BRPI0810975B1

BRPI0810975B1 - método para a remoção da hemicelutose das fibras celutósicas usando uma solução de amônia e peróxido de hidrogênio

Info

Publication number: BRPI0810975B1
Application number: BRPI0810975A
Authority: BR
Inventors: Wade Chute; Keith Luo
Original assignee: Alberta Res Council
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2018-12-26
Also published as: JP2010528191A; CN101688361A; EP2158357A1; AU2008253520B2; JP5467041B2; CA2687581A1; US7892397B2; CN101688361B; US20080289783A1; EP2158357A4; WO2008141463A1; CA2687581C; EP2158357B1; AU2008253520A1

Abstract

método para a remoção da hemicelulose das fibras celulósicas usando uma solução de amônia e peróxido de hidrogênio método para aumentar a qualidade das fibras celulósicas usadas na formação de polpa dissolvida, onde o teor de hemicelulose de uma polpa é reduzido por meio do tratamento das fibras com um líquor que inclui peróxido de hidrogênio e amônia.

Description

MÉTODO PARA A REMOÇÃO DA HEMICELULOSE DAS FIBRAS

CELULÓSICAS USANDO UMA SOLUÇÃO DE AMÔNIA E PERÓXIDO DE HIDROGÊNIO

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um método para degomar ou delignificar fibras lignocelulósicas e, em particular um método para a produção de fibras de polpa de dissolução.

Histórico

A polpa é um termo genérico para uma ampla faixa de produtos tecnicamente diferentes resultantes de complexos processos de fabricação que envolvem o tratamento químico e/ou mecânico de vários tipos de materiais vegetais. A Madeira fornece atualmente uma base de aproximadamente 90% da produção global de polpa; o remanescente 10% inicia como palha, bambu, bagaço, kenaf, linhaça, cânhamo, algodão e similares. A polpa é usada de forma predominante como principal componente na fabricação de papel e papelão. Menores guantidades de polpa encontram caminho em uma diversidade de produtos - rayon, filmes fotográficos, celofane e explosivos.

O mais alto grau de polpa é a polpa de classe química ou a polpa de classe para dissolução. A polpa para dissolução é usada na fabricação de produtos com valor agregado como:

• fibras de viscose (rayon) ou filme, feitas a partir de polpa para dissolução em dissulfeto de carbono alcalino (xantação), formando assim o sal xantato como produto intermediário, e forçando a solução pelos orifícios até um banho ácido.

• derivados de celulose como o acetato de celulose, etil celulose, nitrato de celulose (nitrocelulose, algodão-pólvora), e carboximetilcelulose (CMC).

A fabricação da polpa para dissolução normalmente usa kraft ou polpação sulfito de madeira (tanto coníferas como folhosas), ou polpação com soda de linters (fibrilhas) de algodão. Ao fazer a polpa da madeira de polpa para dissolução, a produção branqueada é de somente 32-36%, de maneira a ser obtida uma polpa mais pura. 0 teor de celulose é normalmente de 88-93% (para viscose classe commodity), mas pode 10 ser de até 98% para usos finais mais exigentes (ex.:

encordoamento de pneus). Os teores de extrativos, lignina, ferro ^r e cinzas são também baixos. A viscosidade (isto é: DP) é outra importante propriedade, com o nível real dependendo do uso final da polpa. Para a viscose classe commodity, a viscosidade pode ser 15 cerca de 350 a cerca de 550 ml/g. A polpa de alta classificação para dissolução pode ultrapassar 600 ml/g.

Para criar a polpa para dissolução, a polpação kraft convencional é modificada para incluir um estágio de préhidrólise, antes do cozimento principal, quando a hemicelulose é 2(5 hidrolisada e removida. É usado neste estágio de pré-hidrólise ácido diluído ou um álcali ou somente vapor direto. Este estágio adicional aproximadamente dobra o tempo total de cocção em relação à cocção kraft normal. Um estágio de extração de álcali frio na sequência de branqueamento ainda remove os componentes 25 não celulósicos.

