Процесс производства целлюлозы кратко

Обновлено: 04.07.2024

Привет, друзья! Я продолжаю второй сезон статей о бумаге. В первой серии я рассказал о главной канцелярской бумаге — офсетной . А в этой серии расскажу, из чего делают бумагу и как устроено современное производство. Статья рассчитана на широкую аудиторию, и, чтобы не делать её сложной и скучной, я намеренно опустил детали, которые важны только профессионалам. После прочтения статьи вы поймёте, почему вам не нравилось писать в брендовом ежедневнике и нравилось в ноунейм тетради. А ещё я в очередной раз напомню, почему важно покупать хорошую бумагу для офисной техники и не покупать плохую и чем это грозит. Изготовление бумаги сродни алхимии, и сейчас я раскрою её тайны.

Сырьё для изготовления бумаги

Основное сырьё для изготовления бумаги — это древесина хвойных и лиственных пород. Из этого сырья получают древесную массу и древесную же целлюлозу. Хвойную древесину специалисты называют мягкой, а лиственную — твёрдой. Мягкая древесина — это сосна, пихта, лиственница, кедр и ель, а твёрдая — это тополь, клён, ольха, осина, бук, берёза, вяз, дуб и эвкалипт. В мягкой древесине преобладают длинные древесные волокна, а в твёрдой — короткие. Для изготовления древесной массы производители используют оба типа волокон в смеси. Длинные волокна нужны для прочности и эластичности материала, а короткие — для заполнения промежутков между ними. Благодаря такому сочетанию бумага получается крепкой и упругой, а её поверхность — гладкой и однородной.

Из древесины готовят полуфабрикаты для дальнейшей переработки: механическим способом получают древесную массу, другое её название — пульпа, а химическим — целлюлозу. Потом при производстве бумаги их смешивают в разных соотношениях.

Механический способ получения сырья

Пульпа — это деревянные частицы диаметром 2-3 мм, смешанные с водой. Пульпу получают из очищенных от коры и веток стволов деревьев, называемых балансовой древесиной. Её перемалывают с помощью гигантских дефибрерных камней в потоке воды. Полученную смесь пропускают через несколько рядов сеток, у каждого следующего ряда отверстия всё меньше. Затем однородная жидкая древесная масса попадает в барабанную мельницу. Здесь путём истирания из мелких древесных частиц уже получают волокна.

Главный компонент растительных волокон в составе древесной массы — целлюлоза. Это крутой природный полимер: у него высокая молекулярная масса, выраженное цепевидное строение молекул, фибриллярная (вытянутая нитевидная) структура, высокая прочность и стойкость к химическим и температурным воздействиями, а ещё способность набухать в воде. Грубо говоря, целлюлоза — это длинные тонкие и пушистые волокна, которые так и норовят перепутаться между собой.

Химический способ получения сырья

Целлюлозу получают в процессе варки древесины в химическом растворе в специальных варочных котлах. Эти стальные котлы, высотой с девятиэтажный дом, работают по принципу скороварки: древесная щепа варится в них под большим давлением и высокой температурой. Метод хорош тем, что не повреждает волокна древесной целлюлозы. А ещё он отлично удаляет гемицеллюлозу и лигнин. Во время варки в котлах образуются растворимые соединения лигнина, которые удаляются при промывке. Но даже после неё раствор химической целлюлозы всё ещё коричневого цвета. Такую целлюлозу называют небелёной . Чтобы она стала белой, её отправляют в узел отбеливания.

Однако любое отбеливание негативно влияет и на саму целлюлозу, разрушая её. И хотя при механической обработке количество получаемой целлюлозы больше, чем при химической, качество химической целлюлозы значительно выше, чем механической. Целлюлозу в чистом виде используют для производства высококачественной бумаги дорогих сортов.

В полусыром виде целлюлозу отправляют на дальнейшую переработку в цех или прессуют, сушат и в листах или в виде порошка продают другим предприятиям. Пульпу, кстати, тоже продают.

Ну всё, сырьё готово. Что дальше?

А дальше волшебство производства бумаги!

Производство бумаги вблизи

Всё начинается с изготовления бумажной массы. Она состоит из воды и знакомых нам полуфабрикатов: пульпы и целлюлозы — от их соотношения зависит конечный продукт.

