DE4228171A1 - Holzaufschluß mit Essigsäure unter Zusatz von Ameisensäure - Google Patents
Holzaufschluß mit Essigsäure unter Zusatz von AmeisensäureInfo
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- Chemical And Physical Treatments For Wood And The Like (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zellstoffgewinnung
aus Lignocellulosen.
Bei den herkömmlichen Verfahren zur Zellstoffgewinnung,
dem Sulfit- und dem Sulfatverfahren, werden schwefelhaltige
Ablaugen erhalten, deren Verbrennung zu SO2-haltigen Abgasen
führt. Die hohen Restligningehalte der Zellstoffe von 4
bis 5% erfordern große Mengen an Bleichchemikalien, die
zu chlorierten organischen Verbindungen in den Abwässern
führen. Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Verfahren
besteht in der Mindestgröße der Anlage von 1000 tato Zell
stoff, die sich aus der Chemikalienrückgewinnung durch
Ablaugenverbrennung ergibt.
Der Holzaufschluß mit wäßriger Essigsäure unter Druck
bei 150 bis 205°C, ist bereits 1971 von De Haas und Lang
beschrieben worden (1), wobei Zellstoffe mit Restligningehal
ten von 2-3% (entsprechend Kappazahlen von 12-20)
erhalten werden. Nach Nimz und Casten (2) läßt sich Holz
bereits bei Normaldruck aufschließen, wenn der Essigsäure
katalytische Mengen Salzsäure zugegeben werden. Allerdings
erniedrigen sich die Restligningehalte der Zellstoffe dadurch
nicht, und Chloridionen wirken in Gegenwart von Essigsäure
stark korrodierend.
Es sind daher auch andere Mineralsäuren als Katalysatoren
beim Holzaufschluß mit Essigsäure untersucht worden, wie
Schwefelsäure (3), Phosphorsäure (4), Perchlorsäure (5),
MgCl2 (6) oder Salpetersäure (7), die jedoch durchweg Zell
stoffe mit höheren Restligningehalten ergeben und zu Proble
men bei der Rückgewinnung der Mineralsäuren führen.
Auch Ameisensäure ist wiederholt als Mittel für den Holzauf
schluß vorgeschlagen worden. So verwenden Silbergleit et
al. (8) ein Zweistufenverfahren, bei dem Hackschnitzel
mit Ameisen- oder Essigsäure in der ersten Stufe und Zugabe
von Wasserstoffperoxid in der zweiten Stufe, auf 70-100°C
erhitzt werden. Die hierfür erforderlichen Mengen an Wasser
stoffperoxid sind jedoch nach Poppius et al. (9, 10) sehr
hoch und stellen die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
in Frage.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt gegenüber den konven
tionellen Verfahren zur Zellstoffgewinnung den Vorteil,
daß es keine anorganischen Aufschlußchemikalien verwendet
und damit keine SO2-haltigen Abgase oder schwermetallhaltigen
Abwässer entstehen. Die Zellstoffe lassen sich mit Ozon
in Essigsäure (11) und/oder Wasserstoffperoxid bleichen,
wobei weder Chlor noch schwermetallhaltige Abwässer gebildet
werden. Ameisen- und Essigsäure werden durch Destillation
zurückgewonnen, so daß das Lignin und die Hemicellulosen
zwecks Chemikalienrückgewinnung nicht verbrannt zu werden
brauchen.
Von dem von De Haas und Lang (1) beschriebenen Verfahren
des Druckaufschlusses mit wäßriger Essigsäure unterscheidet
sich das erfindungsgemäße Verfahren durch den Zusatz von
Ameisensäure, wodurch Zellstoffe mit deutlich niedrigeren
Restligningehalten und verbesserten Eigenschaften erhalten
werden. Wie aus Tab. 1 hervorgeht, bewirkt der Zusatz von
10% Ameisensäure unter sonst gleichen Aufschlußbedingungen
bei Fichtenzellstoff eine Reduzierung der Kappazahl von
15,6 auf 3,6, entsprechend einem Ligningehalt von 2,5 auf
0,5%, während die Ausbeute nur geringfügig abfällt.