É feita a polpação de sulfite ácido em alta temperatura e baixo pH para que seja obtida a desejada degradação da hemicelulose. O branqueamento inclui um estágio de extração de álcali quente para remover ainda mais os componentes não que celulósicos.

Alguns estudos indicaram a polpa para dissolução pode ser obtida tanto a partir de polpa comercial branqueada de kraft de madeira folhosa ou polpa de madeira de alta qualidade rica em fibra de madeira folhosa. A sequência incluiu dois estágios de extração de álcali frio com tratamento de xilanase no intermédio. [Jackson, L.S. et al. Production of dissolving pulp from recovered paper using enzymes. TAPPI

Journal, March 1998].

Esses métodos da técnica anterior de produção de polpa para dissolução consomem grandes quantidades de produtos químicos e energia, e exigem complexos processos de reciclagem de líquor negro. É necessária uma etapa de branqueamento em separado após a degomação alcalina.

Portanto, existe a necessidade na técnica de

2Ô métodos para a de polpa para anterior.

de degomação tratamento das entre cerca de produção de dissolução polpa degomada adequada para que mitiga as desvantagens

Sumário da Invenção

Em um fibras fibras

5% cerca de 0,5% a 3% temperatura entre consistência cerca (v/p) . O líquor de a produção da técnica aspecto, a invenção compreende celulósicas compreendendo a um método etapa de com um líquor de degomação compreendendo a cerca de (na fibra cerca de de 3:1 a degomação

30% (v:v) de amônia aquosa e entre

OD) de peróxido de hidrogênio, a uma

50° cerca pode a cerca de 200° de 20:1 de líquor ainda compreender

C, para

0% a com uma sólidos fibra OD) de hidróxido de potássio e 0% a 0,2% (na fibra OD) de antraquinona.

Em uma configuração, as fibras celulósicas podem compreender madeiras folhosas, coníferas e plantas de fibra de 5 ráfia, por exemplo, cânhamo, linhaça, kenaf, linhaça, juta, rami e outras plantas dicotiledôneas dotadas de entrecasca fibrosa, como cereais, gramas perenes ou legumes.

Em uma configuração, o líquor de degomação é recuperado após a degomação, sendo uma porção aquosa reciclada 10 para fornecer amônia, sendo recuperada uma porção sólida em um fluxo de recuperação de rejeitos. Em uma configuração, a porção ^r sólida é recuperada e tratada para formar um fertilizante.

As fibras degomadas podem ser branqueadas para a formação de polpa para dissolução.

Em outro aspecto, a invenção compreende um método para a formação de polpa para dissolução a partir de plantas de fibra de ráfia, compreendendo as etapas de:

(a) polpação da fibra vegetal com um líquor de degomação compreendendo amônia e peróxido de hidrogênio;

2^Γ0 (b) recuperação e reciclagem de uma porção aquosa da etapa (a) ;

(c) recuperação das fibras polpadas e branqueamento para a produção de polpa para dissolução. As fibras vegetais de fibra de ráfia podem compreender fibras de cânhamo, 25 linhaça, kenaf, linho, juta ou rami.

Breve Descrição das Configurações Preferidas

Nos desenhos, elementos iguais recebem numerais de referência iguais. Os desenhos não estão necessariamente em escala, com ênfase por sua vez nos princípios da presente invenção. Além disso, cada uma das configurações mostradas é somente uma entre s vários possíveis arranjos que usam os conceitos fundamentais da presente invenção. Os desenhos são 5 brevemente descritos como a seguir:

A Fig. 1 é uma vista esquemática de uma configuração da presente invenção.

