Исследование морфологической структуры, физико-химических и химических характеристик беленой, сульфатной целлюлозы из древесины хвойной породы (стр. 2 из 8)

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.

Сульфатный метод предъявляет меньше требований к сырью и пригоден для древесины хвойных и лиственных пород.

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. Сульфатная целлюлоза превосходит натронную по выходу и свойствам. Главными преимуществами сульфатной варки являются:

1. Пониженные требования к породному составу и качеству древесного сырья, позволяющие использовать все виды древесины хвойных и лиственных пород, в том числе в смесях, и допускающие присутствие значительных количеств экстрактивных веществ, гнилой древесины, остатков коры.

2. Небольшая продолжительность варки.

3. Достаточно хорошо разработанные процессы переработки отработанных щелоков, включая регенерацию варочных химикатов, выработку тепла, производство ценных побочных продуктов, таких, как таловое масло и скипидар при варке древесины сосны.

4. Отличные прочностные свойства целлюлозы.

Основные недостатки сульфатной варки - образование дурно пахнущих газовых выбросов, пониженный по сравнению с сульфитной выход целлюлозы (45-50%), темный цвет небеленой целлюлозы.

Говоря о свойствах технических целлюлоз, полученных щелочными методами варки, можно отметить, что сульфатные целлюлозы, характеризующиеся отличными прочностными свойствами, используют для выработки прочных видов бумаги, применяемых в качестве наружного слоя гофрированного картона, мешочной и оберточной бумаги. Однако очень высокие показатели прочности свойственны только сульфатной целлюлозе из древесины хвойных пород. Коротковолокнистая целлюлоза из древесины лиственных пород по показателям прочности непригодна для изготовления наружного слоя гофрированного картона, хотя она легко белится и служит отличным сырьем при выработке бумаги для печати.

Сульфитная же целлюлоза для бумаги, полученная из древесины лиственных пород, имеет низкие показатели прочности, и ее используют, главным образом для выработки светонепроницаемой бумаги для печати. Белизна небеленой сульфитной целлюлозы выше, чем сульфатной, даже при высоком выходе. Показатели прочности сульфитных целлюлоз ниже, чем сульфатных.[3]

Обычная сульфатная варка и натронная не дает возможности получать целлюлозу для химической переработки, обладающую достаточно высокой реакционной способностью. Типовым методом получения целлюлозы для указанных целей является щелочная варка с предгидролизом щепы, т. е. двухступенчатая комбинированная варка.

Сульфатная целлюлоза сохраняет большое количество трудногидролизуемых пентозанов (до 50% от содержания в исходной древесине), которые не удаляются и при дальнейшей отбелке. Поэтому содержание a-целлюлозы недостаточно для целлюлозы, идущей на производство химических волокон. Чтобы устранить этот недостаток, надо удалить пентозаны. Для этого древесину варят с предгидролизом в две ступени:

1. Предгидролиз (разрушение пентозанов)

2. Собственно варка.

Предгидролиз может осуществляться двумя способами:

1. Обработка соляной или серной кислотой. Это кислотный гидролиз. Он сравнительно сложен, так как требует проведения многих длительных операций.

2. Обработкой горячей водой. Происходит отщепление ацетильных и формильных групп с образованием органических кислот, рН раствора 3,5-4. Это водный предгидролиз. При этом разрушается 12-17% от абсолютно сухого вещества древесины.

Затем производится сульфатная варка.[12]

Из всех промышленных способов получения целлюлозы наибольшее распространение получили сульфитный и сульфатный.

1.2 Химические превращения компонентов древесины в условиях сульфатной варки

Варочный процесс (варка)- это обработка измельченной древесины (технологическая щепа, иногда опилки) или другого растительного сырья варочным раствором при повышенной температуре и соответствующем давлении с целью получения технической целлюлозы, целлюлозы высокого выхода (ЦВВ) или полуцеллюлозы.

Любой варочный процесс представляет собой сложный комплекс различных процессов, на которые оказывают влияние морфологические, физические и химические факторы. Основными процессами при этом должны быть разрушение лигнина межклеточного вещества и удаление лигнина из клеточной стенки.

