Отбелка хлопковой целлюлозы
2.2. Отбелка хлопковой целлюлозы
Хлопковая целлюлоза после варки приобретает серый цвет с различными оттенками.
Для отбелки с малой концентрацией массы и большим модулем (гипохлоритная отбелка) применяют различные аппараты.
Наиболее простым аппаратом является железобетонный отбельник с лопастной железной мешалкой. Для защиты от коррозии отбельник выложен кислотоупорной плиткой или листовым свинцом. Такие отбельники просты по конструкции и обеспечивают равномерность отбелки, однако имеют большие размеры, что увеличивает габаритные размеры здания и требуют больших удельных расходов воды и химикатов.
Другой конструкцией такого аппарата является отбельный ролл. Часто в целях экономии площади помещения два ролла соединяют. весьма часто такой ролл имеет водоотливной барабан, представляющий собой цилиндр с сетчатой боковой поверхностью, через которую внутрь барабана входит вода и удаляется через полую ось его.
Иногда в производстве используют железобетонные отбельные чаны, футерованные кислотоупорным кирпичом.
После окончания процесса отбелки отработанные раствор гипохлорита натрия перекачивают в сборник для укрепления раствора, а целлюлозу дважды промывают водой и проводят кисловку серной кислотой (т.к. целлюлоза содержит остаточное количество отбельных реагентов и имеет повышенное содержание золы), предварительно залив целлюлозу холодной водой. После кисловки целлюлозу тщательно промывают холодной водой.
Недостатками всех таких аппаратов является периодичность процесса, большой расход электроэнергии, расходуемой на перемешивание, большие площади для аппаратуры и низкая производительность.
Однако отбелка хлорсодержащими реагентами до сих пор применяется. Так, например, на заводе в г. Ламберти (США) для производства банкнотной бумаги используют для варки линта шаровые котлы периодического действия. Способ варки натронный. Отбелка производится с минимальным расходом хлора.
Рекомендуемые материалы
Основной тенденцией в развитии технологии отбелки целлюлозы является повышение конкурентоспособности беленых целлюлоз при соблюдении требований по охране окружающей среды. Технология отбелки должна обеспечивать для предприятия баланс между затратами, качеством целлюлозы и влиянием на окружающую среду.
В настоящее время хлорсодержащие отбеливатели заменяют пероксидом водорода. Пероксид водорода обладает высоким окислительным и энергетическим потенциалом, так как в процессе отбелки выделяется большое количество энергии, которое обеспечивает высокую чистоту отбелки. При этом отбеливающие свойства пероксида водорода исключительно велики, а продолжительность мала.
Разработка технологии получения хлопковой целлюлозы для высококачественной бумаги сводится к решению вопроса по разработке способа выделения хлопковой целлюлозы путем совмещения процессов варки и перекисной отбелки в одну стадию, позволяющих получить целлюлозу требуемого качества и исключить хлорсодержащие реагенты с одновременным решением экологических проблем производства.
Так в г. Хараре (Зимбабве) хлопковый линт варят непрерывным способом в аппарате Би Вис с отбелкой в этом же аппарате. Производительность аппарата 1,6…1,8 т/ч, белизна готового продукта не менее 80 оISO.
Отбелка пероксидом водорода
Окислительный потенциал пероксида водорода ниже, чем гипохлорита. Однако применение пероксида водорода имеет большие преимущества с точки зрения охраны окружающей среды, так как в сточных водах в этом случае полностью отсутствуют соединения хлора.
Отбелка целлюлозы пероксидом водорода способствует также значительному снижению содержания в целлюлозе смол и жиров.
В процессе отбелки пероксидом водорода в щелочной среде параллельно протекают две химические реакции:
НООН + НО– → НОО– +Н2О; (1)
2НООН → О2 + 2 Н2О. (2)
В результате диссоциации пероксида водорода по реакции (1) образуется основная отбеливающая частица – анион гидропероксида НОО–.
Степень диссоциации при обычных условиях мала, но усиливается при повышении температуры и по мере расходования иона НОО– на реакции. Диссоциации пероксида способствует щелочная среда, так как при этом связываются водородные ионы и равновесие реакции гидролиза сдвигается вправо. Поэтому отбелку пероксидом ведут в щелочной среде при рН=10-10,5, добавляя в отбельный раствор NaOH. Считается, что пероксид разрушает карбонильные группы макромолекулы целлюлозы; этим объясняется высокая стабильность белизны целлюлозы, отбеленной пероксидом водорода.