Descrição Detalhada das Configurações Preferidas

A presente invenção se refere a métodos de 10 degomação, fibras celulósicas e, em particular, em um método para a produção de polpa para dissolução de alta qualidade. Ao descrever a presente invenção, todos os termos não definidos na presente têm seus significados comuns reconhecidos na técnica. Ao que concerne, a descrição a seguir é de uma configuração específica ou um uso particular da invenção, sendo somente ilustrativo, não limitando a invenção reivindicada. A seguinte descrição deve cobrir todas as alternativas, modificações e equivalentes que estão incluídos no espírito e no escopo da invenção, como definida nas reivindicações anexas.

í

Em geral, a presente invenção compreende um método de degomação fibras celulósicas usando amônia. As fibras degomadas podem então ser conhecidos na técnica, branqueamento elementar sem 25 elementar sem cloro (TCF).

branqueamento ECF e TCF, as tecnologias.

branqueadas usando processos bem como branqueamento com cloro, cloro (ECF) branqueamento total dados os benefícios ambientais do configurações preferidas usam essas

Em uma configuração, o método de degomação é usado para fibras celulósicas como as folhosas, coníferas e plantas de fibra de ráfia, por exemplo, cânhamo, linhaça, kenaf, linhaça, juta, rami e outras plantas dicotiledôneas dotadas de entrecasca fibrosa, como cereais, gramas perenes ou legumes. Em uma configuração, as fibras celulósicas compreendem fibras de cânhamo ou de linho.

Os métodos para a separação da fibra de ráfia dos talos das plantas são bem conhecidos na técnica, não precisando ser descritos na presente. Um método exemplar para a decorticação 10 das plantas de fibra de ráfia é descrito no Pedido de patente Norte-Americana Copendente do Requerente, depositado em 23 de maio de 2008 e denominado Processo de Decorticação.

		Na presente invenção,	os inventores acharam,	com
surpresa,	que	condições mais suaves	que as achadas na técnica
15 anterior	podem ainda resultar em	uma polpa com classe	de
dissolução	de	alta qualidade.
		Em uma configuração	, as fibras separadas	de

ráfia são misturadas em um reator (10) com amônia sob elevada temperatura. Em uma configuração, o hidróxido de amônio é usado em concentração cerca de 5% a 30% em volume, e uma temperatura que se situa entre cerca de 50° C a cerca de 200° C. De preferência, a temperatura se situa entre cerca de90° a cerca de 150°, por exemplo, 90° C, 100° C, 120° C ou 150° C. Em uma configuração, uma quantidade de um agente branqueador isento de cloro, como o peróxido de hidrogênio, é usado para branquear simultaneamente as fibras. Este processo de degomação amônia-peróxido pode ocorrer por cerca de 1 hora a 6 horas com uma consistência cerca de 3:1 a cerca de 20:1 de razão líquor para sólidos (v:p). Os técnicos no assunto podem determinar condições adequadas de variação desses parâmetros sem experimentação indevida. Como é bem sabido, o aumento da severidade de um parâmetro pode permitir uma redução nos demais. Por exemplo, o uso de maiores temperaturas ou de 5 maiores concentrações de amônia pode permitir um reduzido tempo de cocção. De forma alternativa, menores concentrações de amônia podem exigir maiores temperaturas ou de tempo de cocção para que sejam obtidos resultados similares.

Ά quantidade de peróxido de hidrogênio é menor que 3%, de preferência menor que cerca de 2%, e de preferência

Em de potássio (KOH), fibra com peso seco em estufa uma configuração, um álcali o carbonato de potássio ou como o hidróxido o hidróxido de magnésio pode ser adicionado ao líquor de degomação em uma concentração de

0% a cerca de 10%

OD) .

O líquor de degomação pode ainda compreender de

0% a 0.2% (na fibra OD) de antraquinona.

Tanto o álcali como antraquinona auxiliam na de lignificação das fibras celulósicas e podem, portanto ser '20 preferíveis para o processamento de um material mais lignificado, como as fibras de madeira e a palha de cereal.

