Способ активации целлюлозы методом парового взрыва в щелочной среде

Изобретение относится к способу активации целлюлозы методом парового взрыва в щелочной среде. Способ активации целлюлозы методом парового взрыва включает следующие этапы: перемешивание целлюлозосодержащего сырья в щелочном растворе, продувку азотом, нагревание до необходимой температуры за 20-30 мин, выдерживание под избыточным давлением, полный сброс давления в течение 10 с, промывку водой и сушку. Сброс давления происходит через сливной кран с предохранительной сеткой. Из целлюлозы, полученной указанным способом, могут быть получены простые эфиры целлюлозы: метилгидроксипропилцеллюлоза, оксипропилцеллюлоза, этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, цианэтилцеллюлоза. Простые эфиры целлюлозы служат в качестве загустителей, стабилизаторов, прекурсоров и могут быть использованы в химической, фармацевтической, пищевой, косметической, полиграфической и иных видах промышленности. В процессе обработки целлюлозного сырья, благодаря резкому открытию сливного крана, давление в устройстве, осуществляющем термическое воздействие, резко уменьшается, за счёт чего происходит моментальное вскипание жидкой фазы по всему объему, в том числе и внутри растительных волокон, с образованием пара. Гидролизная жидкость в виде пара выбрасывается через сливной кран, а целлюлозные волокна остаются в устройстве, осуществляющем термическое воздействие под давлением, благодаря имеющейся предохранительной сетке. Образовавшийся внутри волокна пар имеет объем примерно в 1200 раз больше, чем объем воды. За счёт резкого вскипания происходит дополнительное физическое воздействие в виде разрыва волокон целлюлозы пузырьками пара, которое приводит к разрыхлению их надмолекулярной структуры, что в дальнейшем облегчает доступ реагентов и удаление продуктов реакции как при подготовительных операциях, так и при дальнейшем получении эфиров целлюлозы. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

1. Наименование.

Способ активации целлюлозы методом парового взрыва в щелочной среде.

2. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к способу очищения целлюлозы для получения простых эфиров целлюлозы. К простым эфирам целлюлозы, получаемым с помощью заявленного изобретения, по меньшей мере относятся: метилгидроксипропилцеллюлоза, оксипропилцеллюлоза, этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, цианэтилцеллюлоза. Данные простые эфиры целлюлозы служат в качестве загустителей, стабилизаторов, прекурсоров и могут быть использованы в химической, фармацевтической, пищевой, косметической, полиграфической и иных видах промышленности.

3. Уровень техники.

Целлюлоза является основным составляющим компонентом любой растительной клетки. Она содержится в древесине, хлопке, в различных злаковых культурах, однолетних и многолетних растениях, например: мискантус, лён, конопля, крапива и других. Распространённость целлюлозы в природе и относительно простые и дешёвые способы её добычи обуславливает её низкую стоимость.

Целлюлоза обладает структурой, которая состоит из кристаллических и аморфных частей. Кроме того, целлюлозные волокна содержат иные химические вещества (лигнин, жиры, углеводы, нецеллюлозные полисахариды и другие вещества). Вследствие этого, без предварительной обработки целлюлозы, её использование является затруднительным. Поэтому проводятся подготовительные операции, с целью удаления мешающих компонентов (лигнина, жиров, углеводов, полисахаридов), для изменения надмолекулярной структуры целлюлозы и, как следствие, повышение её реакционной способности. Разрыхление достаточно плотно упакованных структурных единиц целлюлозы (макромолекул, фибрилл, волокон) проводится для того, чтобы облегчить доступ реагентов и увеличить полноту протекания химических реакций образования простых и сложных эфиров. Существует множество давно известных химических методов предварительной обработки целлюлозы.

К таким методам относится обработка едким натром или мерсеризация, названная в честь Мерсера. Наличие в макромолекуле целлюлозы спиртовых гидроксильных групп обуславливает возможность взаимодействия её со щелочами и другими основаниями. Обработка целлюлозных волокон растворами щелочей является одной из старейших и важнейших промышленных реакций целлюлозы. Впервые в 1844 г. Мерсер показал, что хлопковая целлюлоза при погружении ее в растворы NaOH довольно высокой концентрации (16—18%) при комнатной температуре определенным образом изменяется. Волокна укорачиваются на 15—25% и сильно набухают в поперечном направлении. Диаметр волокна увеличивается на 60—70%. После обработки при растяжении, отмывки щелочи и сушки в растянутом состоянии ткань приобретает блеск, повышенную прочность на разрыв и способность лучше окрашиваться красителями.

Другим методом разрыхления структурных единиц целлюлозы служит кислотный или щелочной гидролиз, в ходе которого происходит деструкция целлюлозы под воздействием воды, сопровождающаяся присоединением воды по месту разрыва связи. Ацетальные связи в гетероцепных полимерах наиболее чувствительны к гидролизу. Гидролиз обычно проводят под воздействием температуры, т.е. производят варку в водных растворах кислот и щелочей.

