Исследование морфологической структуры целлюлозы

ВВЕДЕНИЕ

Древесина является уникальным возобновляемым природным ресурсом. Мировой запас леса составляет более 350 миллиардов м3. Лесной фонд России занимает первое место в мире (72 миллиарда м3), ежегодно заготавливается 300 млн м3 древесины в России. Однако спрос на продукты переработки древесины постоянно растет. В связи с высокой вырубкой лесов возникает опасность их исчезновения. Поэтому рациональное и комплексное использование всего дерева, включая ветви, листья, хвою и кору является главной задачей с точки зрения экономики и экологии.

В настоящее время в химической технологии древесины получение востребованных на рынке продуктов обеспечивают 4 основные направления:

  • целлюлозно-бумажное производство;
  • гидролизное и микробиологическое производство;
  • производство древесных пластиков и плит;
  • лесохимическое производство.

Требования к древесине как к источнику сырья в каждом из перечисленных производств определяется ассортиментом и потребительскими свойствами конечной продукции, а также условиями технологических процессов её получения.

Крупнейшей отраслью химической переработки древесины является целлюлозно-бумажная промышленность, вырабатывающая техническую целлюлозу и другие волокнистые полуфабрикаты для производства различных видов бумаги и картона. Так волокнистых полуфабрикатов в мире ежегодно производится 200 млн тонн.

Для получения волокнистых полуфабрикатов, бумаги и картона сырьё должно отличаться высоким содержанием целлюлозы, а её волокна обладать хорошими бумагообразующими свойствами. Целлюлоза является одним из основных компонентов древесины, структурным компонентом, т.е. входит в состав клеточной стенки.

Целью настоящей работы является исследование морфологической структуры, физико-химических и химических характеристик белёной, сульфатной целлюлозы из древесины лиственных пород. Я считаю, что цель данной работы очень актуальна, ведь невозможно представить жизнь без бумаги. Бумага нас окружает везде, это книги, тетради, журналы, обои, деньги, документы, географические карты, салфетки. Нет ни одной области экономики, культуры и быта, где бы ни применялась бумага и другие продукты переработки древесины.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Технические целлюлозы

Техническая целлюлоза – целлюлоза, выделенная из природного растительного сырья, древесного и недревесного, удалением нецеллюлозных компонентов (лигнина, гемицеллюлоз, экстрактивных веществ). Природная целлюлоза имеет высокую СП : древесная 5000 - 10000, хлопковая 14000 - 20000. При выделении целлюлозы из растительного сырья она несколько разрушается и ее СП снижается. Техническая целлюлоза имеет СП в среднем в интервале 1000 - 2000. Технические целлюлозы изменены по сравнению с природной целлюлозой (включают в свой состав кроме спиртовых групп небольшое количество карбонильных и карбоксильных групп) и содержат различные примеси.

Наиболее чистую и высококачественную техническую целлюлозу, применяемую для химической переработки, получают из хлопкового линтера, т.е. коротких (длиной несколько миллиметров) волокон, остающихся на семенах хлопчатника после съема основного хлопкового волокна, предназначенного для производства хлопчатобумажных тканей. В качестве технической хлопковой целлюлозы используют также после очистки тряпье (бывшее в употреблении или отходы текстильной промышленности).

Техническая древесная целлюлоза может использоваться для производства бумаги и картона, а также и для химической переработки. Целлюлоза для бумаги должна иметь высокие показатели механической прочности, а для писчей и печатной бумаги – и высокую белизну. Целлюлоза, предназначенная для химической переработки, должна иметь высокую степень чистоты (содержать мало примесей), степень полимеризации в оптимальном интервале, обеспечивающем хорошую растворимость получаемых производных, и высокую степень однородности по степени полимеризации и по реакционной способности. Выход целлюлозы для бумаги и картона составляет 40-60%, а целлюлозы для химической переработки – 30-40% [1,с.539].

В настоящее время помимо технической целлюлозы из древесины также получают и другие разнообразные волокнистые полуфабрикаты целлюлозно-бумажного производства с разными выходами, степенью чистоты и степенью деструкции, такие как древесная масса (древесная масса, термомеханическая древесная масса, химическая древесная масса, химико-термомеханическая масса), полуцеллюлоза, целлюлоза высокого выхода.

Техническую целлюлозу получают из древесины щелочными и сульфитными методами варки.

В настоящее время сульфатный метод является не только доминирующим щелочным методом варки при использовании древесины в качестве сырья, но и наиболее важным способом производства целлюлозы вообще. В течение последних 70 лет во всем мире сульфатный метод варки опережает сульфитные.