Ähnliches gilt für Pappel- und Micanthus-Zellstoff (Tab. 1).
Entsprechend steigen die Weißgrade der drei Zellstoffe
um 8-15%-Punkte an. Niedrigere Kappazahlen und höhere
Weißgrade bedeuten einen geringeren Einsatz der teuren
Bleichchemikalien, die für die Wirtschaftlichkeit des Verfah
rens von Bedeutung sind.
Wie aus Tab. 1 hervorgeht, nehmen auch die Festigkeitseigen
schaften der mit Ameisensäurezusatz erhaltenen Zellstoffe
deutlich zu. Dies gilt insbesondere für die Durchreißfestig
keit , die allgemein bei sauren Aufschlußverfahren niedri
ger liegt als bei alkalischen, wie z. B. dem Sulfatverfahren.
Da Sulfatzellstoffe heute allgemein für die Papierherstellung
als Standard angesehen werden, kommt der Erhöhung der Durch
reißfestigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beson
dere Bedeutung zu.
Der aus Tab. 1 ebenfalls ersichtliche Anstieg der R-10 Werte
im Zusammenhang mit den niedrigen Xylose- und Mannosegehalten
bedeutet niedrigere Hemicellulosegehalte der mit Ameisensäu
rezusatz erhaltenen Zellstoffe und damit ihre Eignung als
Ausgangsstoffe (Chemiezellstoffe) für die Herstellung von
Cellulosederivaten. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet
insbesondere Vorteile bei der Herstellung von Celluloseace
tat, weil bei ihm die Vorquellung des Zellstoffes in Essig
säure vor der Acetylierung sowie eine Essigsäure-Rückgewin
nungsstufe entfallen.
Die optimale Ameisensäurekonzentration hängt ab von der
Aufschlußtemperatur, der Aufschlußzeit, der Holzart und
dem Wassergehalt des Aufschlußmediums. Wie aus Tab. 2 hervor
geht, überwiegt bei 190°C mit 20%iger Ameisensäure bereits
nach 1 h die Ligninkondensation, weshalb in Tab. 1 ein
zweistündiger Aufschluß mit 10%iger Ameisensäure bei 180
bzw. 170° gewählt wurde.
Die Ameisensäure erhöht die Acidität des Aufschlußmediums
und damit den Ligninabbau, während die Ligninkondensationen
langsamer zunehmen. Gegenüber Mineralsäuren als Katalysatoren
erscheint die Selektivität der Ameisensäure beim Ligninabbau
erhöht. Außerdem erhöht die Ameisensäure die Löslichkeit
des Lignins im Aufschlußmedium.
Die chlorfreie Bleiche der nach dem erfindungsgemaßen Verfah
ren erhaltenen Zellstoffe ist gegenüber der von konventionellen
Zellstoffen grundlegend vereinfacht. Während man bei
der konventionellen Zellstoffbleiche heute üblicherweise
fünf Bleichstufen mit Sauerstoff, Peroxid, Ozon, Natronlauge
und eventuell Chlordioxid benötigt, sind für die Bleiche
des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei bis drei Bleichstufen
mit geringen Mengen Ozon in Essigsäure (11) und/oder Peres
sigsäure ausreichend.
Fichtenholzhackschnitzel (20×35×5-6 mm), mit einem
Feuchtigkeitsgehalt von 8%, wurden mit der 6fachen Ge
wichtsmenge 85%iger Essigsäure übergossen, die 10% Ameisen
säure enthielt, und in einem Drehautoklaven 2 Stunden auf
180°C erhitzt (Aufheizzeit 40 min). Danach wurde durch
Abdampfen eines Teiles der Kochlauge auf unter 100°C abge
kühlt, der Faserstoff auf einer Nutsche abgepreßt und mit
85%iger Essigsäure nachgewaschen. Der Filterkuchen wurde
mit einem Labormischer in einem großen Becherglas unter
85%iger Essigsäure aufgeschlagen und erneut abgenutscht.