По другому методу используют воздействие окисляющими реагентами. В ходе окисления в макромолекуле целлюлозы появляются новые функциональные группы, главным образом карбонильные и карбоксильные. Целлюлоза очень чувствительна к действию окислителей из-за наличия в каждом элементарном звене трёх спиртовых гидроксильных групп. Поэтому практически любой образец целлюлозы, выделенный из растительного сырья, содержит в небольшом количестве карбонильные и карбоксильные группы.

Указанные химические методы имеют свои недостатки, так мерсеризация приводит к частичной деструкции целлюлозы, которой дополнительно способствует окисление кислородом воздуха. При кислотном или щелочном гидролизе, как правило, используется термическое воздействие, которое также приводит к деструкции молекул. Все указанные методы обработки ведут к снижению степени полимеризации целлюлозы и вязкости получаемых эфиров целлюлозы. Указанные свойства и методы обработки целлюлозы описаны в книге «Целлюлоза и ее производные», под ред. Н.Байклза и Л. Сегала т.2 с.323, Москва, «Мир», 1974. и книге «Химия древесины и целлюлозы», Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П., М., «Лесная промышленность», 1978, с.274-322.

Помимо химических имеются физико-химические методы активации целлюлозы. К таким методам относится механический размол. При данном методе происходит длительный (от 70 до 150 часов) интенсивный размол целлюлозной суспензии в воде, что приводит к образованию гидратированной целлюлозной слизи. Однако получение гидратцеллюлозы способом механического размола сопровождается значительной деструкцией. Возрастает медное число целлюлозы и уменьшается вязкость растворов. После длительного размола целлюлоза может полностью растворяться в водных растворах гидроксида натрия. 

К физико-химическим методам также относится гидролиз в воде, находящийся в закритическом состоянии. При данном методе автор предлагает повысить реакционную способность целлюлозы путём воздействия высоких давления (до 700 МПа) и температуры (более 315°С) при которых целлюлозу можно растворить в воде (информация о данном методе изложена в работе «непосредственное наблюдение растворения целлюлозы в докритической и закритической воде в широком диапазоне плотностей воды (550-1000 кг / м3)» Yuko Ogihara, Richard L. Smith Jr., Hiroshi Inomata and Kunio Arai, Research Center of Supercritical Fluid Technology, Tohoku University, Aoba-ku, Aramaki Aza Aoba-6-6-11, Sendai, 980-8579, Japan). Однако данный метод является относительно новым и мало исследованным. Поэтому не ясно, устойчив ли такой раствор при переходе воды от закритического состояния к жидкому. Кроме того, полнота растворения полученного раствора также оставляла желать лучшего.

В большинстве случаев, исходя из качественных характеристик и экономической эффективности процесса производства, для очистки целлюлозы используют щелочной или кислотный гидролиз. Поскольку именно щелочной гидролиз является частью процесса активации целлюлозы по заявленному способу, то в ходе поиска аналогов изобретения предпочтение отдавалось именно способу с использованием щелочного гидролиза.

Из уровня техники известен способ активации целлюлозы использующийся при повышении качества и реакционной способности целлюлозы по патенту № RU 2609803 С1, дата приоритета: 28.09.2015 г. (информация о данном патенте получена с официального сайта Федерального института промышленной собственности, находящегося по адресу: http://www1.fips.ru). По данному способу предлагается повысить реакционную способность целлюлозы путем ее активации, при этом активация целлюлозы включает следующие этапы воздействия на целлюлозу: пропитку и гидролиз целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрацию целлюлозы от гидролизного раствора, ее промывку, отжим и сушку, причем этап пропитки и гидролиза целлюлозы в среде гидролизного раствора, этап фильтрации от гидролизного раствора, этапы промывки, отжима и сушки осуществляют с одновременным термовакуум-импульсным воздействием циклами, каждый из которых включает нагрев целлюлозы до температуры не более 115°C, скоростное импульсное воздействие вакуума в пределах давления не более 100 мм рт. ст. за время менее 10 сек, с последующей выдержкой целлюлозы под вакуумом и сбросом вакуума. Также автор указывает, что пропитку целлюлозного материала, поставляемого с целлюлозного завода, проводят после освобождения его от оберточного материала, с последующим разволокнением в гидролизном растворе в процессе пропитки и гидролиза целлюлозы.

Из описания данного изобретения следует, что используется гидролизный раствор из следующих составляющих:

- раствор азотной или серной кислот с концентрацией не более 15%, при соотношении целлюлозосодержащего сырья к гидролизному раствору не более 1:15;

- щелочной раствор с концентрацией раствора 30 г/л при соотношении целлюлозосодержащего сырья к гидролизному раствору не более 1:15;

- раствор отработанных кислот нитроцеллюлозного производства.

К недостаткам данного изобретения можно отнести использование водных растворов серной или азотной кислот, не содержащих специальных добавок, которое приводит к агломерации и набуханию продукта, потере рыхлости, переходу в состояние пластичной массы и, соответственно, вызывать трудности на стадии промывки, увеличивая ее продолжительность, а также являющихся экологически не безопасными.