Após a polpação e a degomação no reator, em uma configuração, os líquidos são recuperados e enviados a um evaporador (20), onde a amônia é recuperada para um tanque de reciclagem de amônia (30) que é usado como fonte de amônia para o reator (10) . É provida uma fonte de amônia recuperada (40) . Os sólidos que permanecem do evaporador (20) compreendem lignina e hemicelulose, com traços de amônia, e são removidos para o tanque de recuperação de sólidos (50), podendo ser processados em fertilizantes em um fluxo de recuperação de rejeitos (60).

As fibras polpadas e degomadas são então lavadas com água em um tanque de lavagem (70) , em uma configuração resultante em um pH neutro, com as fibras resultantes sendo então enviadas para branqueamento (80). A água de lavagem conterá amônia e peróxido, podendo ser então reciclada para o tanque de reciclagem de amônia (30).

Em uma configuração, em um método para a produção de polpa para dissolução, as fibras degomadas são então branqueadas em um processo de branqueamento TCF ou em um processo de branqueamento ECF. Por exemplo, as fibras podem ser branqueadas em um processo ECF de três ou quatro estágios, seguido por uma extração alcalina a frio.

As condições exemplares de uma configuração são mostradas na Tabela 1:

Tabela 1

Estágio de	Cons .	Temp.	Tempo de	pH	C1O₂	NaOH	H₂O₂
Branqueamento	polpa	°C	Retenção	Alvo	% na	% na	% na
			min.		fibra	fibra	fibra
					OD	OD	OD
D_o	10 a	70-80	40-90	2,5	1-7
E_P	15	70-80	60-120	11	0,5-2	0,5-1	0,5-1
Di	10 a	70-80	90-150	4	0,5-2
d₂	15	70-80	90-150	4
E*	10 a	0-40	30-90
	15
	10 a
	15
	3 a 15

* A concentração de NaOH no estágio de extração alcalina a frio foi 10% p/p.

D se refere ao uso de dióxido de cloro.

E_P se refere a uma extração alcalina com peróxido de hidrogênio.

E se refere a uma extração alcalina.

Em uma configuração, é preferido um processo ECF, por se acreditar que o dióxido de cloro dissolve fibras não ráfia na matéria-prima de fibra de ráfia.

A resultante polpa para dissolução é de alta qualidade. É obtida uma polpa para dissolução de uma planta de fibra de ráfia como o cânhamo pode dar uma produção maior que 55%, com brilho maior que cerca de 92 % ISO, com teor de alfacelulose maior que 98% e viscosidade superior a 650 ml/g com os métodos da presente invenção.

EXEMPLOS

Nos exemplos abaixo, polpação AP se refere à polpação com peróxido de amônia, a abreviação L:S se refere à razão líquidos para sólidos, a abreviação AQ se refere ao teor de antraquinona e a abreviação OD se refere ao peso seco em estufa - oven-dry.

EXEMPLO 1

A polpação AP de fibra liberiana de cânhamo em temperatura de cocção de 150 °C.

Tabela 1-1. Condições de polpação AP.

nh₄oh Concentração na solução de cocção % p/p	Temperatura de cocção °C	Tempo para a temperatura de cocção min	Tempo na temperatura de cocção min	L: S v/p	H₂O₂% na fibra OD	KOH % na fibra OD	AQ % na fibra OD
20	150	40	60	10:1	1	5	0,2

Tabela 1-2. Condições de Branqueamento ECF.

Estágio de	Cons. Temp.	Tempo de	pH	C1O₂	NaOH	H₂O₂
Branqueamento	polpa °c	Retenção	Alvo	% na	% na	% na
		min.		fibra	fibra	fibra

	OD	OD	OD
Do	10	70	60	2,5	5
E_P	10	80	90	11		0,8	0,5
Di	10	80	120	4	1
d₂	10	80	120	4	1
E*	3	25	60

Tabela 1-3. Propriedades da polpa para dissolução da fibra liberiana de cânhamo.

Brilho % ISO	Viscosidade ml/g	Extratos acetona O o	R18 O. o	R10 %	Alfacelulose O. o	Cinzas o δ	Prod. Polpa O. Ό
92,08	658,51	0,06	99,11	98,25	98,67	0,05	55,52

EXEMPLO 2

Polpação AP da fibra liberiana de cânhamo em temperatura de cocçâo de 90 °C.