Современный массный ролл марки РМВ-5: 1 — колпак; 2—маховичок; 3 — шкив; 4—ванна; 5 — грязевик; 6 — выпуск массы; 7 — весовое присадочное устройство; 8 — размалывающий барабан; 9 — планка

Современный массный ролл марки РМВ-5: 1 — колпак; 2—маховичок; 3 — шкив; 4—ванна; 5 — грязевик; 6 — выпуск массы; 7 — весовое присадочное устройство; 8 — размалывающий барабан; 9 — планка

После роллов она поступает в мешательные бассейны. А оттуда, сильно разбавленная водой, фильтруется: из неё удаляются загрязнения и примеси. И уже после очистки подаётся насосами в бумагоделательную машину.

Бумагоделательная машина (БДМ) — это сложный агрегат огромных размеров, своеобразный прокатный стан для бумажной массы. Длина промышленного гиганта больше 100 метров, его ширина 15-18 метров, а высота отдельных элементов достигает 15 метров. Понимаю, сложно такое представить. Давайте так: длина наших любимых пятиэтажных хрущёвок на 4 подъезда — примерно 60 метров, ширина — 10, а высота — около 16. То есть БДМ как две пятиэтажки в длину, а в высоту и ширину как одна, ну или чуть шире.

Так вот, всего за одну минуту бумажная масса успевает пройти через все секции БДМ, а их немало. Коротко о каждой из них:

Сеточная часть

Из специального напорного ящика бумажная масса, похожая на молоко, непрерывным потоком поступает на движущуюся сетку БДМ. Здесь происходят три важных процесса:

• С помощью вакуумных насосов через сетку суспензию покидает бо́льшая часть воды.
• Из целлюлозы и дополнительных компонентов формуется бумажное полотно.
• Вдоль движения сетки задаётся машинное направление расположения волокон целлюлозы в бумажном полотне. Этот нюанс важен при использовании готового продукта.

Ремарка

Две стороны одного листа

У поли графистов даже существуют понятия сеточной (машинной) и лицевой (верхней) стороны бумажного листа. Всё оказалось просто: сеточной называют сторону бумажного полотна, которая в процессе изготовления соприкасается с сеткой БДМ. А лицевой частью называют вторую сторону, которая соприкасается с сукном, а не сеткой.

На ст арых БДМ сеточная часть листа получается грубее: она менее гладкая и более пористая, если сравнивать с лицевой частью. В этом виновата ромбовидная маркировка сетки, по которой движется ещё не застывшее бумажное полотно.

А во т на БДМ последнего, четвёртого, поколения установлены двухсеточные системы, формующие бумажное полотно. В них целлюлозная масса подаётся между двух сеток, плюс применяют систему вакуумной сушки. Благодаря такому способу сеточная сторона почти не отличается от лицевой.

Раз личия в гладкости и пористости разных сторон листа называют двусторонностью .

В конце сеточной части БДМ установлен ровнительный вал — эгутер (франц. egoutteur — отжим воды). Он прокатывается по сетке, уплотняет волокна, которые всё ещё находятся в подвижном состоянии, ускоряет процесс обезвоживания, выравнивает и улучшает структуру, сглаживает поверхность. Если на бумагу нужно нанести водяные знаки или структурные узоры, устанавливают эгутер с рельефным рисунком на валике.

Прессовая часть

После сетки бумажное полотно проходит через несколько валов-прессов, где уплотняется и отдает бо́льшую часть влаги.

Сушильная часть

Принципиальная схема сушильной части БДМ 1 -вакуумный вал; 2 –бумагосушильный цилиндр; 3 – бумажное полотно; 4 – сушильная сетка; 5 – вентиляционный колпак; 6 – сушильный воздух; 7 – подача воздуха на общеобменную вентиляцию; 8 – скруббер; 9 – воздухозаборная шахта; 10 – теплоуловитель 2 – й ступени; 11 – теплоуловитель 1 – й ступени; 12 – верхняя сушильная сетка при традиционной схеме проводки бумажного полотна; 13 – каландр; 14 – накат; 15 – нижняя сушильная сетка; 16 – воздухораспределительные каналы

Принципиальная схема сушильной части БДМ 1 -вакуумный вал; 2 –бумагосушильный цилиндр; 3 – бумажное полотно; 4 – сушильная сетка; 5 – вентиляционный колпак; 6 – сушильный воздух; 7 – подача воздуха на общеобменную вентиляцию; 8 – скруббер; 9 – воздухозаборная шахта; 10 – теплоуловитель 2 – й ступени; 11 – теплоуловитель 1 – й ступени; 12 – верхняя сушильная сетка при традиционной схеме проводки бумажного полотна; 13 – каландр; 14 – накат; 15 – нижняя сушильная сетка; 16 – воздухораспределительные каналы

Здесь бумага-основа пропускается через цилиндры, нагретые паром, и на них высушивается. После этого бумагу ещё раз откалибруют и отправят дальше. Перед финальной сушкой происходит поверхностная проклейка. Бумажное полотно проходит в зазор между двумя покрытыми резиной валами, которые наносят клеевой раствор на поверхность бумаги. Этот раствор придает поверхности бумаги заданные специфические свойства, например увеличение механической прочности, сопротивление истиранию, стойкость к выщипыванию и т.д.