Как указывают авторы изобретения, каждый этап обработки целлюлозы (пропитка и гидролиз целлюлозы в среде гидролизного раствора, фильтрации от гидролизного раствора, промывки, отжима и сушки) происходят с одновременным термовакуум-импульсным воздействием циклами, каждый из которых включает нагрев целлюлозы до температуры не более 115°C, скоростное импульсное воздействие вакуума в пределах давления не более 100 мм рт. ст. за время менее 10 сек, с последующей выдержкой целлюлозы под вакуумом и сбросом вакуума. Многоэтапность каждого цикла обработки целлюлозы приводит к увеличению времени производства. Также авторы не указывают, в течение какого времени после всех циклов перед сбросом вакуума необходимо выдерживать целлюлозу, что вызывает вопросы при определении времени производства. Чрезмерно продолжительное или чрезмерно короткое выдерживание целлюлозы может привести к ухудшению качества полученной целлюлозы. К недостаткам данного изобретения можно отнести сравнительно маленькое давление, создающиеся на каждом этапе обработки при вакуумировании. Такое давление составляет 100 мм рт.ст., что при переводе в МПа составляет 0,013322 МПа. Учитывая одну из стадий заявленного изобретения, а также наличие вакуума, данные стадии исключают вытеснение целлюлозы из термовакуумного устройства под имеющимся давлением. Также к недостаткам данного изобретения можно отнести то, что оно отнесено к использованию уже предварительно выделенной целлюлозой, которая является отходами какого-либо производства.

Известен способ получения реакционноспособной целлюлозы по патенту №2202558 дата приоритета от 09.04.1998 г. (информация о данном патенте получена с официального сайта Федерального института промышленной собственности, находящегося по адресу: http://www1.fips.ru). Способ включает следующие этапы: активацию целлюлозы обработкой активирующим агентом, частичное удаление активирующего агента до достижения его остаточного массового содержания ниже 10 мас. %, введение полученной выше активированной целлюлозы в реакцию с органическим соединением или сероуглеродом, возможное удаление остатка активирующего агента и побочных продуктов реакции замещения.

Недостатком этого способа получения целлюлозы является использование дополнительных химических реагентов, требующих последующего удаления, и увеличение длительности процесса за счет очистки, а также ухудшение качества целлюлозы за счет неполного удаления используемых органических соединений. К тому же в данном способе используется уже выделенная целлюлоза, что исключает возможность применения необработанного сырья.

Известен способ активации целлюлозы, используемый в изобретении по патенту № RU 2196777 C1, дата приоритета: 14.08.2001 г. (информация о данном патенте получена с официального сайта Федерального института промышленной собственности, находящегося по адресу: http://www1.fips.ru). В данном изобретении автор предлагает обрабатывать целлюлозу водным раствором гидроксида натрия с получением щелочной целлюлозы, отжимать, измельчать, проводить нейтрализацию, промывку и сушку, при этом обработку целлюлозы необходимо проводить водным раствором гидроксида натрия концентрацией 7-9%, отжатую щелочную целлюлозу продувать инертным газом азотом

Признаками данного изобретения, совпадающим с признаками заявленного способа активации целлюлозы являются получение щелочной целлюлозы, отжим, промывка, сушка, продувка азотом.

Недостатками данного способа является множество стадий, что влечёт за собой удорожание производства, увеличения времени производства, раствор гидроксида натрия концентрацией от 7 до 9% может привести к излишней деструкции целлюлозы, а продувка отжатой щелочной целлюлозы азотом представляется не эффективной, т.к. данная стадия нужна для удаления воздуха из реакционной массы, а после отжима такое удаление затруднительно в силу сжатости целлюлозы. К тому же продувка азотом после термической обработки в щелочном растворе не имеет смысла, т.к. щелочная деструкция уже произошла, а она катализируется кислородом воздуха и степень полимеризации целлюлозы достигла критического уровня, т.е. стала минимальной для целлюлозы данной природы.

Из приведённых аналогов заявленного изобретения прототипом является изобретение по патенту № RU 2609803 С1, дата приоритета: 28.09.2015 г. Признаками, изложенные в независимом пункте формулы этого изобретения наиболее близко совпадающими с признаками заявленного изобретения, являются: пропитка и гидролиз целлюлозы в среде гидролизного раствора (при этом в качестве гидролизного раствора рассматривается щелочной раствор), фильтрацию целлюлозы от гидролизного раствора, ее промывка, отжим и сушка, использование термического воздействия.

Задачами, на решение которых направлено заявленное изобретение являются сокращение стадий активации целлюлозы, повышения качества очищенной целлюлозы, выражающееся в увеличении реакционной способности, возможность использования предварительно не обработанного сырья, возможность использования заявленного способа с иными известными способами активации целлюлозы с использованием щелочи.

4. Раскрытие сущности изобретения.

Главным техническим результатом, который может быть получен при реализации заявляемого изобретения, является повышение технологичности способа, заключающееся в сокращении числа технологических операций при активации целлюлозы путём объединения стадии удаления растворимых примесей и разрыхления надмолекулярной структуры целлюлозы.

