К вопросу о делигнификации древесины березы в системе гидроксид калия–гидразин–изобутиловый спирт–вода

УДК

DOI:

Аннотация

Для развития технологии щелочной варки древесины в целях получения целлюлозы предложено применять в качестве основного делигнифицирующего реагента гидроксид калия и использовать разработанную на его основе композиционную варочную систему: гидроксид калия—гидразин—изобутиловый спирт—вода. Цель исследования — установить влияние этой системы на процесс делигнификации древесины березы, а также выявить роль гидразина в этом процессе. Особенностью делигнификации древесины в исследуемой системе является предварительная пропитка щепы водным раствором, содержащим гидроксид калия и гидразин, отбор избытка пропиточного раствора и последующая варка с введением изобутилового спирта. Переменные факторы: концентрация гидроксида калия в пропиточном растворе (80 ... 200 г K₂O/дм³) и конечная температура варки (120...140 °C). В результате была получена целлюлоза с широким диапазоном выхода (46,6...55,2 %) при содержании лигнина 2,4...17,6 % от массы целлюлозы. По мере понижения конечной температуры от 140 до 130 °C при равной продолжительности варки делигнификация древесины березы до одинакового количества остающегося в целлюлозе лигнина происходит со значительным увеличением концентрации гидроксида калия в используемом для пропитки растворе. Начиная с температуры 125 °C, процесс делигнификации существенно замедляется, и получить целлюлозу с содержанием лигнина менее 5,6 % от массы древесины в пределах применяемых концентраций гидроксида калия в задаваемом на пропитку растворе не удалось. Установлено, что гидразин как восстановитель наибольшую активность проявляет во время разложения на газообразные продукты: N₂, H₂ и NH₃. Чем выше температура варки, тем больше расход гидразина на химические реакции и тем более глубоко происходит процесс делигнификации древесины березы при равных продолжительности варки и концентрации гидроксида калия в растворе, используемом на пропитку. Понижение конечной температуры варки до 125 °C (и особенно до 120 °C) резко замедляет процесс делигнификации, несмотря на увеличение концентрации гидроксида калия до 200 г K₂O/дм³, и усиливает деструкцию углеводов. Установлено, что конечная температура варки древесины березы в системе гидроксид калия—гидразин—изобутиловый спирт—вода лимитируется температурой разложения гидразина на газообразные продукты и может быть понижена до 130 °C без ущерба для выхода целлюлозы и скорости делигнификации.

Сведения об авторах

• © В.А. Удальцов, асп.
• Г.А. Пазухина, д-р техн. наук, проф.
  
  С.-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова,
  Институтский пер., д. 5, г. С.-Петербург, Россия, 194021;
  е-mail: vudalcv@rambler.ru; gal.pazukhina@yandex.ru

Ключевые слова

Литература

1. Богомолов Б. Д., Сапотницкий С. А., Соколов О. М. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков: учеб. для вузов. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 360 с.
2. Непенин Ю. Н., Выборнова Л. Н. Калиево-сульфатная целлюлоза // Журнал прикладной химии. 1959. Т. 32, вып. 6. С. 1332–1340.
3. Оболенская А. В., Ельницкая З. П., Леонович А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: учеб. пособие для вузов. М.: Экология, 1991. 320 с.
4. Пазухина Г. А., Давляшин К. С. Гидразин и возможности его применения при получении целлюлозы из древесины // Изв. СПбГЛТА. 2011. Вып. 195, № 2. С. 163–171.
5. Пазухина Г. А., Давляшин К. С. Комплексная переработка растительного сырья при получении целлюлозы с использованием соединений калия // Научно-технические решения актуальных проблем на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности: тезисы докл. междунар. научн-практ. семинара. Минск, БГТУ, 2008. С. 36–39.
6. Пат. 2513387 РФ, МПК D 21 C 1/00. Способ получения целлюлозного полуфабриката / Пазухина Г.А., Давляшин К.С. № 2012118830/12; заявл. 05.05.2012; опубл. 20.04.2014, Бюл. № 11.
7. Телышева Г.М., Панкова Р.Е. Удобрения на основе лигнина. Рига: Зинатне, 1978. 64 с.
8. Brintzinger H. Kaliumsulfatverfahren für Herstellung von Zellstoff // Kolloid —Zeitschrift. 1941. Bd. 95, H. 2. S. 212.
9. Huang G., Liang X., Chen Z., Li C. Environmentally friendly pulping process for rice straw to eliminate black liquor discharge // TAPPI Journal. June 2011. P. 39–44.
10. Huang G., Zhang C., Chen Z. Pulping of Wheat Straw with Caustic Potash-Ammonia Aqueous Solutions and Its Kinetics // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2006. Vol. 14, N 6. P. 729–733.
11. Huang G-L., Shi J. X., Langrish T. A. G. Environmentally friendly bagasse pulping with NH₄OH—KOH—AQ // Journal of Cleaner Production. 2008. Vol. 16, N 12. P. 1287–1293.
12. Lusby G.R., Maass O. The delignification of wood by strong alkaline solutions // Canadian Journal of Research. 1937. Vol. 15, sect. B, N 12. P. 536–544.

