что, подвергая суспензию, содержащую целлюлозу, такую как волокна микрофибриллированной целлюлозы, воздействию электрического поля, можно сильно улучшить очистку, такую как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания. Одна из теорий того, почему оно работает так хорошо, заключается в том, что электрическое поле вынуждает жидкости суспензии течь и при этом отрывает молекулы воды от волокон микрофибриллированной целлюлозы вместо того, чтобы сталкивать микрофибриллированные волокна, как это будет делать механическая обработка. Отрыв молекул воды также сделает возможным удаление молекул воды, поглощенной микрофибриллированными волокнами, очень эффективным образом. При этом очень легко очищать целлюлозные волокна суспензии.
Было показано, что при очистке, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, путем подвергания суспензии воздействию электрического поля не будет происходить значительного ороговения микрофибриллированных волокон. При этом микрофибриллированная целлюлоза, полученная согласно способу по первому аспекту, может разбухать, когда микрофибриллированная целлюлоза повторно вступает в контакт с водой. Это имеет большое значение, когда микрофибриллированная целлюлоза, например, применяется в качестве повышающей прочность добавки, загустителя или в качестве модификатора вязкости. К тому же связывающая способность обезвоженной микрофибриллированной целлюлозы также очень хорошая, т.е. значительного снижения связывающей способности не наблюдается.
Когда речь идет об обеднении солями/ионами, такой эффект может быть обусловлен тем фактом, что градиент электрического напряжения вызывает миграцию разных ионов с фильтратом. Это приводит к снижению удельной проводимости продукта и снижению проводимости образца.
Предпочтительные варианты воплощения первого аспекта изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, и его сущность дополнительно излагается ниже.
Обезвоживание предпочтительно осуществляют при использовании электроосмоса. Электроосмотическое течение часто сокращенно обозначают как EOF, что равнозначно электроосмосу или электроэндоосмосу. FFF также представляет собой еще один электроосмотический процесс. Электроосмос - это движение жидкости, такой как вода, вызванное приложенным потенциалом или электрическим полем, через пористый материал, капиллярную трубку, мембрану, микроканал или любой другой проточный канал. Генерируемое электрическим полем напряжение предпочтительно составляет 10-100 В.
Содержащую ионы/соли и или свободные сахара жидкость суспензии отделяют от целлюлозы, такой как микрофибриллированная целлюлоза, путем удаления жидкости. Предпочтительно это можно сделать с помощью разных методов фильтрования.
Суспензия содержит целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, и жидкость. Жидкость может представлять собой воду, растворитель и смеси разных растворителей и/или жидкостей. Растворитель может представлять собой спирт, такой как изопропанол, полиэтиленгликоль, гликоль или этанол. Он также может представлять собой кислоту или основание. Растворители, такие как изопропанол, могут менять поверхностное натяжение суспензии, и это будет способствовать обезвоживанию. Растворителем также может быть растворитель с по меньшей мере одной кетонной группой, и им предпочтительно может быть ацетон. Также возможно, что жидкость представляет собой ионную жидкость. Суспензия также может содержать наночастицы, полимеры, пигменты, соли и/или поверхностно-активные вещества, которые возбуждаются электрическим полем и будут улучшать миграцию и движение жидкости, т.е. течение, в электрическом поле, а значит, и обезвоживание.
Согласно другому предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения промывная жидкость представляет собой воду и/или органический растворитель. Органическим растворителем предпочтительно является ацетон. В случае если желательна сушка в качестве последующей стадии способа согласно изложенному ранее первому аспекту, то вода (наиболее предпочтительно - дистиллированная вода) является предпочтительной в качестве промывной жидкости в случае целлюлозы, представляющей собой МФЦ, НКЦ, НФЦ или другое производное целлюлозы, в более эффективной степени (растворителей следует избегать), чтобы избежать ороговения.