Помимо главного технического результата в ходе экспериментов было также установлено, что заявленный способ сокращает объемы отработанных растворов гидроксида натрия и, как следствие, улучшает экологические характеристики способа; повышает качество получаемой целлюлозы; повышает реакционную способность целлюлозы; происходит общее повышение безопасности процесса; даёт возможность использовать необработанное целлюлозосодержащее сырьё. Также заявленный способ является универсальным для использования в совокупности с известными способами активации целлюлозы с помощью щелочи.

Указанные технические результаты достигаются путём совмещения двух видов обработки в одном процессе, а именно: удаление растворимых примесей и разрыхления надмолекулярной структуры целлюлозы при паровом взрыве в щелочной среде.

При проведении активации по предлагаемому способу целлюлоза подвергается предварительной обработке в устройстве, осуществляющем термическое воздействие под давлением, при этом устройство должно иметь сливной кран с предохранительной сеткой, предотвращающей выброс волокон, для сброса давления. Сливной кран должен иметь сечение, позволяющее выпустить паровую фазу в срок до 10 секунд. Данный срок был установлен экспериментальным путём, т.к. в течение именно данного срока достигается эффект парового взрыва в щелочной среде. Процесс активации целлюлозы включает заполнение устройства, осуществляющего термическую обработку под давлением целлюлозосодержащим сырьём, добавления раствора NaOH (Ж:Т=5:1), в ходе которой растворяются лишние жиры и пентозаны, герметизация устройства, осуществляющего термическую обработку под давлением, продувку азотом, в ходе которой происходит замещения кислорода азотом и уменьшается деструктуризацию целлюлозы за счёт отсутствия окисляющего реагента - кислорода. Далее содержимое устройства подвергается термическому воздействию и нагревается до 140–150°С (при данной температуре выдерживаются преимущественно однолетние травы), что способствует повышению давления внутри устройства и выдерживанием при этой температуре. После такого выдерживания целлюлозной массы сливной кран должен быть резко открыт для резкого сброса давления в реакционном объёме при открытии крана. Для удобства использования к сливному крану можно присоединить шланг с емкостью, куда будет поступать образовавшийся пар.

Широко известно, что пары жидкости, которые находятся внутри пузырьков, являются насыщенными. С ростом температуры давление насыщенных паров возрастает, и пузырьки увеличиваются в размерах. С увеличением объема пузырьков растет и действующая на них выталкивающая сила. Под действием этой силы наиболее крупные пузырьки отрываются от стенок сосуда и поднимаются вверх. Если верхние слои жидкости еще не успели нагреться до температуры кипения, то в такой (более холодной) жидкости часть пара внутри пузырьков конденсируется и уходит в воду; пузырьки при этом сокращаются в размерах, и сила тяжести заставляет их снова опускаться вниз. Здесь они опять увеличиваются и вновь начинают всплывать вверх. Когда вся жидкость прогреется до температуры кипения, поднявшиеся вверх пузырьки уже не сокращаются в размерах, а лопаются на поверхности жидкости, выбрасывая пар наружу. Кипение начинается после того, как давление насыщенного пара внутри пузырьков сравнивается с давлением в окружающей жидкости. Во время кипения температура жидкости и пара над ней не меняется. Температура кипения зависит от давления, оказываемого на свободную поверхность жидкости. Это объясняется зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Пузырек пара растет, пока давление насыщенного пара внутри него немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из внешнего давления и гидростатического давления столба жидкости. Чем больше внешнее давление, тем больше температура кипения. У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от давления насыщенного пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, т. к. при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

В процессе обработки целлюлозного сырья, благодаря резкому открытию сливного крана, давление в устройстве, осуществляющем термическое воздействие, резко уменьшается, за счёт чего происходит моментальное вскипание жидкой фазы по всему объему, в том числе и внутри растительных волокон, с образование пара. Гидролизная жидкость в виде пара выбрасывается через сливной кран, а целлюлозные волокна остаются в устройстве, осуществляющем термическое воздействие под давлением, благодаря имеющейся предохранительной сетке. Образовавшийся внутри волокна пар имеет объем примерно в 1 200 раз больше, чем объем воды. За счёт резкого вскипания происходит дополнительное физическое воздействие в виде разрыва волокон целлюлозы пузырьками пара, которое приводит к разрыхлению их надмолекулярной структуры, что в дальнейшем облегчает доступ реагентов и удаление продуктов реакции как при подготовительных операциях, так и при дальнейшем получении эфиров целлюлозы. При медленном сбросе давления этот эффект явно не проявляется. Далее подвергшаяся такой обработке масса охлаждается, выгружается из устройства для термической обработки под давлением и тщательно промывается холодной водой до полного обесцвечивания промывных вод. После сушки целлюлоза готова для алкилирования, гидроксиалкилирования и иных процессов, позволяющих получить простые эфиры целлюлозы.

5. Осуществление изобретения.

Пример 1. В данном примере рассмотрен способ активации целлюлозы, полученной из льняных волокон, а также процесс получения метилгидроксипропилцеллюлозы из целлюлозы, полученной методом парового взрыва.