Ссылка на английскую версию:

UDC 676.164.8

Revisiting the Question of Birch Wood Delignification in the Potassium Hydroxide–Hydrazine–Isobutyl Alcohol–Water System

V.A. Udal'tsov, Postgraduate Student

G.A. Pazukhina, Doctor of Engineering, Professor

St. Petersburg State Forest Technical University, Institutskiy per., 5, St. Petersburg, 194021, Russia; е-mail: vudalcv@rambler.ru, е-mail: gal.pazukhina@yandex.ru

In this investigation, potassium hydroxide is used as the main delignification reagent and as a base for the creation of a composite cooking system that also consists of hydrazine, isobutyl alcohol and water. The ultimate purpose is to further develop the technology of alkaline pulping in order to produce cellulose. The aim of this research is to establish what effect this system has on the delignification of birch wood and also to discover what role hydrazine plays in the process. The special features of delignification in this system are the preliminary impregnation of the wood chips with an aqueous solution that contains potassium hydroxide and hydrazine, the collection of the excess solution used for impregnation, and the subsequent introduction of isobutyl alcohol in the cooking process. The variable factors in this investigation were the concentration of potassium hydroxide in the impregnating solution (from 80 g K₂O/dm³ to 200 g K₂O/dm³) and the final cooking temperature (from 120 °C to 140 °C). As a result of the experiments, cellulose was obtained with a wide range of pulp yields, from 46.6 % to 55.2 %, and a lignin content of from 2.4 % to 17.6 % by weight of pulp. When the final temperature was reduced from 140 °C to 130 °C (with no change in the cooking time), delignification of the birch wood down to the same content of residual lignin was accompanied by a significant increase in the concentration of potassium hydroxide in the impregnating solution. At a temperature of 125 °C or less, delignification slowed down substantially, so much so that, within the range of potassium hydroxide concentrations used in the impregnating solution, it was impossible to obtain cellulose with a lignin content of less than 5.6 % by weight of wood. It was discovered that, when it is used as a reducing agent, hydrazine exhibits the greatest activity during decomposition into the gaseous components N₂, H₂ and NH₃. The higher the cooking temperature, the greater the consumption of hydrazine in chemical reactions and the deeper the process of delignification in birch wood, given that the cooking time remains the same, as does the concentration of potassium hydroxide in the impregnating solution. When the final cooking temperature is reduced to 125 °C, the delignification process is sharply retarded (and even more so if it is reduced to 120 °C), even if the concentration of potassium hydroxide is increased up to 200 g K₂O/dm³, and the degradation of carbohydrates is intensified. In the end, it was established that the final cooking temperature of birch wood in a potassium hydroxide – hydrazine – isobutyl alcohol – water system is limited by the temperature at which hydrazine begins to decompose into the gaseous products, and this temperature can be reduced to 130 °C without any detriment to the pulp yield and the rate of delignification.

Keywords: delignification, wood, birch, potassium hydroxide, hydrazine, isobutyl alcohol, water.

REFERENCES

1. Bogomolov B.D., Sapotnitskiy S.A., Sokolov O.M. Pererabotka sul'fatnogo i sul'fitnogo shchelokov: uchebnik dlya vuzov [Recycling of Kraft and Sulphite Liquor]. Moscow, 1989. 360 p.

2. Nepenin Yu.N., Vybornova L.N. Kalievo-sul'fatnaya tsellyuloza [Potash and Kraft Pulp]. Zhurnal prikladnoy khimii [Russian J. of Applied Chemistry], 1959, vol. 32, no. 6, pp. 1332–1340.

3. Obolenskaya A.V., El’nitskaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratornye raboty po khimii drevesiny i tsellyulozy: ucheb. posobie dlya vuzov [Laboratory Researches on Wood and Pulp Chemistry]. Moskow, 1991. 320 p.

4. Pazukhina G.A., Davlyashin K.S. Gidrazin i vozmozhnosti ego primeneniya pri poluchenii tsellyulozy iz drevesiny [Hydrazine and Possibility of Its Application at Pulp Processing from Wood]. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii, 2011, vol. 195, no. 2, pp. 163–171.

5. Pazukhina G.A., Davlyashin K.S. Kompleksnaya pererabotka rastitel'nogo syr'ya pri poluchenii tsellyulozy s ispol'zovaniem soedineniy kaliya [Complex Plant Raw Material Processing in the Pulp Preparation Using the Potassium Compounds] // Nauchno-tekhnicheskie resheniya aktual'nykh problem na predpriyatiyakh tsellyulozno-bumazhnoy promyshlennosti: tez. dokl. mezhdunar. nauch.-prakt. seminara [Scientific and Technical Solutions of Topical Issues in the Pulp and Paper Industry: Abs. Intern. Sci. Practical Meet.]. Belarus, Minsk, 2008, pp. 36–39.

6. Pazukhina G.A., Davlyashin K.S. Sposob polucheniya tsellyuloznogo polufabrikata [Method of Cellulose First Stuff Process]. Patent RF, no. 2513387, 2014.

7. Telysheva G.M., Pankova R.E. Udobreniya na osnove lignina [Lignin-Based Fertilizers]. Riga, 1978. 64 p.

8. Brintzinger H. Kaliumsulfatverfahren für Herstellung von Zellstoff. Kolloid–Zeitschrift, 1941, vol. 95, iss. 2, p. 212.

9. Huang G., Liang X., Chen Z., Li C. Environmentally Friendly Pulping Process for Rice Straw to Eliminate Black Liquor Discharge. TAPPI Journal, June 2011, pp. 39–44.

10. Huang G., Zhang C., Chen Z. Pulping of Wheat Straw with Caustic Potash-Ammonia Aqueous Solutions and Its Kinetics. Chinese J. Chemical Engineering, 2006, vol. 14, no 6, pp. 729–733.

11. Huang G-L., Shi J.X., Langrish T.A. G. Environmentally Friendly Bagasse Pulping with NH₄OH–KOH–AQ. J. Cleaner Production, 2008, vol. 16, no 12, pp. 1287–1293.

12. Lusby G.R., Maass O. The Delignification of Wood by Strong Alkaline Solutions. Canadian J. Research, 1937, vol. 15, sect. B, no. 12, pp. 536–544.

Received on July 17, 2014