Как указано выше, суспензия также может содержать волокна регулярной длины. Также возможно, что суспензия содержит наполнители, такие как наноглины, абсорбенты на полимерной основе, РСС, каолин или карбонат кальция. Количества микрофибриллированной целлюлозы в суспензии могут составлять между 20-90% по массе, количество имеющих регулярные размеры волокон, таких как крафтцеллюлозные волокна из древесины твердых и/или мягких пород, может составлять 10-80% по массе. Если в суспензии присутствуют бóльшие количества наполнителей и более длинных волокон, с помощью способа обезвоживания согласно изобретению можно добиться суспензии с очень высоким содержанием сухой массы. Можно добиться содержания сухой массы вплоть до 90% по массе, поскольку присутствие длинных волокон и/или наполнителей будет облегчать обезвоживание суспензии.
Однако предпочтительно применять суспензию, содержащую высокие количества микрофибриллированной целлюлозы. Часто предпочтительной является суспензия, содержащая микрофибриллированную целлюлозу в количестве 80-100% по массе или 80-90% по массе. Во многих случаях предпочтительно, чтобы суспензия содержала 100% микрофибриллированной целлюлозы, т.е. волокна более длинного размера не присутствуют. Количество микрофибриллированной целлюлозы зависит от конечного применения микрофибриллированной целлюлозы.
Также можно быть выгодно подвергать суспензию воздействию повышенного давления в комбинации с электрическим полем. Было показано, что комбинация электрического поля и давления будет сильно улучшать очистку, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза. Предпочтительно прикладывать давление после того, как началось обезвоживание электрическим полем, т.е. когда содержание сухой массы в суспензии повысилось предпочтительно до примерно 4% по массе. Если содержание сухой массы в суспензии слишком низко, когда прикладывается давление, микрофибриллированная целлюлоза продавливается через отверстия устройства обезвоживания вместе с водой и никакой очистки (такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами) микрофибриллированной целлюлозы происходить не будет. Когда содержание сухой массы в суспензии повышается, вязкость также повышается, можно прикладывать давление к суспензии и можно повысить обезвоживание суспензии.
Давление предпочтительно представляет собой механическое давление, прикладываемое любым возможным образом. Например, для приложения механического давления к суспензии во время обезвоживания можно применять отжимной вал, ленточный транспортер или прессовые сукна. Также можно объединять обработку электрическим полем с другими видами обработки для того, чтобы повышать обезвоживание. Примерами других видов обработки помимо увеличения давления являются акустические и вакуумные системы.
Содержание сухой массы в суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, перед очисткой, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, составляет примерно 1-50% по массе. Оно также может составлять примерно 1-30% по массе или примерно 1-10% по массе.
После обработки согласно способу по первому аспекту предпочтительно, чтобы содержание сухой массы в обезвоженной суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, составляло примерно 5-50% по массе, более предпочтительно - выше 20% по массе. Следовательно, можно получать содержащую микрофибриллированную целлюлозу суспензию с очень высоким содержанием сухой массы очень энергоэффективным образом. Даже в том случае, когда содержание сухой массы повышается, свойства микрофибриллированной целлюлозы, например способность разбухать в воде и прочность, после разбавления водой сохраняются.
Перед обезвоживанием температура суспензии может быть ниже 30°C и повышаться во время процесса обезвоживания, но должна поддерживаться при температуре ниже 100°C. Однако также возможны более низкие температуры, например комнатные температуры. Температуру следует предпочтительно поддерживать ниже точки кипения. Повышенная температура может улучшать обезвоживание. Это связано с тем, что вязкость воды уменьшается.
Настоящее изобретение также относится к целлюлозе, такой как микрофибриллированная целлюлоза, очищенной согласно способу по упомянутому выше первому аспекту. Было показано, что при очистке, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, с помощью электрического поля, не будет происходить или будет происходить очень ограниченное ороговение волокон микрофибриллированной целлюлозы. Следовательно, можно производить микрофибриллированную целлюлозу с улучшенными свойствами быстрым и очень энергоэффективным путем по сравнению, например, с применением методов сушки.
