Область техники

Способ относится к технологии изготовления целлюлозы и может быть использован, в частности, в целлюлозно-бумажной промышленности как для получения целлюлозного сырья, так и для модификации готового целлюлозного сырья.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известны различные способы получения целлюлозы из природных материалов, основанные на действии реагентов, растворяющих или разрушающих содержащиеся в растительных тканях нецеллюлозные компоненты (белки, жиры, воски, смолы, лигнин, а также полисахариды). В зависимости от типа растительного материала и назначения целлюлозы в настоящее время наиболее широко используются следующие способы получения целлюлозы: щелочная варка (обработка растительных материалов разбавленным раствором едкого натра под давлением с последующей отбелкой— обработкой окислителями, например гипохлоритом натрия), применяемая главным образом для получения хлопковой целлюлозы; сульфитная варка (обработка под давлением водными растворами бисульфита кальция, магния, натрия или аммония, содержащими небольшое количество свободного S0 ₂ ) и сульфатная варка (обработка под давлением водным раствором смеси едкого натра и сульфида натрия), используемые для выделения целлюлозы из древесины. Из соломы целлюлозу выделяют хлорно-щелочным методом (последовательной обработкой водным раствором едкого натра и хлором) (см. Роговин З.А., Химия целлюлозы, М., 1972).

Вышеуказанным способам присущи следующие недостатки: поскольку обработка волокон с целью массового удаления инкрустирующих веществ проводится преимущественно химическим путем, то получение деинкрустированных элементарных волокон сопровождается разложением и деструктурированием пектиновых веществ и лигнина, которые являются весьма ценным сырьем для многих отраслей промышленности. Кроме того, для осуществления данных способов требуется дорогое и металлоемкое оборудование, а также используется большое количество химических веществ, что выводит данную группу технологий в ряд наиболее опасных и экологически вредных производств. Наиболее близким к заявленному изобретению является способ изготовления целлюлозы из лигноцеллюлозного материала путем его высокотемпературной обработки в среде сульфатного щелока при воздействии на щелок электрическим током, описанный в патенте RU 2 145 986, опубликованном 27.02.2000. Данный способ заключается в воздействии электрическим током в виде импульсных высоковольтных электрических разрядов на сульфатный щелок или смесь сульфатного щелока и лигноцеллюлозного материала.

Недостатками данного способа являются его низкая технологичность, обусловленная длительностью процесса обработки для получения требуемого качества конечного продукта и невысокая экологичность из-за загрязнения жидкой среды продуктами электроимпульсной обработки сульфатного щелока.

Данные недостатки обусловлены особенностями процессов, возникающих при обработке жидкой среды импульсными высоковольтными электрическими разрядами. В зависимости от водородного показателя (рН) жидкой среды возникающие в ней процессы будут значительно отличаться по своей природе: при рН < 6 и рН > 9 природа таких процессов будет физико-химической, а при рН, находящемся в диапазоне от 6 до 9, - физико-механической. Так, например, при воздействии на сульфатный щелок (рН 9 - 10) импульсным электрическим разрядом возникает электрическая дуга и образуется озон, который интенсифицирует окислительный процесс - осуществляется начальное окисление сульфидов с образованием полисульфидного раствора, т.е. воздействие электрическим током оказывает влияние на интенсификацию химического процесса.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, который достигается при реализации заявленного изобретения, является повышение технологичности процесса обработки волокнистого материала за счет сокращения времени на получение конечного продукта с заданными характеристиками .

Данный технический результат достигается за счет того, что в способе обработки волокнистого материала, включающем, по крайней мере, одну операцию высокотемпературной обработки волокнистого материала в жидкой среде и электрическое воздействие, операция высокотемпературной обработки выполняется отдельно от операции электрического воздействия, а в качестве последнего используется электрогидравлическая обработка. При этом электрогидравлическая обработка может осуществляться в жидкой среде с водородным показателем (рН) в диапазоне от 6 до 9, в зависимости от конкретной величины которого определяется оптимальная величина мощности электрогидравлического удара.

Кроме того, в способе обработки волокнистого материала электрогидравлическая обработка может дополнительно осуществляться перед операцией высокотемпературной обработки волокнистого материала.

Способ может дополнительно включать операцию облагораживания, при этом электрогидравлическая обработка осуществляется после каждой из возможных операций способа, а также электрогидравлическая обработка дополнительно может осуществляться перед операцией высокотемпературной обработки волокнистого материала.

Способ обработки волокнистого материала может дополнительно включать операцию облагораживания и промывки, при этом электрогидравлическая обработка осуществляется после каждой из возможных операций способа, а также электрогидравлическая обработка может дополнительно осуществляться перед операцией высокотемпературной обработки волокнистого материала.