При проведении активации целлюлозы по предлагаемому способу льняные волокна массой 0,40 кг загружаются в автоклав объёмом 2,7 литра и заливаются 4% раствором NaOH (Ж:Т=5:1). В верхней части автоклава, перед краном монтируется предохранительная сетка, позволяющая избежать в дальнейшем выброса волокон через кран. После закрывания крышки автоклава, он продувается азотом и его содержимое нагревается до 140-150°С за 20-30 минут и выдерживается при этой температуре в течение 1 часа. При этом в автоклаве создается давление 0,6 МПа. Далее резко открывается кран (проходное сечение крана 20 мм), расположенный на крышке автоклава, жидкость в автоклаве вскипает и выбрасывается через шланг в предохранительную ёмкость в виде пара.

Волокна льна остаются в автоклаве. При этом лишние жиры и пентозаны растворяются в щелочи, а дополнительное физическое воздействие в виде разрыва волокон целлюлозы пузырьками пара приводит к их разрыхлению. Это облегчает доступ реагентов и удаление продуктов реакции как при подготовительных операциях, так и при дальнейшем получении эфиров целлюлозы.

Далее подвергшаяся такой обработке охлажденная волокнистая масса льна тщательно промывается холодной водой до полного обесцвечивания промывных вод. После сушки при 100°С в течение 2-х часов лён готов для алкилирования и гидроксиалкилирования. Потеря массы во время такой подготовки льняных волокон составляет 43,2% масс.

Процесс получения метилгидроксипропилцеллюлозы проходит в обогреваемом автоклаве с мешалкой. После завершения реакции и охлаждения автоклава до комнатной температуры его содержимое выгружается на сито, где происходит разделение жидкой фазы и волокнистого продукта реакции. Дальнейшая обработка полученной метилгидроксипропилцеллюлозы включает в себя отжимание на сите, промывку в кипящей воде (3-х кратную) и сушку при 110°С.

Сравнительно-качественные показатели целлюлозы в конечном виде – после получения простого эфира с использованием метода парового взрыва и без использования метода парового взрыва указаны ниже в таблице 1.

Таблица 1. Качественные показатели метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ) из льня.

Образец Растворимость, %, Вязкость 0,5% водного раствора сСт Внешний вид раствора
Лён, обработанный методом парового взрыва в щелочной среде 98 126 Полупрозрачный
Лён, обработанный в щелочной среде без парового взрыва 76 22 Мутный с хлопьями и волокнами
Лён не обработанный 42 3 Мутный с волокнами

Пример 2. В данном примере рассмотрен способ активации целлюлозы, полученной из стеблей мискантуса, а также процесс получения метилгидроксипропилцеллюлозы из целлюлозы, полученной методом парового взрыва.

При проведении активации целлюлозы по предлагаемому способу мискантус массой 0,40 кг загружаются в автоклав объёмом 2,7 литра и заливаются 4% раствором NaOH (Ж:Т=5:1). В верхней части автоклава, перед краном монтируется предохранительная сетка, позволяющая избежать в дальнейшем выброса волокон через кран. После закрывания крышки автоклава, он продувается азотом и его содержимое нагревается до 140-150°С за 20-30 минут и выдерживается при этой температуре в течение 1 часа. При этом в автоклаве создается давление 0,6 МПа. Далее резко открывается кран (проходное сечение крана 20 мм), расположенный на крышке автоклава, жидкость в автоклаве вскипает и выбрасывается через шланг в предохранительную ёмкость в виде пара.

Волокна мискантуса остаются в автоклаве. При этом лишние жиры и пентозаны растворяются в щелочи, а дополнительное физическое воздействие в виде разрыва волокон целлюлозы пузырьками пара приводит к их разрыхлению. Это облегчает доступ реагентов и удаление продуктов реакции как при подготовительных операциях, так и при дальнейшем получении эфиров целлюлозы.

Далее подвергшаяся такой обработке охлажденная волокнистая масса мискантуса тщательно промывается холодной водой до полного обесцвечивания промывных вод. После сушки при 100°С в течение 2-х часов мискантус готов для алкилирования и гидроксиалкилирования. Потеря массы во время такой подготовки волокон мискантуса составляет 43,2% масс.

Процесс получения метилгидроксипропилцеллюлозы проходит в обогреваемом автоклаве с мешалкой. После завершения реакции и охлаждения автоклава до комнатной температуры его содержимое выгружается на сито, где происходит разделение жидкой фазы и волокнистого продукта реакции. Дальнейшая обработка полученной метилгидроксипропилцеллюлозы включает в себя отжимание на сите, промывку в кипящей воде (3-кратную) и сушку при 110°С.

Сравнительно-качественные показатели целлюлозы из мискантуса в конечном виде – после получения простого эфира с использованием метода парового взрыва и без использования метода парового взрыва указаны ниже в таблице 2.

Таблица 2. Качественные показатели метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ) из стеблей мискантуса

Образец Растворимость, %, Вязкость 1% водного раствора, сСт Внешний вид раствора
Стебли мискантуса, обработанные методом парового взрыва в щелочной среде 98 115 Полупрозрачный
Стебли мискантуса, обработанные в щелочной среде без парового взрыва 68 18 Мутный с хлопьями и волокнами
Стебли мискантуса не обработанные 21 4 Мутный с волокнами

Пример 3. В данном примере рассмотрен способ активации целлюлозы, полученной из волокна технической конопли, а также процесс получения метилгидроксипропилцеллюлозы из целлюлозы, полученной методом парового взрыва.