Разложение пероксида водорода по реакции (2) катализируется ионами металлов переменной валентности и сопровождается следующими реакциями с образованием радикалов – гидроксильного НО● и супероксиданиона О2●– по схемам:
Мn+ + Н2О2 → НО● + ОН– + М (n+1);
НО● + НОО– → О2●– + Н2О;
О2●– + Н2О2 → О2 +НО●+ ОН–.
Разложение пероксида водорода катализируют ионы железа, меди, марганца и др., всегда присутствующие в производственной воде.
Следует отметить, что окислительный потенциал гидроксильного радикала НО● очень высокий, из-за чего продолжительность жизни его исключительно короткая, и он вступает в реакцию практически мгновенно на месте своего образования.
Появление столь значительной по окислительному потенциалу реакционноспособной частицы в отбельной системе нежелательно, поэтому контроль за уровнем содержания ионов металлов переменной валентности является непременным условием эффективного проведения процесса отбелки пероксидом водорода.
В состав отбельного раствора кроме пероксида водорода и NaOH при традиционной отбелке входит силикат натрия (иногда, при отбелке хлопковой целлюлозы он может отсутствовать), который:
- наряду с NaOH служит для забуферивания среды до нужной щелочности, способствуя протеканию реакции диссоциации;
- связывает свободные радикалы разложения пероксида водорода, обрывая тем самым цепные реакции разложения его;
- подавляет каталитическое действие катионов железа, меди, марганца, хрома и др. на разложение пероксида водорода;
- является ингибитором коррозии оборудования.
В качества стабилизатора раствора пероксида водорода иногда добавляют небольшое количество (0,05-0,1 % от массы волокна) MgSO4, который нейтрализует каталитическое действие ионов тяжелых металлов (железа, меди, марганца и др.).
Естественно, необходимо также подбирать и параметры проведения процесса, отвечающие за преимущественную диссоциацию пероксида водорода по реакции (1).
Белизна целлюлозы в процессе отбелки может быть достигнута за счет повышения температуры, концентрации гидропероксид-анионов, а также повышения эффективности массопереноса.
Повышение температуры в большей степени влияет на реакции отбелки целлюлозы пероксидом водорода, чем на его разложение под влиянием каталитического воздействия металлов переменной валентности.
Ещё посмотрите лекцию "11 Причины конфликтных отношений" по этой теме.
Повышение концентрации гидропероксид-анионов достигается:
а) регулированием расхода NаОН для создания необходимого уровня рН, обеспечивающего преимущественное образование гидропероксид-аниона;
б) повышением концентрации массы, что позволяет увеличить эффективную концентрацию отбеливающих реагентов и, как следствие, усилить окислительную деструкцию хромофоров; по закону действующих масс при высокой концентрации массы возрастает скорость реакции.
Повышение эффективности массопереноса связано, прежде всего, с перемешиванием реагирующей смеси. Перемешивание массы низкой и средней концентрации позволяет устранить внешнедиффузионные сопротивления и перевести процесс в область внутренней диффузии, когда скорость реакции лимитируется скоростью диффузии реагентов и продуктов реакции внутри волокна. При перемешивании, осуществляемом при высокой концентрации, суспензия подвергается деформациям сжатия и сдвига. Причем при высокой концентрации значения напряжения, при котором происходит разрушение структуры суспензии и последующее ее пластическое течение, может быть достаточно большим, чтобы вызвать деформацию самих волокон. Это позволяет практически мгновенно доставлять реагенты к внутренним структурным элементам волокон и перевести процесс отбелки в кинетическую область.
Температура кипения отбельного раствора зависит от давления в системе, поэтому эффективности массопереноса может способствовать увеличение давления. Если температура реакционной смеси достигает точки кипения отбельного раствора, на поверхности раздела жидкой фазы и целлюлозного волокна будут возникать пузырьки газа, сокращая площадь, доступную для реакционного взаимодействия. Этому явлению будет препятствовать повышение давления.