Основной особенностью нового способа обработки волокнистых материалов является то, что наряду с отделением обработанного волокна от побочных продуктов (пектин, лигнин) - веществ-спутников целлюлозы, происходит дробление и укорачивание волокнистых комплексов за счет создания неравновесного состояния системы: обрабатываемый продукт - внешняя среда, которое создается путем использования различных физическо-механических эффектов.

В основу заявленного способа обработки волокнистого материала положена идея использования морфологических особенностей обрабатываемого сырья, как известно, состоящего из элементарных волокон, объединенных в плотный компактный комплекс серединными пластинками, состоящими из лигнина и пектиновых веществ, так называемых инкрустирующих веществ, выполняющих роль природного клеящего компонента. Элементарные волокна сдвинуты по длине таким образом, что концы волокон, расположенных выше, вклиниваются между теми волокнами, которые находятся ниже, образуя сетку.

Элементарные волокна характеризуются высокой прочностью и гибкостью, а инкрустирующие вещества, объединяющие в единое целое элементарные волокна, обладают малой прочностью и большой жесткостью. Такая структура волокон, состоящая их двух компонентов, обладающих диаметрально противоположными физико- механическими свойствами и объединенных в единое целое, классифицируется как композитный материал. Композитный материал представляет собой структуру, в которой можно выделить две составляющие: армирующий каркас, армирующий композитный материал по всему объему, и матрицу, в которую погружен армирующий каркас. Наиболее распространенным природным композитным материалом является древесина, в которой роль армирующего каркаса выполняют цепочки целлюлозы (элементарные волокна), а роль матрицы выполняют инкрустирующие вещества (в основном пектины и лигнин). Объединенные в одну структуру и работающие при приложении извне механических усилий как единое целое, они взаимно дополняют свойства друг друга, позволяя одновременно получать высокую прочность и жесткость

Однако, для получения конечного продукта, например, бумаги, с высокими техническими характеристиками, предполагается использование только одного компонента - элементарных волокон или тонких волокнистых комплексов, полученных путем дробления технических волокон. В идеальном случае предполагается полное удаление с волокон (элементарных) инкрустирующих веществ.

В основу заявленного способа положена идея использования различных физико- механических свойств составляющих композитного материала: матрицы и армирующего каркаса. Как было сказано выше, матрица и армирующий каркас выполняют различные функции, и, вследствие этого, обладают различными физико-механическими параметрами. Так, матрица характеризуется высокой жесткостью и низкой прочностью, тогда как армирующий каркас обладает эластичностью и гибкостью, а также большой прочностью. В справедливости сказанного можно убедиться, сравнив физико- механические параметры элементарных волокон (армирующий каркас) и серединных пластинок (матрица). И хотя эти два компонента объединены в одно целое, их свойства остаются различными.

Именно это и позволяет осуществить способ разделения исходного сырья на элементарные волокна и инкрустирующие вещества без химических изменений этих двух компонентов. С этой целью к материалу извне прикладывается физико- механическое воздействие, которое заведомо больше предела прочности матрицы (пектино-лигнинового комплекса) и заведомо меньше предела прочности армирующего каркаса (элементарных волокон). В результате такого воздействия происходит механическое разрушение матрицы, причем армирующий каркас остается неповрежденным. После такого воздействия два компонента легко разделяются вследствие нарушения между ними механической связи. Для интенсификации процесса целесообразно применять повторно-переменные нагрузки.

В качестве физико-механического воздействия используется импульсный электрический разряд в жидкой среде с водородным показателем рН от 6 до 9, в частности, в водной среде. При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое выделение энергии в канале разряда. В результате давление в канале разряда значительно превышает внешнее, канал быстро расширяется, что приводит к возникновению ударной волны и потоков жидкости. Известно, что удельная электропроводность воды зависит от ряда факторов, среди которых наиболее существенны температура, рН, ионный состав и концентрация ионов. [Кульский Л.А. Очистка воды электрокоагуляцией / Л.А. Кульский, П.П. Строкач, В.А. Слипченко и др. - Киев: Буд1вельник, 1978. - 112 с]. Минимальное значение электропроводности при рН = 7. При этом экспериментально доказано, что при рН меньше 6 и рН больше 9 электропроводность жидкой среды такова, что создать электрогидравлический удар требуемой силы практически не представляется возможным.

Ударная волна представляет собой скачок плотности среды, распространяющейся от канала со скоростью, превышающей звуковую. Давление на фронте ударной волны в жидкости может достигать десятков килобар. Воздействие этого давления на обрабатываемый объект может вызывать структурную перестройку материала объекта (дробление хрупких материалов, деформацию, упрочнение поверхности и т.д.). Потоки жидкости, распространяющиеся со скоростью 10 -40 м/с, передают кинетическую энергию обрабатываемому объекту, вызывая, как и ударная волна, его механические изменения.