Tabela 2-1. Condições de Polpação AP.

nh₄oh		Tempo para	Tempo na
Concentração	Temperatu-	a tempera-	tempera-	L:S	H₂O2	KOH	AQ
na solução	ra de	tura de	tura de	v/p	% na	% na	% na
de cocçâo	cocçâo	cocçâo	cocçâo		fibra	fibra	fibra
% p/p	°c	min	min		OD	OD	OD
20	90	40	120	10:1	1	5	0,2

Tabela 2-2. Condições de Branqueamento ECF

Estágio de	Cons .	Temp.	Tempo de	pH	C1O₂	NaOH	H₂O₂
Branqueamento	polpa	°C	Retenção	Alvo	% na	% na	% na
			min.		fibra	fibra	fibra
					OD	OD	OD
Do	10	70	60	2,5	5
E_P	10	80	90	11		0,8	0,5
Di	10	80	120	4	2
E*	3	25	60

Tabela 2-3. Propriedades da polpa para dissolução da fibra liberiana de cânhamo.

Brilho % ISO	Viscosidade ml/g	Extratos acetona O. o	RI 8 o. o	R10 o. o	Alfacelulose %	Cinzas o. o	Prod. Polpa g, o
92,80	785,94	0,02	98,56	98,10	98,54	0,06	56,55

São referenciadas várias publicações ou patentes no presente pedido para descrever mais completamente o estado da arte em que se encontra esta invenção. Onde permitido, a revelação de cada uma dessas publicações está incorporada por referência na 5 presente especificação, como apresentado nesta patente em sua totalidade.

A palavra compreendendo é usada na presente em sentido não limitador, e deverá significar incluindo, sem limitações ou exclusão de outras alternativas.

Claims

REIVINDICAÇÕES :

1. Um método de produção de polpa dissolvente a partir de fibras de celulose, caracterizado por compreender as etapas de: (a) tratamento das fibras com um liquor de degomagem compreendendo entre 5% a 30% (v:v) de amônia aquosa e entre 0,5% a 3% (em fibra OD) de peróxido de hidrogênio, a uma temperatura entre 50° a 200°C, em uma consistência de 3:1 a 20:1 de liquor para sólidos (v/p); e (b) alvejamento das fibras degomadas para formação de polpa dissolvente.
2. O método de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo liquor de degomagem compreender, ainda, hidróxido de potássio.
3. O método de acordo com a reivindicação

1 ou 2, caracterizado pelo liquor de degomagem compreender, ainda, antraquinona.
4. O método de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo liquor de degomagem ser recuperado após a degomagem e tratado para separação em fluxo de amônia para reutilização no processo e uma fração sólida.
5. O método de acordo com a reivindicação

4, caracterizado pela porção sólida ser recuperada e tratada para formar um fertilizante.
6. O método de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelas fibras de celulose compreenderem fibras de planta de fibra de floema.

7. O método de acordo com a reivindicação

6, caracterizado pela planta de fibra de floema ser uma

Petição 870180134567, de 26/09/2018, pág. 10/19

2/2 dentre cânhamo, linho, kenaf, linhaça, juta ou rami.

8. 0 método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela planta de fibra de floema ser o cânhamo. 9. 0 método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela planta de fibra de floema ser o linho. 10 . 0 método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela planta de fibra de floema ser o kenaf. 11 . 0 método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas fibras de celulose compreenderem

fibra de madeira, fibra de palha de cereal, fibra de gramínea, ou fibra de leguminosas.

12. 0 método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela etapa de alvejamento compreender uma etapa de alvejamento tipo ECF (sem cloro elementar) ou TCF (totalmente livre de cloro).
13. 0 método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender, ainda, a etapa de recuperação e reciclagem de uma porção aquosa da etapa (a).