Введение к работе
диссертационного совета Швецов Ю.Н.
Актуальность темы. Одним из направлений развития химической переработки древесины с получением полуфабрикатов для производства бумаги и картона является комплексное использование древесного сырья, в том числе максимальное вовлечение в переработку некондиционной древесины.
Целлюлозно-бумажная промышленность России, особенно предприятия европейской части, где запасы древесины ограничены, все больше сталкивается с проблемой обеспеченности сырьем. Доставка его из лесодостаточных районов экономически нецелесообразна.
Одним из резервов сырья для получения волокнистых полуфабрикатов может служить тонкомерная древесина, получаемая при проведении рубок ухода за лесом.
Известные особенности морфологического строения молодой тонкомерной древесины, различия плотности и химического состава по сравнению со спелой обусловливают необходимость комплексного исследования делигнификации этой древесины.
Основное внимание исследователей в последние годы было обращено на сульфатный способ делигнификации некондиционной древесины как наиболее универсальный, позволяющий использовать низкокачественное сырье. Однако в структуре целлюлозного производства России на долю сульфитной целлюлозы, выпускаемой на 19 предприятиях, приходится до 30 % . Быстрое перепрофилирование или вывод из баланса отрасли этих производственных мощностей в ближайшие годы невозможно. Поэтому в российской ЦБП и в будущем сохранится крупнотоннажное производство сульфитной (бисульфитной) целлюлозы, в связи с чем представляет интерес производство беленого полуфабриката из молодой тонкомерной древесины разных пород. Существенным преимуществом сульфитного метода варки по сравнению с получившим широкое распространение за последние годы сульфатным методом является более полное использование древесины – более высокий выход целлюлозы, а также легкая белимость целлюлозы.
Поскольку бисульфитная целлюлоза используется главным образом в беленом виде, представляет интерес также изучение возможностей и целесообразности отбелки целлюлозы по современным экологически безопасным технологиям, максимально адаптированным к условиям российских сульфит-целлюлозных предприятий.
В свете вышеизложенного тема данной диссертационной работы актуальна. Ее результаты будут способствовать решению научно-технической проблемы определения рациональных путей использования нетрадиционного сырья (молодой древесины) в ЦБП, включающих делигнификацию, отбелку по экологически безопасной технологии и рациональные направления использования получаемой целлюлозы.
Цель работы и задачи исследования. Цель диссертации – создание научных основ и технологии бисульфитной делигнификации молодой древесины хвойных и лиственных пород с целью получения целлюлозы с высокими показателями механической прочности, технологии отбелки целлюлозы без хлорсодержащих реагентов и установление эффективных направлений использования небеленой и беленой целлюлозы.
В соответствии с целью диссертационной работы решались следующие задачи:
- сравнительное изучение количественного изменения компонентов древесного остатка молодой и спелой древесины ели, сосны и березы, а также изменения параметров капиллярно-пористой структуры и степени равномерности провара в процессе бисульфитной делигнификации с целью выявления особенностей и целесообразности бисульфитной варки молодой древесины указанных пород;
- определение оптимальных условий делигнификации молодой древесины с целью получения целлюлозы с высокими бумагообразующими свойствами;
- изучение возможности и целесообразности бисульфитных варок смесей молодой тонкомерной древесины различных пород;
- исследование возможности применения тонкомерной древесины в качестве добавки при бисульфитной варке балансовой еловой древесины;
- сравнительное изучение бумагообразующих свойств бисульфитной целлюлозы из молодой и спелой древесины хвойных и лиственных пород;
- разработка научно обоснованной бесхлорной схемы отбелки бисульфитной целлюлозы с применением в качестве делигнифицирующего и отбеливающего реагента пероксида водорода;
- определение оптимальных условий процесса обработки целлюлозы на отдельных ступенях отбелки;
- установление закономерности изменения физико-химических, физико-механических показателей и субструктуры волокон целлюлозы из молодой и спелой древесины в процессе отбелки по разработанной схеме;
- исследование изменения бумагообразующих свойств беленой целлюлозы в процессе размола;
- оценка технико-экономических и экологических показателей получения бисульфитной целлюлозы и отбелки ее по разработанной схеме;
- изучение целесообразности использования бисульфитной целлюлозы из молодой древесины ели в качестве сырья для получения порошковой целлюлозы;
- опытно-промышленные испытания получения сульфитной целлюлозы из еловой древесины с добавкой молодой древесины;
- опытно-промышленные выработки беленой целлюлозы по разработанной технологии.