Благодаря проклейке, на поверхности образуется тонкая плёнка, которая усиливает связь между волокнами, а бумага становится ещё прочнее и устройчивее к перечисленным ниже дефектам.

Бумажная пыль вредит даже ручному письму. Если вы пишете шариковыми ручками, то пыль собирается вокруг шарика пишущего узла, затрудняет его вращение и образует сгустки чернил, которые приводят к помаркам и кляксам. А в перьевой ручке бумажная пыль забивается в щель между половинками наконечника, оседает на рёбра фидера, затрудняя подачу чернил, впоследствии ручку приходится промывать.

Выщипывание — дефект, при котором бумажные волокна или целые пучки отделяются от покровного слоя бумаги во время печати. В первую очередь это происходит при офсетной печати, когда ролик соприкасается с поверхностью бумаги. Всё дело в красках, которые используют в этом виде печати — они очень липкие. И если бумага проклеена плохо, то при отрыве ролика от её поверхности краски прихватят с собой кусок бумажного слоя. Это может выглядеть как вздутый пузырь или выдранный кусок изображения. Одним словом — брак.

Каландры

Чем большее количество пар валов проходит бумажное полотно, обычно их 3-10, тем более гладким и плотным получается полотно. Процесс протягивания бумаги через валы называется каландрированием .

Каландрирование бывает разной степени: сильной, средней, легкой и никакой. От степени зависят две характеристики бумаги: пухлость и непрозрачность. Чем сильнее бумага спрессована, тем менее она пухлая, читай: рыхлая, и более непрозрачная и гладкая.

Целлюло́за - это белое твердое вещество. Она нерастворима в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение.

Структурная единица целлюлозы - остаток β-глюкозы. Из целлюлозы получают в дальнейшем бумагу и картон.

Из целлюлозы получают в дальнейшем бумагу и картон.

Получение целлюлозы и ее дальнейшая обработка

Один из главных этапов изготовления бумаги и картона - получение волокон целлюлозы и ее дальнейшая обработка. От данного этапа зависит, какого качества и какой стоимости будут получаемые изделия.

Всего существует два способа получения целлюлозы:

Процесс получения целлюлозы

Целлюлозу получают из чистой древесины и макулатуры.

Волокна целлюлозы получают из так называемой древесной волокнистой массы. Целлюлозные волокна в древесине связаны между собой жестким трехмерным полимером - лигнином, занимающим до 30% древесной массы.

Поэтому для получения целлюлозы древесину специально обрабатывают - чтобы размягчить лигнин и снизить его содержание.

Обычно для этих целей применяются два вида методов:

Механическиё метод

При механическом получении древесной массы древесину, как правило, истирают или размалывают в водной среде. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна.

После очистки древесная масса готова для дальнейшей обработки. Поскольку, несмотря на обработку, лигнин не удаляется полностью, выход древесной массы получается высоким.

Наличие лигнина на поверхности и внутри волокон увеличивает их твердость и жесткость, а также придает им сравнительно стабильный размер.

Наша компания занимается производством гофрокартона и упаковки из него. Также мы реализуем коробки из гофрокартона, микрогофрокартон и упаковочные материалы.

Химический метод

В случае если древесная щепа до получения древесной массы нагревается, получаемый продукт именуют ТММ - термохимической древесной массой (или ТМР, Termomechanical Pulp).

Если для удаления лигнина применяется химическая обработка, то продукт получает название химико - термомеханической массы (ХТММ).

Древесная масса, приготовленная механическим способом, сохраняет исходный цвет древесины, химико-термомеханическая масса немного светлее. Если масса дополнительно была еще и отбелена, то ее называют беленой химико-термомеханической массой (БХТММ).

Другая не менее известная технология - сульфитная варка целлюлозы. В обоих случаях нецеллюлозные компоненты, извлеченные из древесины, используются на целлюлозно-бумажных комбинатах как источник энергии или для других целей.

Однако в этом есть и свои плюсы - бумагообразующие свойства волокон тем самым улучшаются.