Микрофибриллированное целлюлозное волокно обычно очень тонкое (~20 нм), и его длина часто составляет от 100 нм до 10 мкм. Однако микрофибриллы также могут быть более длинными, например между 10-200 мкм, хотя из-за широкого распределения длин можно обнаружить даже волокна длиной 2000 мкм. В определение МФЦ включены волокна, которые фибриллированы и которые имеют микрофибриллы на поверхности и микрофибриллы, которые выделяются и локализуются в водной фазе суспензии. К тому же в определение МФЦ также включены нитевидные кристаллы.
Микрофибриллированную целлюлозу обычно получают из целлюлозных волокон древесины, при этом можно применять волокна как твердой древесины, так и мягкой древесины. Ее также можно получать из микробиологических источников, сельскохозяйственных волокон, таких как волокнистая масса пшеничной соломы, или других, недревесных источников волокон. Ее также можно производить с помощью бактерий или получать из КМЦ.
Кроме того, применение такого электрического поля, предусмотренное в первом аспекте изобретения, также уменьшает число бактерий, поскольку их клеточные стенки будут разрушаться. Способ согласно первому аспекту, поскольку он удаляет ионы, также удаляет ионы и воду и из микробов. Это означает, что такое удаление ионов и удаление воды будет давать бактерицидный/противомикробный эффект.
Согласно еще одному предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения способ согласно первому аспекту изобретения может сопровождаться одной или более стадиями модификации, такими как обмен противоионов, как изложено ниже.
Согласно еще одному предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения целлюлозу согласно второму и третьему аспектам можно дополнительно обрабатывать с применением ионного обмена, например, как раскрыто в WO2009126106, которая описывает способ модификации волокон целлюлозы. Было бы возможно превращать целлюлозу в формы с разными противоионами, чтобы получать, например, КМЦ (карбоксиметилированную целлюлозу), адсорбированную на/абсорбированную в волокнах. При этом было бы, например, возможно иметь модификацию противоионом натрия для повышения получения МФЦ. Также было бы возможно, например, переходить от Ca-й формы к Na-й форме и наоборот.
Согласно еще одному предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения обмен противоионов, который предпочтительно следует после стадий способа по первому аспекту, можно осуществлять с помощью способа, содержащего следующие стадии:
1) вымывание ионов из целлюлозной массы с помощью электроосмоса (пока проводимость фильтрата не станет достаточно низкой), необязательно с последующим добавлением жидкости, предпочтительно дистиллированной воды,
2) промывание "отмытой" целлюлозной массы карбонатом натрия, таким как NaHCO3, и щелочным средством, таким как NaOH (для повышения pH до примерно 9), предпочтительно это можно осуществлять путем добавления NaHCO3 и NaOH в промывную жидкость электроосмотического устройства;
3) промывание целлюлозной массы дистиллированной водой в электроосмотическом устройстве для удаления избытка Na-ионов.
Обмен противоионов, как указано выше, был бы желателен в нескольких областях применения:
- чтобы сделать целлюлозную массу более гомогенной для химических реакций,
- чтобы сделать возможными разные химические реакции,
- чтобы повысить реакционную способность целлюлозной массы,
- чтобы улучшить сушку или
- чтобы улучшить повторную диспергируемость однажды высушенной целлюлозной массы.
При применениях в барьерах, которые могут быть многослойными, как указано в четвертом аспекте настоящего изобретения, применение целлюлозы по второму и третьему аспекту может быть особенно желательно в упаковке электронного оборудования или при изготовлении солнечных элементов или батарей из целлюлозы с учетом ее чистоты.
