Отбеливание в производстве целлюлозы

На прошлой неделе в Санкт-Петербурге прошла выставка технологий PulpForExpo 2022, и основной темой этого года стало, конечно же, импортозамещение и импорт из дружественных стран. Мы также не стоим на месте и работаем с производителями из Китая и Турции в части оборудования, а также с экспертами из России в части консалтинга по производству целлюлозы и глубокой обработке натуральных волокон. Одним из самых проблемных этапов с точки зрения экологии является отбеливание. Об этом и поговорим сегодня.

Отбеливание - это процесс придания целлюлозе белого цвета для улучшения печатных свойств и ее способности впитывать жидкости. Отбеливание также воздействует на некоторые загрязняющие вещества, чтобы уменьшить количество случайных частиц темного цвета на конечном листе бумаги.

Процессы отбеливания значительно увеличивают общую стоимость производства целлюлозы. Кроме того, в последнее время уделяется все более пристальное внимание воздействию отбеливания на окружающую среду.

Отбеливание влияет не только на белизну и/или яркость бумаги, но и на ее свойства.

Поэтому отбеливание необходимо оптимизировать и хорошо управлять им. Игнорирование процесса отбеливания приводит к более высоким эксплуатационным расходам, неожиданностям в обслуживании, таким как коррозия, и проблемам с регулированием. Небольшие проекты, улучшающие систему отбеливания, помогают избежать крупных экологических затрат.

Волокно и лигнин – строительные блоки бумаги

Волокна для изготовления бумаги в основном получают из древесины, которая примерно наполовину состоит из волокон и наполовину из лигнина темного цвета - связующего, которое скрепляет волокна вместе. Удаление лигнина при варке осветляет целлюлозную массу. Затем при отбеливании удаляется большая часть оставшегося лигнина. В случае регенерированного волокна и механической целлюлозы (изготовленной преимущественно механическим способом с небольшим количеством химических добавок или вообще без них), отбеливание осветляет лигнин, который остается в волокне.

Химические вещества, используемые для отбеливания, делятся на две основные химические категории — окислительные и восстановительные. Окислители удаляют лигнин. Восстановительные химикаты предназначены для осветления. Щелочь также используется для удаления окисленного лигнина.

Окислители:

• Хлор (C)

• Диоксид хлора (D)

• Кислород (O)

• Озон (Z)

• Гипохлорит (H)

• Перекись водорода (Р)

Восстановители:

• Гидросульфит (Y), обычно

на основе натрия

• FAS (формамидинсульфоновая кислота)

Часто заводы используют ферменты для отбеливания. Ферменты - это химические вещества, полученные из ферментированных микроорганизмов и являющиеся экологически чистыми. Их сложные структуры уникальны в том, что они воздействуют на органические структуры в волокне. Ферменты могут быть очень экономичными. Примером использования фермента является контролируемая подача в механической целлюлозе.

Отбельные башни

В большинстве систем отбеливания целлюлозы используются комбинации химических веществ.

Установка оборудования осуществляется поэтапно. Каждая стадия начинается с химического смешивания, затем направляется в отбельную башню для обеспечения времени выдержки (измеряемого в минутах или часах) и заканчивается промывкой.

Для того чтобы химические реакции сработали, необходимо соблюдать определенные условия.

К ним относятся температура, количество используемого химиката и рН. рН - это показатель концентрации кислоты или основания (щелочи). Добавление серной кислоты (H2SO4) снижает рН. Добавление гидроксида натрия (NaOH или “каустика”) повышает рН.

Какова консистенция целлюлозной массы? Целлюлозная масса обычно проходит через различные процессы в виде водной суспензии. Процент сухого волокна в этой суспензии называется консистенцией.

Консистенция целлюлозной массы = вес сухого волокна/ влажный вес образца х 100%

Измерение консистенции целлюлозы необходимо для правильного контроля дозировки отбеливающих химикатов, а также является важной функцией внутреннего учета. Влияние этого ключевого вопроса на общее управление технологическим процессом часто упускается из виду.

Смешивание

Смешивание химикатов с целлюлозой является критически важным этапом. Равномерное смешивание газов с целлюлозной массой требует больше усилий и внимания, чем смешивание жидкостей с целлюлозной массой. Время реакции ограничено объемом, доступным после смешивания (т.е. размером отбельной башни) и перед следующим процессом -

промывкой целлюлозной массы. Пар обычно добавляют, если необходимо повысить температуру для ускорения реакции. Фильтраты перерабатываются для экономии как тепловой энергии, так и остаточных химических веществ.