Der erhaltene Zellstoff war splitterfrei und hatte die
in Tab. 1 angegebenen Eigenschaften.
Zum Vergleich wurden Fichtenhackschnitzel mit 85%iger Essig
säure, die keine Ameisensäure enthielt, unter sonst gleichen
Bedingungen aufgeschlossen und aufgearbeitet. Die Eigenschaf
ten des unter diesen Bedingungen erhaltenen Zellstoffes
sind ebenfalls in Tab. 1 angegeben.
Der unter Ameisensäurezusatz erhaltene Fichtenzellstoff
(Tab. 1) wurde auf einer Nutsche mit Eisessig gewaschen,
auf eine Konsistenz von 35% abgepreßt, in einer Kaffeemühle
30 sec aufgeflufft und anschließend in einem Rundkolben
am Rotationsverdampfer mit einem 3%igen Ozon-Sauerstoff-
Gemisch begast. Danach wurde der Zellstoff auf einer Nutsche
zuerst mit Wasser und danach mit einer 0,2%igen Peressig
säurelösung in Wasser gewaschen, auf 15%ige Konsistenz
abgepreßt, 1 h bei 80°C erhitztund abschließend auf der
Nutsche mit Wasser gewaschen.
Der gebleichte Fichtenzellstoff hat die in Tab. 3 angegebenen
Eigenschaften.
In einem zweiten Ansatz wurde Fichtenzellstoff bei 15%iger
Konsistenz nur mit Peressigsäure, zuerst in Essigsäure
mit 0,7% bei 80°C, 90 min, und danach in Wasser mit 1,3%
bei 80°C, 120 min, gebleicht. Die Ergebnisse finden sich
ebenfalls in Tab. 3.
Hackschnitzel (80×20×5 mm) einer sechsjährigen Pappel
(Populus nigra vom Klon "Rapp"), mit einem Feuchtegehalt
von 10%, wurden mit der sechsfachen Menge einer 85%igen
Essigsäure, die 10% Ameisensäure enthielt, übergossen
und zwei Stunden im Drehautoklaven auf 170°C erhitzt. Die
Aufarbeitung, Zerfaserung und Wäsche des Zellstoffes erfolgte
wie in Beispiel 1 für Fichtenzellstoff beschrieben. Die
Zellstoffeigenschaften sind in Tab. 1 wiedergegeben.
Die Bleiche des Zellstoffes erfolgte in zwei Stufen mit
Peressigsäure, zuerst mit 0,7% in 6,6 Teilen Eisessig
90 min bei 80°C, und danach mit 1,3% Peressigsäure in
6,6 Teilen Wasser 120 min bei 80°C. Die Eigenschaften des
gebleichten Zellstoffes sind in Tab. 3 wiedergegeben.
Auf eine Länge von 2,5 cm gehäckselte Stengel von Miscanthus
sinensis "Giganteus" mit einem Feuchtigkeitsgehalt von
18% wurden mit der zehnfachen Menge 85%iger Essigsäure,
die 10% Ameisensäure enthielt, übergossen und in einem
Drehautoklaven 2 h auf 170°C erhitzt (Aufheizzeit 40 min).
Aufarbeitung, Zerfaserung und Wäsche des Zellstoffes erfolgte
wie in Beispiel 1 für Fichtenzellstoff beschrieben. Der
Zellstoff war splitterfrei. Seine Eigenschaften ergeben
sich aus Tab. 1 und sind denen von unter gleichen Bedingun
gen, aber unter Ausschluß von Ameisensäure erhaltenen Zell
stoffen gegenübergestellt.
Die Bleiche des Zellstoffes erfolgte zweistufig mit Peressig
säure, wie für Pappelzellstoff unter Beispiel 2 beschrieben.
Die Eigenschaften des gebleichten Zellstoffes finden sich
in Tab. 3.