Средняя длина волокна при химических способах получения полуфабрикатов из одной и той же древесины получается больше, чем при механических.

Волокна также становятся гибче. Все это обеспечивает получение более прочного и гибкого листа.

Отбелка целлюлозы

Поскольку после варки древесины целлюлоза приобретает коричневый цвет, ее необходимо отбеливать.

Целлюлоза обычно отбеливается путем удаления остаточного лигнина и других компонентов древесины. Чистые целлюлозные волокна обычно бесцветны и прозрачны, а сама беленая целлюлоза имеет красивый белый оттенок.

Учитывая, что для многих пищевых продуктов - чая, масла, шоколада, табака, - необходима чистая, не содержащая посторонних запахов и примесей целлюлоза, это очень важное свойство.

В прежние времена, еще до 1980-х годов, целлюлоза отбеливалась исключительно хлором или его соединениями. Это вызывало немало нареканий со стороны экологов, поскольку молекулярный хлор, взаимодействуя с лигнином, образовывал токсичные хлора - содержащие соединения. Они не редко попадали в сточные воды и отравляли окружающую среду. В современных процессах отбелки молекулярный хлор не применяется - его заменяет кислород, перекись водорода и диоксид хлора.

Побочные продукты такой отбелки безвредны.

Беленая целлюлоза обладает высокой стойкостью к воздействию света. Под его действием она лишь слегка желтеет.

Отходы сортируют и превращают в макулатурную массу путем механической обработки в воде. После гидро - разбивателя, где бумажная масса распускается, сырье очищается и отправляется в картоноделательную машину.

В зависимости от природы исходного сырья, степени его обработки и переработки вторичное волокно может обладать различными свойствами.

Следует помнить, что всякий раз при переработке бумаги средняя длина волокна и способность к образованию межволоконных связей уменьшается. Кроме того, некоторые виды картона и бумаги изначально не подлежат вторичной переработке. Все это делает необходимым поступление на рынок волокна, полученного непосредственно из древесины. Иначе качество бумажного продукта будет снижаться.

В зависимости от вида и источника макулатуры существует много сортов макулатурного сырья. Они отличаются качеством и степенью пригодности для повторного использования.

• самое дорогое сырье - это белая бумага, не содержащая древесной массы.

• газетно-журнальная бумага обладает средней стоимостью и качеством.

• самая дешевая - смешанная макулатура, содержащая бумагу и картон.

Всего же, к примеру, в европейском отраслевом перечне описывается 57 видов макулатурного сырья. Подобные же перечни имеются в США, Японии и других развитых странах.

Исходя из назначения и требований к продукции, некоторые виды картона изготавливаются целиком из макулатурной массы - либо ее содержание в изделиях высоко. Другие же изделия изготавливают только из высококачественного первичного волокна - целлюлозы либо ее смеси с древесной массой.

Иные виды сырья в изотовлении картона

Содержание волокнистых (целлюлозных) полуфабрикатов достигает в изготовлении бумаги и картона 88%. Остальные 12% приходятся на неволокнистые добавки. Это могут быть:

• минеральные пигменты для мелования;
• наполнители и вещества для проклейки в бумажной массе;
• добавки для придания прочности;
• вещества для поверхностной проклейки;
• химикаты, облегчающие процесс приготовления бумаги.

Все эти вещества служат улучшению внешнего вида материалов, их функциональных качеств, а так же повышают эффективность изготовления.

Мелование

Мелование - это нанесение на одну или обе стороны бумаги специальной меловальной суспензии (в один или несколько слоев). Особое покрытие придает бумаге или картону необходимые свойства - хорошую впитываемость печатной краски, белизну, непрозрачность, гладкость, лоск.

В состав меловальной суспензии входят:

• пигменты - в их качестве используются каолин, мел, диоксид титана и пр.;
• связующие для полимеров, обеспечивающие соединение частиц пигментов с поверхностью бумаги или между собой;
• технологические добавки - оптические отбеливатели, красители, сшивающие агенты.

Чтобы улучшить впитываемость печатной краски, усилить непрозрачность бумаги и ее гладкость, применяются также и специальные наполнители.

Вместе с минеральными пигментами, применяемыми для мелования, наполнители составляют до 9% сырья, используемого бумажной промышленностью.

Проклейка

Для придания бумаге определенной степени гидрофобности используется проклейка в бумажной массе. Благодаря ей изделие приобретает ограниченные впитывающие свойства по отношению к чернилам, воде и другим жидкостям.

Обычно проклейка производится канифольным клеем - он, как правило, получается путем растворения живицы сосны в щелочи.