Главными преимуществами сульфатной варки по сравнению с сульфитной являются следующие:

  1. Пониженные требования к породному составу и качеству древесного сырья, позволяющие использовать все виды древесины хвойных и лиственных пород, в том числе в смесях, включая ствол, корни, ветви, кору и хвою и допускающие присутствие значительных количеств экстрактивных веществ, гнилой древесины.
  2. Небольшая продолжительность варки.
  3. Достаточно хорошо разработанные процессы переработки отработанных щелоков, включая регенерацию варочных химикатов, выработку тепла, производство ценных побочных продуктов, таких, как талловое масло и скипидар при варке древесины сосны. Система регенерации варочных химикатов уменьшает загрязнение водоёмов.
  4. Отличные прочностные свойства целлюлозы.

Основные недостатки сульфатной варки – образование дурнопахнущих газовых выбросов, темный цвет небеленой целлюлозы, пониженный по сравнению с сульфитной варкой выход целлюлозы (45-50 %) и значительные затраты на сооружение новых заводов.

Сульфатная варка

Процессы сульфатной варки в отличии от сульфитной проводятся практически по единой технологической схеме, хотя существуют разнообразные варианты условий варки и применяемого оборудования. Древесную щепу загружают в варочный котел и одновременно подают варочный раствор (белый щелок), поступающий из системы регенерации. Используют периодическ и непрерывнодействующие варочные установки. Периодическую варку проводят при температуре 160-180 оС, под давлением 0,7-1,1 МПа в течение 4-6 ч, непрерывную ускоренную варку при 190-200 оС в течение 15-30 мин. Массу и отработанный щелок (черный щелок) выгружают при уменьшенном давлении. После промывки массы отработанный щелок отделяют и направляют в систему регенерации. При предварительном пропаривании удаляется сульфатный скипидар, который конденсируется из сдувочных газов. С упаренного щелока снимают сульфатное мыло. При сдувке из варочного котла и упаривании черного щелока выделяются дурнопахнущие и токсические пары и газы, такие как сероводород H2S и метилмерркаптан СН3S-Н, а также небольшие количества диметилсульфида СН3-SСН3 и диметилдисульфида СН3-S-S-СН3 .

Сульфатный варочный щелок содержит следующие компоненты: гидроксид, карбонат, сульфид натрия. В меньших количествах присутствуют также тиосульфат, сульфат и полисульфиды натрия. Основным варочным химикатом при сульфатном методе варки является гидроксид натрия. Расход щелочи при сульфатной варке, являющийся ее важным фактором, можно выражать в виде активной щёлочи (NaOH + Na2S) или эффективной щелочи (NaOH + 1/2Na2S) в соответствии с равновесием реакции гидролиза сульфида натрия по уравнению

Хорошая пропитка щепы необходима для равномерной делигнификации древесины. Щелочные растворы проникают в древесину намного лучше, чем кислые, и поэтому в щелочных варочных процессах продолжительность нагревания до максимальной температуры варки значительно меньше, чем при сульфитной (кислой) варке. Пропитка щепы происходит в результате проникновения варочного щелока в капиллярную систему древесины и диффузии через клеточные стенки. Толщина щепы влияет на выход целлюлозы и количество отходов сортирования и составляет 8-10мм.

Делигнификация протекает гетерогенно в три стадии. Начальная делигнификация происходит при температуре ниже 140оС. Основная делигнификация – при температуре выше 140оС, пока не перейдет в раствор примерно 90 % лигнина. Последнюю стадию удаления лигнина называют остаточной делигнификацией. Химические реакции лигнина и полисахаридов при сульфатной варке будут рассмотрены ниже.

На процесс сульфатной варки и свойства получающейся целлюлозы влияет ряд факторов: исходное сырье (древесная порода и качество); модуль варки (отношение количеств щелока и древесины); расход химикатов и их концентрация в варочном щелоке; состав варочных химикатов.

Расход химикатов на варку зависит от древесной породы, условий варки и требуемого содержания остаточного лигнина в целлюлозе. Расход эффективной щелочи лежит в интервале от 11% (по отношению к абсолютно сухой древесине) для жесткой небеленой целлюлозы до 17 % для белимой целлюлозы для бумаги, но он намного выше при получении целлюлозы для химической переработки. Концентрация щелочи является основным фактором, определяющим растворение лигнина и полисахаридов. Концентрация гидроксида натрия в начале варки может варьировать в широких пределах – от 20 до 80 г/л. Расход сульфида натрия при варке для древесины лиственных пород (15-20 %) ниже, чем для хвойных (25-35%).

В начальном периоде варки большая часть щелочи расходуется на нейтрализацию образующихся из полисахаридов кислот (уксусной, уроновых) и продуктов деградации лигнина (соответственно, 10 % и 25-30 % всей щелочи). B конце варки слишком высокой концентрации щелочи следует избегать из-за возможности сильной деструкции полиоз и целлюлозы. Хвойные породы для достижения сравнимой степени делигнификации обычно требуют более высоких расходов и концентрации щелочи, чем лиственные.