При проведении активации целлюлозы по предлагаемому способу волокна технической конопли массой 0,40 кг загружаются в автоклав объёмом 2,7 литра и заливаются 4% раствором NaOH (Ж:Т=5:1). В верхней части автоклава, перед краном монтируется предохранительная сетка, позволяющая избежать в дальнейшем выброса волокон через кран. После закрывания крышки автоклава, он продувается азотом и его содержимое нагревается до 140-150°С за 20-30 минут и выдерживается при этой температуре в течение 1 часа. При этом в автоклаве создается давление 0,6 МПа. Далее резко открывается кран (проходное сечение крана 20 мм), расположенный на крышке автоклава, жидкость в автоклаве вскипает и выбрасывается через шланг в предохранительную ёмкость в виде пара.

Волокна технической конопли остаются в автоклаве. При этом лишние жиры и пентозаны растворяются в щелочи, а дополнительное физическое воздействие в виде разрыва волокон технической конопли пузырьками пара приводит к их разрыхлению. Это облегчает доступ реагентов и удаление продуктов реакции как при подготовительных операциях, так и при дальнейшем получении эфиров целлюлозы.

Далее подвергшаяся такой обработке охлажденная волокнистая масса технической конопли тщательно промывается холодной водой до полного обесцвечивания промывных вод. После сушки при 100С° в течение 2-х часов техническая конопля готова для алкилирования и гидроксиалкилирования. Потеря массы во время такой подготовки волокон технической конопли составляет 43,2% масс.

Процесс получения метилгидроксипропилцеллюлозы проходит в обогреваемом автоклаве с мешалкой. После завершения реакции и охлаждения автоклава до комнатной температуры его содержимое выгружается на сито, где происходит разделение жидкой фазы и волокнистого продукта реакции. Дальнейшая обработка полученной метилгидроксипропилцеллюлозы включает в себя отжимание на сите, промывку в кипящей воде (3-кратную) и сушку при 110°С.

Сравнительно-качественные показатели целлюлозы из волокон технической конопли в конечном виде – после получения простого эфира с использованием метода парового взрыва и без использования метода парового взрыва указаны ниже таблице 3.

Таблица 3. Качественные показатели метилгидроксипропилцеллюлозы (МГПЦ) из волокон технической конопли

Образец Растворимость, %, Вязкость 0,5% водного раствора, сСт Внешний вид раствора
Конопля, обработанная методом парового взрыва в щелочной среде 97 209 Полупрозрачный
Конопля, обработанная в щелочной среде без парового взрыва 42 31 Мутный с хлопьями и волокнами
Конопля не обработанная 21 4 Мутный с волокнами

В данном разделе приведены примеры осуществления способа активации целлюлозы методом парового взрыва в щелочной среде. Однако следует учесть, что параметры устройств, в частности: объём автоклава, наличие предохранительной ёмкости, наличие сливного шланга; параметры веществ, в частности: температура, время, концентрация NaOH, давление, создающиеся в автоклаве, не являются исключительными и изменяются в зависимости от устройства, осуществляющего термическую обработку под давлением, сырья, из которого получают целлюлозу, времени, в течение которого необходимо активировать целлюлозу и других факторов.

1. Способ активации целлюлозы методом парового взрыва, включающий следующие этапы: перемешивание целлюлозосодержащего сырья в щелочном растворе, продувку азотом, нагревание до необходимой температуры за 20-30 мин, выдерживание под избыточным давлением, полный сброс давления в течение 10 с, промывку водой и сушку.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сброс давления происходит через сливной кран с предохранительной сеткой.



 

Похожие патенты:
Настоящее изобретение относится к способу обработки целлюлозной массы для получения целлюлозной бумаги, включающему стадию обработки целлюлозной массы озоном с последующей стадией щелочной экстракции, в котором щелочная экстракция имеет место в присутствии ионов магния (Mg2+).

Изобретение относится к производству бумаги, а именно к применению коллоидного осажденного карбоната кальция (cPCC) для адсорбции и/или уменьшения количества, по меньшей мере, одного органического материала в водной среде, которая производится в процессах изготовления бумаги или варки целлюлозы.

Изобретение относится к производству бумаги, а именно к применению коллоидного осажденного карбоната кальция (cPCC) для адсорбции и/или уменьшения количества, по меньшей мере, одного органического материала в водной среде, которая производится в процессах изготовления бумаги или варки целлюлозы.

Изобретение (варианты) относится к способам получения фитостерина из сульфатного мыла и может быть использовано в целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленности.