Во время приготовления бумажной массы в нее добавляют канифольный клей и сульфат алюминия. В результате их взаимодействия образуется резинат алюминия, покрывающий поверхность волокон.

В последнее время используют не только канифоль, но и способные к реакции синтетические проклеивающие материалы (например, клеи алкилкетендимер - АКД или алкенаниляторный ангидрид - АСА).

Для того чтобы придать бумаге прочность в условиях повышенной влажности в бумажную массу вводят мочевино- и меламиноформальдегидные смолы. Это может быть нужным, к примеру, для транспортной тары или многослойных бумажных мешков, которые могут оказаться под дождем.

Также для улучшения свойств бумаги могут использоваться воск, акриловые смолы и фторуглероды.

Советуем прочитать:

Потребительская упаковка

Цветной гофрокартон

Где купить цветной гофрокартон

Гофрокоробки как POS материал

Какой упаковкой привлечь покупателя

Добавки

Что касается добавок, облегчающих технологический процесс, то тут применяются самые разные химические вещества.

К примеру, пеногасители и коагулянты улучшают обезвоживание при формовании листа.

Антисептики подавляют микробиологическую активность в изготовлении.

Также используются многообразные добавки, препятствующие оседанию смоляных загрязнений на бумагоделательной машине. Нарастая, а затем, отделяясь, они могут вызвать обрывы полотна и немалые проблемы при печати.

Таким образом, изготовление и дальнейшая обработка целлюлозы - сложный многоступенчатый процесс, требующий соблюдения всех технологических требований.

Звёзды на мебели

Производство целлюлозы

Целлюлоза в природе (за исключением хлопка, волоски се­мян которого содержат 97-98% целлюлозы) не встречается в чистом виде, хотя является главной составной частью расти­тельных клеток и вместе с сопровождающими ее веществами (ннкрустами) составляет твердый остов (каркас) растений. Целлюлоза относится к классу высокомолекулярных углеводов. Выделение целлюлозы связано с большими трудностями, так как она очень прочно соединена с некоторыми веществами, на­ходящимися в древесине. Поэтому в технической целлюлозе, получаемой на заводах, всегда присутствуют в небольшом ко­личестве и примеси.

Производство целлюлозы из древесины основано на ее вы­сокой стойкости к определенным химическим соединениям, ко­торые в то же время в известных условиях переводят в раствор менее стойкие вещества, сопровождающие целлюлозу: лигнин, гемицеллюлозы и пр.

В зависимости от применяемых соединений способы получе­ния целлюлозы можно разделить на три основные группы: кис­лотные, щелочные и комбинированные. В настоящее время раз­работаны следующие способы: сульфитный, сульфатный, суль­фатный с предварительным кислотным или водным гидролизом древесины, сульфитно-щелочной, хлорно-щелочной, азотно-щелочной, гидротропный и др. До последних лет в СССР большее распространение имел сульфитный способ, особенно при получении целлюлозы для химической переработки. Суть этого процесса состоит в обработке древесины раствором слабой сер­нистой кислоты H₂SO₃ в присутствии бисульфита кальция Ca(HSО₃)₂. Замена кальциевого основания (СаО) в варочной кислоте магниевым, натриевым и аммонийным основаниями позволяет улучшить выход, цвет и механические свойства цел­люлозы.

Основными стадиями технологического процесса любого производства целлюлозы являются: 1) подготовка древесины; 2) приготовление нарочных растворов; 3) варка древесины в ва­рочных котлах и 4) обработка полученной целлюлозы.

Хотя целлюлозу можно получать из любой породы дерева, до сих пор ее вырабатывают преимущественно из древесины малосмолистых пород - ели, пихты, бука,-которые можно пе­рерабатывать любым из применяющихся в промышленности способов варки. Смолистые породы (лиственницу, сосну) пере­рабатывают обычно щелочными методами.

Для производства целлюлозы употребляют щепу, получен­ную из древесных стволов, тщательно очищенных от коры и сучков. Щепа через циклон, сортировку и бункер поступает в котел, где варится с раствором бисульфита кальция, магния, натрия или аммония (сульфитный способ), содержащим избы­ток сернистой кислоты (раствор содержит 3-6% свободного S0₂ и около 2% S0₂, связанного в виде бисульфита). Варка идет в герметически закрытых металлических котлах (объемом 200 -320 кубометров и более), футерованных кислотоупорным материалом, при температуре 135 -150° С и давлении 5-7 атм. Крупную щепу после сортировки направляют на дополнитель­ное измельчение в дезинтегратор. На рис. 21 показана схема подготовки щепы и варки целлюлозы, а на рис. 22 -варочный котел.