Fichtenhackschnitzel der unter Beispiel 1 angegebenen Art
wurden mit der sechsfachen Menge 85%iger Essigsäure übergos
sen, die in vier Ansätzen 5, 10, 15 oder 20% Ameisensäure
enthielt, und im Drehautoklaven je 1 h auf 190°C erhitzt.
Aufarbeitung, Zerfaserung und Wäsche der erhaltenen Zellstof
fe erfolgte in gleicher Weise wie bei Beispiel 1. Danach
waren die Zellstoffe splitterfrei. Ihre Restligningehalte,
Weißgrade und Ausbeuten ergeben sich aus Tab. 2.
Literatur
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(11) Acetocell GmbH & Co. KG (Erf. Nimz, H. H. und Berg, A.) US-P 50 74 960 (24. 12. 91): Lignin Removal Method Using Ozone and Acetic Acid, 34 Claims.
Claims (17)
1. Verfahren zur Gewinnung von Zellstoffen aus Lignocellulo
sen durch Erhitzen mit wäßriger Essigsäure unter Druck
unter Zugabe von Ameisensäure.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lignocellulose Holz oder eine Einjahrespflanze ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Aufschlußtemperatur
zwischen 130 und 190°C liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Essigsäure-Konzen
tration im Aufschlußmedium zwischen 50 und 95%, die
Ameisensäure-Konzentration unter 40% und die Wasserkon
zentration unter 50% liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Feuchtegehalt der Lignocellulose durch eine Vorbehand
lung bei erhöhter Temperatur oder durch Lösungsmittel
dämpfe reduziert werden kann.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gewichtsverhältnis
der Lignocellulose zur Aufschlußlösung 1 : 1 bis 1 : 12
beträgt.
7. Verfahren zur kontinuierlichen Extraktion von Lignin
und Hemicellulosen aus Lignocellulosen mit einem Essig
säure/Ameisensäure/Wasser-Gemisch unter Druck bei einer
Temperatur zwischen 130 und 190°C.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die zerkleinerte
Lignocellulose kontinuierlich in einen Druckkocher einge
tragen wird, in dem sie im Gegenstrom von der Aufschlußlö
sung extrahiert wird und den Kocher auf der anderen
Seite in extrahierter Form kontinuierlich verläßt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Essigsäure-Konzen
tration mindestens 50%, die Ameisensäure-Konzentration
höchstens 40% und die Wasserkonzentration höchstens
50% beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine kontinuierliche
Extraktion dadurch erreicht wird, daß 2-20 Aufschluß
gefäße hintereinandergeschaltet sind und die Aufschluß
lösung die Lignocellulose im Gegenstrom extrahiert.
11. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei denen die Zerfase
rung des Zellstoffes mit eingeschlossen ist.
12. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Waschprozeß
des Zellstoffes in die kontinuierliche Extraktion mit
eingeschlossen ist.
13. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei dem die Lignocel
lulose mit einem Lösungsmittel zur Entfernung der In
haltsstoffe vorextrahiert wird.
14. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei dem der Aufschluß
lösung Acetanhydrid zugegeben wird.
15. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei dem der Aufschluß
lösung ein Bleichmittel zugegeben wird.
16. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei dem die Lignocel
lulose vor der Eingabe in das Aufschlußgefäß mit Ameisen
säure, Essigsäure, Essigsäureanhydrid oder deren Dämpfen
imprägniert wird.
17. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 7, bei dem die Lignocel
lulose mit einem Lösungsmittel oder dessen Dämpfen
imprägniert wird, das mit Wasser ein Aceotrop bildet.
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JP23103793A JP3348387B2 (ja) | 1992-08-25 | 1993-08-24 | ギ酸を添加した酢酸によるパルプの製法 |
FI933729A FI110695B (fi) | 1992-08-25 | 1993-08-25 | Puun keitto etikkahapolla kuidutusta varten muurahaishappoa lisäämällä |
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ES (1) | ES2123600T3 (de) |
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