Описаны способ и система для непрерывного и автоматического определения уровней липкости в процессе получения вторичной волокнистой массы. Способ непрерывного и автоматического определения уровней липкости в процессе получения вторичной волокнистой массы с использованием спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК-спектроскопии) совместно с одной или более автоматическими листоформовочными машинами включает:- определение уровней липкости для серии образцов с использованием стандартной лабораторной аналитической процедуры, использование полученных результатов в качестве эталонных значений для создания одной или более калибровочных моделей на основе БИК-спектроскопии и сохранение набора(-ов) данных калибровочной(-ых) модели(-ей) в электронном запоминающем устройстве;- автоматический отбор образца в по меньшей мере одной точке отбора в технологической линии, транспортировку образца из технологической линии по пробоотборной линии в по меньшей мере одну автоматическую листоформовочную машину, формирование листа из образца и сушку этого листа;- транспортировку высушенного листа, сформированного на стадии (б), в зону измерений и запись для этого листа спектра в ближней инфракрасной области для получения спектральных данных;- обработку спектральных данных, полученных на стадии (в), на компьютере с использованием по меньшей мере одной сохраненной калибровочной модели и получение для каждой калибровочной модели в качестве выходной величины уровня липкости в процессе получения вторичной волокнистой массы.

Изобретение относится к производству целлюлозы для простых и сложных эфиров целлюлозы и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности. Способ включает кислую варку в варочном аппарате целлюлозосодержащего сырья бисульфитным раствором на натриевом основании в присутствии обессмоливателя и горячее облагораживание продукта варки гидроксидом натрия в присутствии добавки.

Изобретение относится к способу получения фитостерина путем экстрагирования сульфатного мыла и обработки органическим растворителем, причем перед экстракцией сульфатное мыло растворяют в воде до полного растворения, затем к раствору добавляют спирт и бензин, отделяют бензиновый экстракт от спиртово-мыльного раствора, затем спиртово-мыльный раствор подвергают многоступенчатой экстракции бензином, далее бензиновый экстракт промывают, концентрируют путем отгонки растворителя до 1/3 от общего объема экстракта, охлаждают, кристаллизируют.

Настоящее изобретение относится к способу снижения смоляных загрязнений в водной среде, образующейся в процессе производства бумаги или процессе варки целлюлозы, включающему следующие стадии: a) получение водной среды, включающей смоляные загрязнения и получаемой в процессе производства бумаги или в процессе варки целлюлозы; b) подготовку тонкодисперсного карбоната кальция и/или осажденного карбоната кальция; c) подготовку агента гидрофобизации; d) осуществление контакта тонкодисперсного карбоната кальция и/или осажденного карбоната кальция со стадии b) с агентом гидрофобизации со стадии с) с получением гидрофобизированного тонкодисперсного карбоната кальция и/или гидрофобизированного осажденного карбоната кальция; и e) осуществление контакта водной среды со стадии a) с гидрофобизированным тонкодисперсным карбонатом кальция и/или гидрофобизированным осажденным карбонатом кальция со стадии d), к применению гидрофобизированного тонкодисперсного карбоната кальция и/или гидрофобизированного осажденного карбоната кальция для снижения количества смоляных загрязнений в водной среде, а также к гидрофобизированному тонкодисперсному карбонату кальция и/или гидрофобизированному осажденному карбонату кальция и композиту из гидрофобизированного тонкодисперсного карбоната кальция и/или гидрофобизированного осажденного карбоната кальция и смоляных загрязнений.

Изобретение относится к области химических процессов для обработки целлюлозных волокон, в частности древесной массы. Способ получения композиции включает этапы: 1) добавление оксида щелочноземельного металла или гидроксида щелочноземельного металла и кремнийоксидного соединения, выбранного из группы, состоящей из коллоидного оксида кремния и силиката, а также их комбинаций, в водную среду с получением водной смеси, таким образом, что кремнийоксидное соединение и оксид щелочноземельного металла или гидроксид щелочноземельного металла вместе образуют основную часть не являющегося растворителем материала композиции; и 2) выстаивание указанной водной смеси в течение по меньшей мере 1 часа.
Настоящее изобретение описывает композиции и способы удаления смолы из древесных стружек, используемых в процессе сульфатной варки целлюлозы. Способ в особенности применим для удаления тритерпена и тритерпеноидной смолы.

Изобретение относится к области целлюлозно-бумажного производства, может быть использовано при получении целлюлозы из недревесного однолетнего растительного сырья.

Изобретение относится к способу получения сульфатной целлюлозы (крафт-целлюлозы) с повышенным выходом целлюлозы из лигнинсодержащего целлюлозного материала с применением полисульфидного варочного щелока.

Изобретение относится к производным целлюлозы и их применению в качестве добавок в водные среды и твердые материалы. Композиция для модификации вязкости содержит пластинки целлюлозы, содержащие по меньшей мере 60% целлюлозы по весу в сухом состоянии, менее 10% пектина по весу в сухом состоянии и по меньшей мере 5% гемицеллюлозы по весу в сухом состоянии.

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в производстве бумаги, в частности гидро- и липофобной бумаги. Способ включает предварительную подготовку сырья из хвойной и лиственной целлюлозы, приготовление бумажной массы путем добавления в предварительно подготовленное сырье воды до получения волокнистой суспензии с массовой концентрацией 6%, размол полученной суспензии, составление композиции путем добавления в полученную бумажную массу микрокристаллической целлюлозы, полученной из растительного сырья негидролизным способом, в виде гидрогеля, введения димера алкилкетена и полиамидполиаминэпихлоргидриновой смолы, изготовление образцов бумаги на листоотливном аппарате.
Изобретение относится к способу получения микрокристаллических целлюлозных волокон из растительного сырья и может быть использовано при производстве биоразлагаемых упаковочных материалов, в том числе картона.