Таким образом, весь этот спектр явлений воздействует на обрабатываемое сырье, подвергая его интенсивному разрушению: сначала разрушается менее прочная и более жесткая матрица, в то время как весьма податливая и прочная целлюлоза повреждается незначительно. Варьируя параметры, режимы и частоту разрядов можно добиться как полного разрушения матрицы и ее полного, либо частичного удаления, при этом воздействие на армирующий каркас может не превышать порога его разрушения, так и размола волокон целлюлозы, который неизбежно приводит к их укорочению, что является значимым, в частности, при отливе листов бумаги, т.к. из длинных волокон сделать равномерную по просвету бумагу очень трудно, поскольку они склонны к хлопьеобразованию в процессе отлива.

Кроме того, в процессе размола происходит расщепление волокон в продольном направлении на тончайшие волоконца - фибриллы. При этом резко увеличивается (за счет развертывания) наружная поверхность волокон, обнажаются высвободившиеся при размоле гидроксильные группы -ОН, что приводит к резкому возрастанию роли явлений, происходящих на этой поверхности. Прежде всего усиливается так называемая гидратация, т.е. адсорбция молекул воды группами -ОН благодаря образованию водородных связей. Кроме того, под влиянием измельчения и гидратации волокна становятся более гибкими и пластичными, а это обеспечивает лучший контакт между ними при последующем процессе отлива бумажного листа и, следовательно, создает более прочные межволоконные связи, что в конечном счете повышает прочность бумаги.

Примеры осуществления изобретения

В зависимости от типа растительного материала, используемого в качестве сырья, а также от назначения получаемой целлюлозы, в том числе от технических характеристик конечного продукта, получаемого из целлюлозы, заявленный способ может включать различную последовательность действий. Но в любом случае, процесс получения целлюлозы будет включать, по крайней мере, однократную варку исходного сырья (гидролиз) с тем или иным химическим реагентом и, по крайней мере, одну операцию электрического воздействия.

Гидролиз согласно заявленному изобретению может осуществляться различными методами варки: щелочной (как натронным способом, в котором в качестве реагента применяется гидроксида натрия, так и сульфатным, в котором в качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, называемый белым щелоком) и кислотной (сульфитный способ, в котором в качестве реагентов используют водные растворы бисульфита кальция, магния, натрия или аммония, содержащие небольшое количество свободного S0 ₂ ). Натронный способ используется при получении целлюлозы из лиственных пород древесины и однолетних растений, в частности, для получения хлопковой целлюлозы, сульфатный способ пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья, а сульфитный способ - для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты. Поскольку в результате однократной варки получают небеленую целлюлозу, которая имеет не только относительно низкую белизну, но еще содержит значительное количество сопровождающих клетчатку примесей, то полученную после гидролиза целлюлозу промывают и подвергают электрическому воздействию, которое осуществляют в жидкой среде с водородным показателем (рН) в диапазоне от 6 до 9 посредством электрогидравлической обработки. В результате данного электрического воздействия осуществляется существенное освобождение клетчатки от оставшихся примесей и происходит фибриллизация целлюлозы. Это позволяет получить конечный продукт с более высокими техническими характеристиками без использования вспомогательных операций, таких как облагораживание и т.п., что в свою очередь, сокращает длительность технологического процесса. Кроме того, снижается материалоемкость, в частности, расход химических реагентов, основных процессов (однократной варки), поскольку за счет электрического воздействия на обрабатываемый материал возникает возможность из исходного сырья с более низкими показателями получить конечный продукт с более высокими техническими характеристиками, и как следствие - снизить затраты на производство и стоимость конечного продукта при улучшении его технических характеристик.

В случае, если конечным продуктом является изделие с невысокими техническими характеристиками (картон и т.п.), заявленный способ заключается в однократной варке, например варке щепы сульфатным методом в котлах периодического или непрерывного действия при температуре 165— 175° С и давлении 0,7— 1,0 МПа, с последующей электрогидравлической обработкой.

В случае необходимости получения бумаги с более высокими характеристиками электрогидравлическая обработка сырья осуществляется до и после однократной варки.

Если требуется получение таких продуктов как медицинский алигнин и бумажное полотно, а также высококачественная беленая бумага, способ включает варку, последующее облагораживание и промывку, при этом электрогидравлическая обработка осуществляется после каждой из операций, а при необходимости - дополнительно перед варкой.

Размеры и геометрию разрядной камеры, электрические параметры генератора импульсных токов, частоту импульсов, длину и геометрию межэлектродного пространства, количество электродов и зазор между ними, отношение массы жидкости к массе сырья и другие параметры, подбирают так, чтобы создать оптимальные усилия развития искрового пробоя и конфигурации ударной волны для эффективного расщепления и модификации различного исходного сырья и наилучшей производительности установки в целом.

Промышленная применимость

Заявленный способ может быть реализован посредством известных устройств, использующихся в промышленности, например, при изготовлении бумаги.