Очищенная целлюлоза согласно второму и третьему аспекту может быть представлена в виде целлюлозных масс с низким содержанием металлов. Сами по себе их можно применять для изготовления бумаги с низкой проводимостью (благодаря диэлектрическим свойствам), для ферментативных обработок целлюлозных масс или в виде целлюлозной массы для химических модификаций.
Очищенная целлюлоза согласно второму и третьему аспекту в виде микрофибриллированной целлюлозы может быть особенно полезна в следующих областях применения/использования:
- барьеры благодаря улучшенным пленкобразующим свойствам;
- стиральные порошки благодаря лучшему удалению Ca2+ (абсорбируется/адсорбируется) или в других подобных областях применения, где жесткая вода представляет собой проблему;
- очистка питьевой воды, поскольку можно добиться лучшего удаления тяжелых металлов из питьевых вод (до сих пор это является большой проблемой в некоторых регионах мира);
- за счет окисления и разных добавок можно улучшать свойства поглощения металлов;
- абсорбенты металлов, которые являются биоразлагаемыми.
Предпочтительные признаки каждого аспекта изобретения такие же, как и в случае каждого из других аспектов с соответствующими поправками. Упоминаемые здесь документы уровня техники включены сюда в наиболее полном объеме, разрешенном законодательством. Изобретение дополнительно описано в следующих примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи, единственной целью которых является иллюстрация изобретения и которые ни в коей мере не предназначены ограничивать объем изобретения каким бы то ни было образом.
ЧЕРТЕЖИ
На фигуре 1 представлена схема установки обезвоживания (слева) и катодная пластина с отверстиями.
На фигуре 2 представлены зависимости силы тока и массы собранной воды от времени при постоянном приложенном напряжении 20 В.
На фигуре 3 представлено обезвоживание МФЦ с низкой проводимостью.
На фигуре 4 представлены временные зависимости массы воды, собранной во время обезвоживания МФЦ с низкой проводимостью при разных напряжениях.
ПРИМЕРЫ
1. Экспериментальная установка
Для исследования обезвоживания дисперсии МФЦ была собрана экспериментальная установка, схема которой приведена на фиг.1. Она состоит из пластиковой трубки с внутренним диаметром 46 мм, вмонтированной в воронку из нержавеющей стали. На нижнем конце трубки находится пластина с отверстиями, также изготовленная из нержавеющей стали, которая служит в качестве нижнего электрода, обычно катода. На пластину помещают бумажный фильтр, на фильтр загружают дисперсию МФЦ. В верхней части или сверху столба МФЦ находится еще один бумажный фильтр, выше которого помещен верхний электрод (анод).
Наилучших результатов достигали в эксперименте с платиновым электродом - не наблюдалось изменений процесса из-за коррозии или загрязнения электрода.
Установка по фиг.1 образовала ячейку с исследуемой МФЦ; на нее подавали напряжение постоянного тока от источника тока. Воду, выходящую из воронки, собирали в химический стакан, который находился на весах; во время экспериментов регистрировали массу воды, извлекаемой из МФЦ. Эксперименты обычно проводили в двух режимах: при постоянной величине напряжения U или при постоянной силе тока i.
Зависимости силы тока и массы собранной воды от времени при постоянном приложенном напряжении 20 В представлены на фигуре 2. Повышение давления вызывает как повышение силы тока, так и увеличение массы собранной воды.
При этом неожиданно было обнаружено, что электроосмотическое обезвоживание можно применять, если:
- в начале (более или менее) применяется только электроосмос;
- вследствие обезвоживания вязкость будет в достаточной степени повышаться, то можно прикладывать механическое давление (как показано на фиг.2).
На фигуре 3 представлено обезвоживание МФЦ с низкой проводимостью.
На фигуре 4 представлены временные зависимости массы воды, собранной во время обезвоживания МФЦ с низкой проводимостью при разных напряжениях. Повышение напряжения вызывает повышение скорости обезвоживания (первоначальный наклон) и технологической степени насыщения.