Задача варки заключается в возможно полном извлече­нии из сырья целлюлозы в неповрежденном виде. Скорость варки и качество получаемой целлюлозы зависят от концентра­ции варочного раствора, давления, времени, температуры варки, степени провара целлюлозы и других факторов. Общее время варки составляет 6-12 часов.

Продолжительность варки, выход и качество получаемой целлюлозы, удельный расход пара и серы зависят от качества исходного сырья, скорости подъема температуры в котле, давле­ния и состава варочного раствора. Быстрое нагревание, высо­кая конечная температура, использование раствора с повышен­ным содержанием S0₂ могут значительно сократить время варки.

Для равномерного нагрева и лучшей пропитки щепы приме­няют принудительную циркуляцию кислоты в котле во время варки. С этой целью варочная кислота засасывается из котла кислотоупорным насосом, проходит через подогреватель и за­тем снова нагнетается в котел.

В ходе процесса варки производят несколько сдувок образо­вавшихся газов и паров. Сернистый ангидрид SО₂, не израсхо­дованный на варку, улавливают для укрепления варочной кис­лоты, а тепло, уносимое продуктами сдувок, используют для подогрева кислоты. Для этого сдувочные газы и пары из котла направляют на регенерацию SO₂ и тепла. Варка целлюлозы сложный процесс. И качество и выход продукта во многом зави­сят не только от принятой технологии и применяемой аппара­туры, но и от опыта и традиций обслуживающего персонала.

После окончания варки давление в котле снижают (сдувкой парогазовой смеси и выпуском образовавшегося раствора, на­зываемого щелоком) до 2-3 ати и содержимое котла удаляют по выдувному трубопроводу большого диаметра в сцежу. На некоторых заводах массу из котла в сцежу вымывают водой.

Сцежа - большой резервуар (объем ее в 1,5-2 раза боль­ше объема котла) из железобетона, облицованный деревянными брусьями, с ложным фильтрующим дном в виде решетки. В сцеже щелок отделяется от целлюлозы, и последняя тща­тельно промывается сначала слабым щелоком, а затем теплой водой. Потери волокна при этом не превышают 0,5%.

Промытую целлюлозу разбавляют водой до концентрации 1 -1,2% и перекачивают в очистный цех, где волокно, про­ходя через сучкоуловитель, песочницу и сортировку, освобож­дается от сучков, непроварившейся щепы и минеральных за­грязнений. Если варка целлюлозы идет в котлах периодического действия, то в очистном цехе вся аппаратура непрерывного действия.

Песочницы изготовляются из дерева или железобетона в виде длинных широких желобов (длина 25-30 м, ширина 1,5 л) с большим количеством поперечных перегородок, накло­ненных по ходу движения массы. Если волокно, разбавленное водой до концентрации 0,30-0,35%, движется спокойно, без завихрений, со скоростью 15-18 метров в минуту, то оно не оседает, а оседают более тяжелые минеральные примеси, за­держиваемые перегородками на дне песочницы.

Вместо песочниц применяют вихревые ловушки, в которых для очистки массы используется центробежная сила.

Действие сортировок основано на том, что гибкие целлюлоз­ные волокна, сильно разбавленные водой (до 0,3-0,4%), под воздействием гидравлического напора, вакуума или центробеж­ной силы проходят через небольшие круглые или щелевые от­верстия сит сортировки, а непроверенная щепа, пучки волокон и другие отходы задерживаются.

Для химической переработки и производства белой бумаги целлюлозу подвергают отбелке и облагораживанию.

Основная цель облагораживания - повысить химическую чистоту и однородность целлюлозы. Для этого из нее удаляют остатки лигнина, гемицеллюлоз, золы, смол и улучшают колло-иднохимические и физические свойства этого полуфабриката.

В качестве отбеливающих реагентов применяют: хлор или хлорную воду, растворы гипохлорита кальция Са (ОС1)₂ или натрия NaCIO, растворы хлоритов NaClOj и NaClOj • ЗНО, двуокиси хлора ClOj, перекиси водорода Н₂0₂ и натрия Ха₂0₂.