Научная новизна. В диссертации впервые:
- выявлены особенности бисульфитной делигнификации тонкомерной (молодой) древесины ели, сосны, березы и изменения субмикроскопической структуры и химического состава клеточных оболочек молодой древесины в условиях варки;
- проведено сравнительное изучение изменения степени равномерности делигнификации различных геометрических зон щепы молодой и спелой древесины и показано влияние особенностей их на процесс и результаты делигнификации;
- экспериментально получены диаграммы «породный состав технологической щепы - свойства целлюлозы», при помощи которых можно прогнозировать свойства бисульфитной целлюлозы из смеси различных пород тонкомерной древесины;
- на основании результатов сравнительного изучения бумагообразующих свойств бисульфитной целлюлозы из молодой и спелой древесины ели и березы показано, что целлюлоза из молодой древесины имеет более высокие показатели механической прочности и при степени помола 25-30 оШР, при которой сульфитная целлюлоза обычно используется в производстве массовых видов бумаги, сравниваемые образцы по показателям обезвоживаемости и водоудерживающей способности различаются незначительно;
- разработана схема отбелки бисульфитной целлюлозы с использованием в качестве делигнифицирующего и отбеливающего реагента пероксида водорода, изучены основные закономерности делигнификации и отбелки целлюлозы щелочными растворами пероксида водорода;
- показана целесообразность проведения при отбелке пероксидом водорода предварительного окислительного щелочения целлюлозы в присутствии пероксида водорода с целью разрыхления структуры волокна для более глубокой делигнификации без хлорсодержащих реагентов;
- выявлено, что результаты отбелки целлюлозы пероксидом водорода значительно улучшаются при чередовании обработок целлюлозы пероксидом водорода в щелочной среде с кислотными обработками, особенно в случае использования для промежуточной обработки уксусной кислоты;
- показано влияние изменений субмикроскопической структуры волокон при отбелке целлюлозы с чередованием щелочных и кислых ступеней на физико-химические и механические показатели целлюлозы;
- на основании результатов исследований окислительной деструкции целлюлозы в процессе отбелки, изменения химического состава и физико-химических показателей целлюлозы выявлен ряд весьма положительных отличительных особенностей отбелки целлюлозы из молодой древесины ели и березы, из которых обращают на себя внимание следующие: меньший расход реагентов на отбелку, меньшая окислительная деструкция целлюлозы в процессе отбелки по сравнению с целлюлозой из спелой древесины, существенное снижение в процессе отбелки массовой доли экстрактивных веществ и «вредной» смолы (в 2 и 5 раз соответственно);
- результатами исследований физико-химических закономерностей процесса кислотного гидролиза бисульфитной и, для сравнения, хлопковой целлюлозы показано, что целлюлоза из смеси балансовой и тонкомерной древесины ( в соотношении 1:1) может служить волокнистым сырьем для получения порошковой целлюлозы.
Практическая значимость.
Показана возможность использования молодой тонкомерной древесины (от рубок ухода за лесом) различных пород как раздельно, так и в смеси, а также в качестве добавки к балансовой древесине для получения бисульфитной целлюлозы, что позволит расширить сырьевую базу целлюлозного производства в условиях дефицита древесины хвойных пород; разработан оптимальный режим варки молодой древесины для получения целлюлозы с высокими показателями механической прочности; построены диаграммы зависимости «породный состав – свойства целлюлозы», которые могут быть использованы для прогнозирования свойств целлюлозы из смеси молодой древесины ели, сосны и березы.
Разработана экологически надежная и экономически целесообразная технологическая схема отбелки бисульфитной целлюлозы, полученной как из балансовой, так и из молодой древесины ели и березы; обоснованы и показаны существенные преимущества отбелки по разработанной схеме (ЩП-Пд-Кук-П-К) по сравнению с традиционной отбелкой хлорсодержащими реагентами, наиболее важным из которых является весьма значительное снижение содержания в целлюлозе экстрактивных веществ и «вредной» смолы, что практически исключает проблему смоляных затруднений в производственных условиях; показана более легкая отбеливаемость и обессмоливание целлюлозы из молодой древесины при отбелке по разработанной схеме.
Разработана технология производства порошковой целлюлозы из облагороженной целлюлозы, полученной из смеси молодой и спелой древесины ели.
Проверены в промышленных условиях и подтверждены результаты лабораторных исследований по получению целлюлозы из смеси балансовой и тонкомерной древесины (на Вишерском ЦБК).
Опытно-промышленные выработки на Камском ЦБК беленой целлюлозы по предлагаемой бесхлорной схеме также дали положительные результаты и подтвердили полученные в лабораторных условиях данные.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку: на международной конференции по химии и химической технологии МКХТ-97 (КХТУ им. Д.И.Менделеева); на международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (Екатеринбург, 1999); на Всероссийском НТС «Новые достижения в технологии волокнистых полуфабрикатов» (Москва, 1992); на 2-й и 3-й Уральских конференциях «Полимерные материалы и двойные технологии технической химии» (Пермь, 1997, 1999); на Всероссийской конференции «Повышение эффективности производства на основе научно-технического прогресса (Пермь, 1988); на Всероссийской конференции «Состояние и перспективы развития эффективного использования энергии в Пермской области» (Пермь, 1996); на конференции «Конверсия организаций и предприятий спецхимии и спецтехнологии» (Казань, 1996); на Всероссийских конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 1998, 1999, 2004).
Промышленные выработки и внедрение. Опытно-промышленная выработка сульфитной целлюлозы из еловой древесины с добавкой 20 % тонкомерной ели с использованием полученной целлюлозы при выработке типографской бумаги № 1 проведена на Вишерской ЦБК.
Опытно-промышленные выработки беленой бисульфитной целлюлозы проведены в отбельном цехе № 2 Камского ЦБК с отбелкой по разработанной схеме ЩП-Пд-К-П-К; целлюлоза использована для производства офсетной бумаги.
Разработанная технологическая схема получения порошковой целлюлозы внедрена на Пермском заводе им. С.М.Кирова.
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 42 научных работах; получено 2 патента Российской Федерации; поданы 2 заявки на патенты.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 284 страницах машинописного текста, содержит 64 таблицы, 52 рисунка. Список цитируемой литературы включает 221 наименование. В приложениях, занимающих 12 страниц, представлены ориентировочные экономические расчеты и акты проведения опытно-промышленных выработок.