Пример 2
Контрольная МФЦ (исходная МФЦ) - содержание сухой массы (IR) 1,7%
Содержания солей/металлов в расчете на сухое вещество:
Al 9,5 мг/г
Fe 16 мг/г
Ca 1200 мг/кг
Cu 5,5 мг/кг
K 310 мг/кг
Mg 210 мг/кг
Mn 1,1 мг/кг
Na 1400 мг/кг
Ni 1,6 мг/кг
Pb 1,1 мг/кг
Si 76 мг/кг
Zn 5,9 мг/кг
Процедура обезвоживания 1 - только удаление воды
На катод помещали бумажный фильтр, затем МФЦ и затем второй бумажный фильтр. После чего сверху него накладывали анод. Давление (масса анода) составляло 750 кПа. Спустя короткое время (2 мин) добавляли дополнительный вес (давление до 2400 Па). Напряжение во время обезвоживания составляло 100 В, а время - 640 с. Процедуру повторяли 3 раза и повышали давление (последний раз до 4,6·105 Па).
Результаты обезвоживания МФЦ (электроосмос МФЦ) приведены ниже:
Содержания солей/металлов в расчете на сухое вещество - 30,5%:
Al 8,5 мг/кг
Fe 11 мг/кг
Ca 30 мг/кг
Cu 0,69 мг/кг
K 85 мг/кг
Mg 5,7 мг/кг
Mn 0,24 мг/кг
Na 12 мг/кг
Ni 0,68 мг/кг
Pb <0,4 мг/кг
Si 13 мг/кг
Zn 1,5 мг/кг
Пример 3
Контрольная МФЦ (исходная МФЦ) - содержание сухой массы (IR) 1,7%
Содержания солей/металлов в расчете на сухое вещество:
Al 9,5 мг/г
Fe 16 мг/г
Ca 1200 мг/кг
Cu 5,5 мг/кг
K 310 мг/кг
Mg 210 мг/кг
Mn 1,1 мг/кг
Na 1400 мг/кг
Ni 1,6 мг/кг
Pb 1,1 мг/кг
Si 76 мг/кг
Zn 5,9 мг/кг
Процедура обезвоживания 2 - удаление воды и промывание ацетоном
МФЦ обезвоживали 5 мин (как в процедуре 1 выше, т.е. примере 2). После чего ток выключали и добавляли ацетон (примерно такое же количество, сколько удалено воды на предыдущей стадии). После этого начинали обезвоживание и продолжали примерно 10 мин.
Результаты обезвоживания МФЦ (электроосмос МФЦ с ацетоном) приведены ниже.
Содержания солей/металлов в расчете на сухое вещество - 23,5%:
Al 4,6 мг/кг
Fe 10 мг/кг
Ca 10 мг/кг
Cu 0,68 мг/кг
K 40 мг/кг
Mg 7,1 мг/кг
Mn 0,13 мг/кг
Na 14 мг/кг
Ni 0,50 мг/кг
Pb <0,4 мг/кг
Si 13 мг/кг
Zn 1,5 мг/кг
Пример 4 - Температурное испытание
Температурные испытания проводили с применением той же самой установки, которая описана выше.
Температура 90-95°C - обезвоживание за 60 с = примерно 16 г воды.
Температура 21°C - обезвоживание за 60 с = примерно 13,5 г воды.
Согласно этому, чтобы повысить обезвоживание, выгодно применять более высокую температуру. При этом необходимая для обезвоживания энергия намного ниже при повышенных температурах.
Пример 5
Проводили дополнительный опыт, при котором удаляли еще больше ионов (особенно ионов Ca2+).
В начале общее количество составляло 20 г влажной МФЦ.