Поведение полисахаридов древесины при ее делигнификации в процессе варки будет определяться условиями проведения процесса, строения макромолекул и особенностями надмолекулярной структуры полисахаридов, влияющими на их доступность действию химических реагентов. По доступности к варочным реагентам все полисахариды можно разделить на три группы: полисахариды, переходящие в варочный раствор; полисахариды, в структуру которых проникают реагенты; полисахариды, структура которых недоступна для реагентов. Полисахариды первой группы растворяются, второй – набухают в варочном растворе, третей – не набухают. Первую группу образуют водорастворимые полисахариды (арабиногалактаны, пектиновые вещества, крахмал и др.). Ко второй группе относятся основная масса гемицеллюлоз и аморфные участки целлюлозы. В третью группу входят кристаллические участки целлюлозы и целлюлозаны.

При делигнификации как в условиях варки, так и отбелки, воздействию подвергаются не только лигнин, но и углеводная часть древесины. Реакции углеводов, главным образом деструкция полисахаридов, будут определять выход и качество получаемого волокнистого полуфабриката.[1]

1.2.1 Лигнин

Лигнин представляет собой ароматический полимер сетчатого строения. Основная структурная единица которого фенилпропановая единица С₆-С₃. В лигнине мономерные звенья соединены между собой эфирными и углерод углеродными связями.

В настоящее время существует более или менее единый взгляд на роль сульфида натрия при сульфатной варке – он обеспечивает защиту лигнина от конденсации. Большинство ученых считают, что сера оказывает блокирующее действие. Следовательно, гидросульфид-ион, являющийся более сильным нуклеофилом по сравнению с гидроксид-ионом, обеспечивает более интенсивную деструкцию лигнина и его защиту от конденсации, причем сера химически связывается с лигнином. Ион гидросульфида играет роль сильного «внешнего» нуклеофила при сульфатной варке. Сульфатный варочный раствор вызывает деструкцию всех связей -О-4 в фенольных структурах лигнина независимо от направления реакции.

По первому направлению, идущему в меньшей степени через промежуточный оксиран (эпоксид), под воздействием гидросульфид-иона образуется группировка тиирана (эписульфида). По второму, главному, направлению к образовавшемуся хинонметиду присоединяется сильный «внешний» нуклеофил (:SH^-) и тем самым защищает лигнин от конденсации, а также от конкурирующей с реакциями нуклеофильного замещения реакции элиминирования.

В результате образуется группировка тиола (меркаптана) в ионизированной форме (тиолят-анион). Тиолян-анион атакует -углеродный атом и вызывает деструкцию связи -О-4 с образованием, как и по первому направлению, группировки тиирана. В нефенольных структурах связи -О-4 расщепляются по такому же механизму, как и при натронной варке.

В этой реакции деструкция идет под действием более сильного основания, т.е гидроксид-иона, но затем группировка оксирана под действием гидросульфид-иона превращается в группировку тиирана.

При сульфатной варке в лигнине сначала образуются структуры, богатые серой, а затем значительная часть серы отщепляется в виде элементной серы и образуется сульфатный лигнин.

Кроме гетеролитических реакций при щелочных варках при температурах 160-180 єС могут протекать и свободнорадикальные процессы. В свое время предполагали, что радикалы образуются в результате гомолитического расщепления сетки лигнина, и их рекомбинации приводит к конденсации лигнина. Однако в настоящее время выдвинута теория образования свободных феноксильных радикалов под действием присутствующего в капиллярах древесины и варочном растворе кислорода воздуха, который в щелочной среде на начальной стадии варки при взаимодействии с компонентами древесины восстанавливается до таких активных форм, как супероксид-анион-радикал О₂и гидроксильный радикал НО^., которые и являются инициаторами свободнорадикальных процессов. При этом сере, содержащийся в сульфиде и гидросульфиде натрия, отводится роль «ловушки» радикалов и антиоксиданта, препятствующего образованию феноксильных радикалов. Протекающие окислительно-восстановительные реакции приводят к изменению степени окисления серы.

Недостаток сульфатной варки – выделение дурнопахнущих сернистых соединений, образующихся из метоксильных групп лигнина под действием гидросульфида натрия при высокой температуре варки. Сначала получается метилмеркаптан (метантиол) легколетучий а затем из него также легколетучий диметилсульфид (тиоэфир) СН₃SCH₃. В результате окисления метилмеркаптана образуются менее летучие диметилдисульфид СН₃SSCH₃. Из диметилсульфида при окислении можно получить ценный растворитель – диметилсульфоксид (СН₃)₂SO. [1]