Изобретение относится к химической технологии производства целлюлозы и касается системы и способа производства растворимой целлюлозной массы с высоким содержанием альфа-целлюлозы.
Согласно изобретению предложены композиция и способ, которые улучшают процесс механического получения волокнистой массы из исходных материалов. Композиция вводится в процесс получения бумаги не позднее завершения стадии механического получения волокнистой массы из древесной щепы.
Изобретение относится к способу изготовления микрофибриллированной целлюлозы. Обработка целлюлозного волокна включает механическую предварительную обработку волокна, после которой следует обработка волокна ферментом, а затем смешивание волокна с раствором, содержащим гидроксид щелочного металла, после чего следует механическая обработка волокна для образования микрофибриллированной целлюлозы.

Способ переработки целлюлозной массы с использованием холоднощелочной экстракции включает: делигнификацию органических материалов в автоклаве и обработку полученной небеленой целлюлозы для получения полуочищенной целлюлозной массы для использования в производстве растворимой целлюлозной массы; экстракцию полуочищенной целлюлозной массы щелочным раствором в ходе процесса холоднощелочной экстракции; промывку очищенной целлюлозной массы и сбор получаемой при этом отработанной промывочной жидкости, отделяя при этом раствор, содержащий гемицеллюлозу, от очищенной целлюлозной массы; объединение отработанной промывочной жидкости и раствора, содержащего гемицеллюлозу, с получением щелочного фильтрата; концентрирование щелочного фильтрата и использование, по меньшей мере, части сконцентрированного щелочного фильтрата в указанном автоклаве в связи с получением растворимой целлюлозной массы.
Изобретение относится к целлюлозной промышленности, а именно к производству целлюлозы из растительного целлюлозосодержащего материала, и может быть использовано для производства целлюлозы, предназначенной для химпереработки, в бумажной промышленности и т.д.

Изобретение относится к растворимому в воде простому эфиру целлюлозы, который содержит: (i) один или несколько заместителей, выбранных из группы, которую составляют метил, гидроксиэтил и гидроксипропил, (ii) один или несколько неионных гидрофобных заместителей с ациклическими или циклическими, насыщенными или ненасыщенными, разветвленными или линейными углеводородными группами, содержащими по меньшей мере 8 атомов углерода, и (iii) один или несколько катионных, третичных аминных или анионных заместителей, причем среднее число моль одного или нескольких гидрофобных заместителей на 1 моль ангидроглюкозных звеньев составляет от 0,007 до 0,025, при этом среднемассовая молекулярная масса простого эфира целлюлозы составляет по меньшей мере 750000, и при этом простой эфир целлюлозы имеет остаточную динамическую вязкость %η80/25, составляющую по меньшей мере 30%, где %η80/25=[динамическая вязкость раствора при 80°C/динамическая вязкость раствора при 25°C]×100, причем, динамическая вязкость раствора при 25°C и 80°C измерена в 1% водном растворе.

Изобретение относится к способу активации целлюлозы методом парового взрыва в щелочной среде. Способ активации целлюлозы методом парового взрыва включает следующие этапы: перемешивание целлюлозосодержащего сырья в щелочном растворе, продувку азотом, нагревание до необходимой температуры за 20-30 мин, выдерживание под избыточным давлением, полный сброс давления в течение 10 с, промывку водой и сушку. Сброс давления происходит через сливной кран с предохранительной сеткой. Из целлюлозы, полученной указанным способом, могут быть получены простые эфиры целлюлозы: метилгидроксипропилцеллюлоза, оксипропилцеллюлоза, этилцеллюлоза, метилцеллюлоза, цианэтилцеллюлоза. Простые эфиры целлюлозы служат в качестве загустителей, стабилизаторов, прекурсоров и могут быть использованы в химической, фармацевтической, пищевой, косметической, полиграфической и иных видах промышленности. В процессе обработки целлюлозного сырья, благодаря резкому открытию сливного крана, давление в устройстве, осуществляющем термическое воздействие, резко уменьшается, за счёт чего происходит моментальное вскипание жидкой фазы по всему объему, в том числе и внутри растительных волокон, с образованием пара. Гидролизная жидкость в виде пара выбрасывается через сливной кран, а целлюлозные волокна остаются в устройстве, осуществляющем термическое воздействие под давлением, благодаря имеющейся предохранительной сетке. Образовавшийся внутри волокна пар имеет объем примерно в 1200 раз больше, чем объем воды. За счёт резкого вскипания происходит дополнительное физическое воздействие в виде разрыва волокон целлюлозы пузырьками пара, которое приводит к разрыхлению их надмолекулярной структуры, что в дальнейшем облегчает доступ реагентов и удаление продуктов реакции как при подготовительных операциях, так и при дальнейшем получении эфиров целлюлозы. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Наверх