Облагораживание целлюлозы проводится растворами едкого натра при обычной или высокой температуре. В нервом случае используется 4-10%-ный раствор NaOH при 20°С в течение 30 минут, а во втором - 1 %-ный раствор NaOH в течение 3 часов при 100° С. При этом в раствор переходит большая часть оставшегося лигнина, золы, гемицеллюлоз, смолистых ве­ществ и продуктов распада целлюлозы, и тем самым повы­шается содержание основного полезного вещества, называе­мого альфа-целлюлозой, до 95-98%. Одновременно целлюлоза приобретает такие важные для ее химической переработки ка­чества, как повышенную реакционную способность, необходи­мую степень полимеризации и более равномерную вязкость.

На качество готовой целлюлозы оказывает влияние не только метод производства, но и порода дерева, его возраст, плотность и влажность древесины, наличие в ней гнили, сучков и других пороков.

Применение новой технологии получения целлюлозы, т. е. варки на растворимых (аммонийном и натриевом) и полурастворимых (магниевом) основаниях, позволяет на 10-15% уве­личить производительность завода, повысить выход волокни­стых полуфабрикатов и их прочность. Применение растворимых оснований позволяет вести варку в кислой, нейтральной и ще­лочной средах в несколько ступеней и из различного сырья по­лучать разнообразные марки целлюлоз.

Сульфитная целлюлоза, содержащая небольшое количество лигнина и гемнцеллюлоз, легко отбеливается и облагоражи­вается, широко применяется для химической переработки и в бумажном производстве для изготовления высококачествен­ных видов бумаги и картона. В то же время сульфитный спо­соб производства имеет и ряд недостатков, из которых следует отметить длительное время варки и необходимость кислото­упорной футеровки котлов и кислотостойких трубопроводов.

Сульфатный способ производства способствовал расшире­нию сырьевой базы промышленности, так как этим способом можно перерабатывать любую древесину, в том числе отходы лесопиления и деревообработки. Хорошо разработанная си­стема регенерации щелока с последующим возвращением его в производство позволила свести до минимума сброс загряз­ненных вод в водоемы, который сравнительно велик при произ­водстве сульфитной целлюлозы. Кроме того, сульфатная цел­люлоза может быть отбелена до высокой степени белизны при одновременном сохранении механической прочности. Бумага из сульфатной целлюлозы является одной из самых прочных.

В то же время сульфатная небеленая целлюлоза более тем­ная и для ее отбелки, которая проводится в несколько ступе­ней, требуется гораздо больше белящих химических соедине­ний, чем для отбелки сульфитной целлюлозы.

В последние годы главным образом в производстве сульфат­ной целлюлозы все шире применяется непрерывная варка сырья. Применяемые для этой цели варочные аппараты с не­прерывной загрузкой исходного сырья и выгрузкой готовой целлюлозы рассчитаны на выпуск 100-400 тонн целлюлозы в сутки. Варочные аппараты по продолжительности пребыва­ния в них сырья могут быть подразделены на две группы: аппа­раты, в которых сырье находится до 4 часов, и аппараты для скорой варки (до 1 часа). На рис. 25 представлен многотруб­ный аппарат системы Пандия, имеющий от двух до восьми труб длиной 6-10 метров и диаметром от 300 до 1200 миллиметров и расположенных друг под другом. Конец каждой трубы со­единен с началом другой. Внутри каждой трубы вращается шнек, перемещающий сырье к выходу из трубы и имеющий строго регулируемое число оборотов.

Варочный щелок и пар при варке древесной щепы подается при выходе щепы из питателя. Пар поступает в первую и иногда во вторую варочную трубу. Условия варки: давление до 12 ати температура 170-190° С. Масса из варочного аппа­рата выводится с помощью разгрузочного устройства в вы­дувной резервуар.

В зависимости от условий варки при сульфатном методе производства можно получить целлюлозу разного выхода (в процентах по отношению к исходной древесине):

Целлюлоза (клетчатка) — растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток.

Состав целлюлозы, так же как и крахмала, выражается формулой (C₆H₁₀O₅)_n .

Строение целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы – это длинные цепи, состоящие из большого числа остатков β–глюкозы, связанных β-1,4-гликозидными связями.

Молекулярная масса целлюлозы — от 400 000 до 2 млн.

Молекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна.

Нахождение в природе

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-60%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%), в вате и фильтрованной бумаге – до 90%. Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.

Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

Физические свойства целлюлозы

Целлюлоза – твердое волокнистое вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде и органических растворителях, но хорошо растворимое в аммиачном растворе гидрокисда меди (II) (реактив Швейцера). Из этого раствора кислоты осаждают целлюлозу в виде волокон (гидратцеллюлоза).

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью, так как она является основной составной частью стенок и клеток растений.

В отличие от крахмала она не может служить человеку пищей, поскольку не расщепляется в его организме под действием ферментов.