1) электроосмосом удаляли примерно 11 г воды
a) содержание металлов в воде:
i) Ca 14 мг/л,
ii) K 2,7 мг/л,
iii) Na 26 мг/л,
iv) Si 1,3 мг/л,
2) добавляли примерно 10 г дистиллированной воды;
3) удаляли примерно 10 г воды;
a) содержание металлов в воде:
i) Ca 8 мг/л,
ii) K 0,56 мг/л,
iii) Na 0,78 мг/л,
iv) Si 0,22 мг/л,
4) добавляли примерно 10 г дистиллированной воды;
5) удаляли примерно 9 г воды;
a) содержание металлов в воде:
i) Ca 7,4 мг/л,
ii) K 0,56 мг/л,
iii) Na 0 мг/л (ниже предела обнаружения),
iv) Si 0,076 мг/л,
6) дистиллированная вода (для сравнения)
a) содержание металлов в воде:
i) Ca 0,79 мг/л,
ii) K 0 (ниже предела обнаружения),
iii) Na 0 (ниже предела обнаружения),
iv) Si 0 (ниже предела обнаружения).
С учетом приведенного выше подробного описания настоящего изобретения специалистам в данной области техники станут очевидными другие модификации и вариации. Однако должно быть ясно, что такие другие модификации и вариации могут быть осуществлены без отступления от сущности и объема изобретения.
1. Способ очистки, такой как обеднение солями/ионами и/или обеднение свободными сахарами, предпочтительно с применением обезвоживания, суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, причем способ содержит следующие стадии:
- обеспечение суспензии, содержащей целлюлозу и жидкость,
- подвергание суспензии воздействию электрического поля, вынуждающего течь жидкость суспензии,
- отделение жидкости от целлюлозы с получением обедненной жидкостью суспензии,
- добавление промывной жидкости, такой как органический растворитель, к обедненной жидкостью суспензии,
- подвергание обедненной жидкостью суспензии воздействию электрического поля, вынуждающего течь промывную жидкость суспензии, и
- отделение промывной жидкости от целлюлозы с получением очищенной целлюлозы.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обезвоживание осуществляют электроосмосом.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что применяют электрическое поле с напряжением 10-100 В.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что также прикладывают давление для того, чтобы обезвоживать суспензию.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что давление прикладывают после того, как было приложено электрическое поле и началось обезвоживание.
6. Способ по любому из пп. 4, 5, отличающийся тем, что давление представляет собой механическое давление.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание сухой массы в суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, перед обезвоживанием, и/или обеднением солями/ионами, и/или обеднением свободными сахарами составляет примерно 1-50% по массе.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание сухой массы в обезвоженной суспензии, содержащей целлюлозу, такую как микрофибриллированная целлюлоза, составляет примерно 5-50% по массе.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура суспензии во время обезвоживания составляет выше 30°C и ниже 100°C.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что суспензия содержит наночастицы, абсорбенты, соль, свободные сахара и/или поверхностно-активные вещества, которые возбуждаются электрическим полем.
11. Способ по п. 1, при этом промывная жидкость представляет собой воду и/или органический растворитель.
12. Способ по п. 1 с последующим обменом противоионов и/или одной или более дополнительными стадиями промывания.
13. Целлюлоза, такая как микрофибриллированная целлюлоза, обезвоженная согласно способу по любому из пп. 1-11.
14. Целлюлоза, такая как микрофибриллированная целлюлоза, получаемая способом по любому из пп. 1-11.
15. Применение целлюлозы, такой как микрофибриллированная целлюлоза, по п. 13 или 14 в повышающей прочность добавке, загустителе, модификаторе вязкости, реологическом модификаторе, чистящем порошке, стиральном порошке, детергенте, пенообразующем составе, барьере, пленке, пищевом продукте, фармацевтической композиции, косметическом продукте, бумажном или картонном изделии, покрытии, гигиеническом/впитывающем продукте, эмульгаторе/диспергаторе, буровом растворе, композиционном материале, при очистке воды, в фильтре, в солнечном элементе, в батарее, в электронной плате или для повышения реакционной способности целлюлозы при производстве регенерированной целлюлозы или производных целлюлозы.