Этапы отбеливания

Основной рабочей лошадкой отбеливания обычно является кислый диоксид хлора (ClO2), называемый D-стадией.

Для снижения рН можно добавить серную кислоту. Кислоты и ClO2 могут быть очень агрессивными, поэтому утечки и пары необходимо контролировать. За первой стадией D всегда следует стадия извлечения (E). На этой горячей стадии с высоким рН используется каустик для растворения лигнина, подвергшегося воздействию, но не удаленного на предыдущей стадии. Это приводит к потемнению целлюлозной массы по мере того, как высвобождается больше лигнина.

Почти все современные стадии работают непрерывно при консистенции около 10-12% (средняя консистенция).

После варки, промывки и скрининга коричневого волокна типичная последовательность отбеливания состоит из четырех этапов: O-D-EOP-D. Кислородная делигнификация (О) используется для дальнейшего снижения содержания лигнина на 20-70%. Затем ClO2 используется в две стадии с промежуточной стадией E. Часто на этой стадии E добавляется кислород и/или перекись водорода, отсюда и название “EOP”. Это увеличивает удаление лигнина и добавляет осветления между двумя стадиями ClO2 (D).

Механическую целлюлозу обычно отбеливают с помощью стадии перекиси щелочи, восстановительной стадии или и того, и другого. Обычно основной целью является осветление волокон, а не удаление лигнина. В некоторых операциях по извлечению волокна используются аналогичные процессы отбеливания для осветления волокна и любых оставшихся чернил или загрязнений. Сырье для вторичной переработки должно контролироваться и согласовываться с процессом отбеливания, чтобы обеспечить стабильную яркость и конечные свойства целлюлозы.

Говоря об отбеливании

Типичными параметрами качества волокна являются яркость, измерение количества частиц или загрязнений (частей на миллион) и некоторые аспекты прочности целлюлозного волокна.

Вязкость - это обычный тест на прочность первичного волокна. Этот тест включает растворение небольшого количества волокна на его отдельные химические нити. Тест на вязкость жидкости многое говорит о конечных свойствах бумаги.

По мере отбеливания волокна часть органического материала растворяется в сточных водах. Потеря веса выражается в потере выхода продукции.

Остатки - это неиспользованные химические вещества в конце химического процесса. Они являются отходами производства и часто могут мешать последующим технологическим реакциям. В некоторых случаях они приведут к уменьшению яркости, а не к дальнейшему улучшению.

Следовые количества растворенных ионов металлов могут стать серьезной проблемой для отбеливания. Некоторые последовательности используют специальные химические добавки, называемые хелатообразующими агентами, для захвата и удержания этих атомов металла. Поскольку содержание ионов металлов в древесине и воде сильно варьируется от места к месту или даже от сезона к сезону, оптимизация хелатообразующих агентов должна быть адаптирована к конкретной ситуации.

Экологические проблемы

Ужесточение экологического регулирования привело к изменениям в отбеливании целлюлозы. Элементарный хлор и гипохлорит строго регулируются большинством стран и в настоящее время разрешены только для определенных применений. Выбросы в атмосферу также регулируются, обычно со стадии D.

Объем и качество сточных вод — воды, взятой из окружающей среды и возвращаемой в нее, — являются существенными проблемами для процессов отбеливания. Как давление окружающей среды, так и спрос на пресную воду со стороны растущего населения будут продолжать приводить к изменениям в отбеливании. Уменьшение количества сбрасываемой воды влияет на химический состав отбеливателя из-за микроэлементов, которые поступают в него, в первую очередь, с древесиной.

Рабочие параметры должны быть оптимизированы с учетом уникальных особенностей ситуации каждого завода, включая стоимость химических веществ, ограничения на оборудование и нормативные акты. Это не только снизит эксплуатационные расходы, но и позволит адаптировать уникальные свойства волокон и бумаги.

Вместо заключения

Технологии отбеливания широко применяются в целлюлозной отрасли не только для производства бумаги. Отбеливанию подлежит волокно для производства нетканых материалов, например, таких тонких нетканых материалов как спанлейс, в сфере медицины и гигиенической продукции. Мы работаем с ведущими производителями оборудования по переработке волокна, производству целлюлозы и различных нетканых материалов, оказываем консультационные услуги и ведем проекты под ключ. Сервисно-консалтинговое агентство DUOBUSINESS – обращайтесь к нам, с радостью проконсультируем вас и подберем лучшее оборудование.