Химические свойства целлюлозы

1. Гидролиз целлюлозы

Подобно крахмалу, целлюлоза при нагревании с разбавленными кислотами подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы происходит при нагревании в кислой среде. Конечным продуктом гидролиза является глюкоза.

При длительном нагревании с минеральными кислотами или под действием ферментов (у жвачных животных) идет ступенчатый гидролиз целлюлозы:

Гидролиз целлюлозы, иначе называемый осахариванием, — очень важное свойство целлюлозы, он позволяет получить из древесных опилок и стружек глюкозу, а сбраживанием последней – этиловый спирт. Этиловый спирт, полученный из древесины, называется гидролизным.

2. Образование сложных эфиров (реакция этерификации)

Каждое структурное звено целлюлозы содержит три свободных гидроксила.

Следовательно, целлюлоза может вступать в реакции, характерные для многоатомных спиртов.

Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом.

а) Нитрование

При обычной температуре целлюлоза взаимодействует лишь с концентрированными кислотами.

При взаимодействии целлюлозы с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства образуется сложный эфир -тринитрат целлюлозы:

Полностью этерифицированная клетчатка – это тринитрат целлюлозы (пироксилин) – взрывчатое вещество, на его основе изготавливают бездымный порох.

В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

в) Взаимодействие с уксусным ангидридом

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза:

Из триацетата целлюлозы изготавливают лаки, кинопленку и ацетатное волокно.

3. Горение – полное окисление

4. Термическое разложение целлюлозы без доступа воздуха

Получение целлюлозы

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

• Кислые:
  • Сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
  • Натронный.Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.
  • Сульфатный.Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щелоком. Свое название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

  Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.

  Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

  • обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
  • обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

  
  

  Применение целлюлозы

  Целлюлоза используется в производстве бумаги и картона, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и многое другое.

  • Изготовление нитей, канатов, бумаги.
  • Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука).
  • Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.
  • Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).
  • Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.

  
  

  Производные целлюлозы

  К важнейшим производным целлюлозы относятся искусственные полимеры/

  Метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

  Ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

  Нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы

  
  

  Вискозное волокно. Целлофан

  Эти полимерные материалы состоят из практически чистой целлюлозы, но для их получения исходную целлюлозу путем химической модификации сначала превращают в растворимую форму, а затем в процессе формования восстанавливают.

  
  

  Ниже представлена схема гидролиза целлюлозы
  Гидролиз целлюлозы

  Получение бумаги

  
  

  Гидролиз крахмала

  Чистая целлюлоза

  Как Вы думаете,что входит в состав бумаги?! На сомом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы. Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами - OH – гидроксильная группа). Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу. Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.

  Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.

  Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза. Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.

  Получение целлюлозы

  Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками. Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO₄ (гидросульфид натрия) и SO₂ (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов). При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин - это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза, которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается этиловый спирт, ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.

  Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу. На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

  На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы. Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты. Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность. Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно. Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.

  Как вы думаете, почему со временем желтеет бумага!?

  Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С₆Н₁₀О₅, которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги. Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО₃)₂), который позволяет временно снизить кислотность.

  Есть и другой – более прогрессивный способ, связанный с применением вещества диэтилцинка Zn(C₂H₅)₂. Но это вещество может самовоспламеняться на воздуха и даже в близости от воды!

  Применение целлюлозы

  Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги, ещё пользуются очень полезным её свойством этерификации c различными неорганическими и органическими кислотами. В процессе таких реакций образуются сложные эфиры, которые и нашли применение в промышленности. При самой химической реакции связи, которыми связаны фрагменты молекулы целлюлоза, не разрываются, а получается новое химическое соединение с эфирной группой -COOR-. Одним из важных продуктов реакции является ацетат целлюлозы, который образуется при взаимодействии уксусной кислоты (или её производных, например уксусного альдегида) и целлюлозы. Это химическое соединение широко используется для изготовления синтетических волокон, например, ацетатного волокна.

  Ещё один полезный продукт - тринитрат целлюлозы. Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина). Существует ещё динитрат целлюлозы, который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и органических стекол.

  
  

  Перейти на английский
  Cellulose. Getting cellulose. Getting paper

  Читайте также:

    
  • Евразийская идея в современной россии кратко
    
  • Закон кетле в генетике кратко
    
  • Правоприменение понятие и стадии акты применения норм права кратко
    
  • Новые подходы к физическому воспитанию и оздоровлению консультация для педагогов в детском саду
    
  • Каковы социальные сдвиги в современных обществах кратко