FI73013B - Foerfarande foer delignifiering av raomaterial innehaollande lignocellulosa. - Google Patents

Description

1 73013

MENETELMÄ LIGNOSELLULOOSAPITOISEN RAAKA-AINEEN DELJGNI-FIOIMISEKSI - FÖRFARANDE FÖR DELIGNIFIERING AV RAMATE-RIAL INNEHÄLLANDE LIGNOCELLULOSA

Keksinnön kohteena on menetelmä lignosellu-loosapitoisen raaka-aineen delignifioimiseksi, jolloin raaka-aine lämpökäsitellään tetrahydrofurfuryylialko-holiyhdistettä ja mahd.vettä.sisältävällä kemikaalilla. Ter-5 millä tetrahydrofurfuryyliyhdiste tarkoitetaan tässä yhteydessä tetrahydrofurfuryylialkoholia, sen johdannaisia tai näiden seoksia.

Nykyään yleisesti käytössä olevissa kemiallisissa delignifiointimenetelmissä, esim. sulfaatti-10 tai sulfiittiprosessi, kuituaines erotetaan puusta liuottaen ligniini epäorgaanisista keittokemikaaleista muodostuvalla keittoliuoksella. Prosessi suoritetaan suhteellisen korkeassa paineessa, suuruusluokkaa esim.

6-10 atm, ja suhteellisen korkeassa lämpötilassa, suu-15 ruusluokkaa esim. 160-180° C.

Näiden tunnettujen menetelmien epäkohtana mainittakoon epämiellyttävä haju sekä jäteaineiden muodostamat ympäristötekniset haitat. Lisäksi kemikaalien talteenotto- ja uudelleenkäyttö edellyttää jäteliemen 20 polttoa sekä monimutkaista regenerointiprosessia. Edelleen puun sellunkeiton yhteydessä puusta voidaan hyödyntää tuote muodossa vain noin puolet.

Viime aikoina on kasvavassa määrin kiinnitetty huomiota vaihtoehtoisiin delignifiointimenetel-25 miin, joiden avulla yllä mainittuja epäkohtia voitaisiin välttää. Erityisesti ns. organosolv-menetelmät ovat saavuttaneet erityistä mielenkiintoa. Näissä tavoitteena on ligniinin liuottaminen orgaaniseen liUot-timeen selluloosakuituja vahingoittamatta, jolloin 30 ligniini ja mahdolliset muut liuenneet komponentit ovat hyödynnettävissä liuottimen erottamisen ja regeneroin-nin jälkeen.

2 7301 3

Ligniiniluiottimia tunnetaan esim. julkaisusta Lignins, Occurrence, Formation, Structure and Reactions, Sarkanen, Ludwig, ,Willey Interscience, N.Y., 1971. Mainitusta julkaisusta tunnetut ligniiniliuotti-5 met eivät kuitenkaan täytä tekniseen prosessiin soveltuvalle liuottimelle asetettavia vaatimuksia.

Tekniseen prosessiin soveltuvalta liiiotti-melta vaaditaan, että ligniinin liuotus tapahtuu myös veden läsnäollessa, koska lignoselluloosapitoinen raa-10 ka-aine sisältää aina enemmän tai vähemmän kosteutta.

Liuottimen tulee näin ollen olla vesiliukoinen. Edelleen prosessin toteutuksen kannalta on tärkeää, että liuotin on ei-toksinen. Edelleen liuotin ei saa reagoida ligniinin tai muiden liuenneiden aineiden kanssa, 15 koska reagointi vaikeuttaa regenerointia tai tekee sen kokonaan mahdottomaksi.

Teknisissä kokeissa erilaisten alkoholien on todettu korkeissa lämpötiloissa liuottavan jonkin verran ligniiniä. Parhaiten näyttävät toimivan kevyet 20 alkoholit, metanoli ja etanoli, joiden haihtuvuus aiheuttaa kuitenkin vaikeuksia liuottimien talteenoton ja kierrätyksen tekniselle toteuttamiselle. Edelleen kaikki alkoholipohjaiset keitot edellyttävät suhteellisen korkeita lämpötiloja, 160-220°C, sekä happokatalyyt-25 tien käyttöä. Happokatalyyttien käyttö alentaa tuotetun kuitumaeriaalin laatua; saavutetut kappaluvut ovat korkeat ja saanto alhainen.

Julkaisusta Chem & Eng News, May 31,1982 tunnetaan fenolia ligniiniliuottimena käyttävä ja normaali-30 paineessa toteutettava prosessi. Tällä menetelmällä on pitkälti saavutettu organosolv-keitolle asetetut tavoitteet. Menetelmän suuressa mittakaavassa tapahtuvan toteutuksen kannalta fenolin toksisuus saattaa kuitenkin aiheuttaa vaikeuksia.

35 Edelleen neuvostoliittolaisesta patenttijul kaisusta 672 260 tunnetaan delignifiointiprosessi, jossa käytetään tetrahydrofurfuryylialkoholia ligniiniä 3 7301 3 liuottavana aineena. Tämä prosessi edellyttää keitto-lämpötilaa suuruusluokaltaan 150-160°C sekä happo-emäs katalysaattorin käyttöä. Edelleen menetelmä toteutetaan paineenalaisena tavanomaisen sellunkeittopro-5 sessin tavoin. Saadut koetulokset eivät ole tyydyttäviä saannon ja tuotteen ligniinipitoisuuden osalta.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt epäkohdat. Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uusi menetelmä lignosel-10 luloosapitoisen raaka-aineen delignifioimiseksi aiempaa kohtuullisemmissa olosuhteissa, so.alemmassa lämpötilassa ja alemmassa paineessa. Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin mainitun tyyppinen menetelmä, jolla tuotettavan massan saanto on aiempaa suu-15 rempi ja ligniinipitoisuus, so. kappaluku aiempaa alhaisempi .

Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen delignifiointimenetelmä, jolla ligno-selluloosapitoisen raaka-aineen sisältämä ligniini ja 20 mahdolliset muut liuenneet komponentit ovat edelleen hyödynnettävissä liuottimen erottamisen ja/tai rege-neroinnin jälkeen.

Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uusi delignifiointimenetelmä, joka soveltuu de-25 lignifiointiin veden läsnäollessa, esim. kostean ja märän puun delignifiointiin.

Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen delignifiointimenetelmä, joka ei aiheuta samassa määrin kuin aiemmin tunnetut prosessit 30 epämiellyttävää hajua ja muita ympäristöteknisiä haittoja.

Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin mainitun tyyppinen prosessi, jossa käytettävä liuotin on ei-toksinen eikä reagoi liuenneiden puu-35 ainesten kanssa.

Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta viitataan vaatimusosaan.

4 7301 3

Keksintö perustuu aiemmin delignifioinnin yhteydessä tunnetun tetrahydrofufuryylialkoholin uudenlaiseen käyttöön. Keksinnön mukaan on yllättäen havaittu, että parhaat keittotulokset tetrahydrofurfuryyli-5 alkoholia käytettäessä saadaan aiempaa huomattavasti alhaisemmissa lämpötiloissa ja paineessa. Itse asiassa tetrahydrofurfuryylialkoholin delignifiointivaikutus on tehokkaampi suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa, atmosfäärisessä paineessa tapahtuvissa olosuhteissa, 10 kuin korkeammissa lämpötiloissa, joissa hemiselluloo-san hydrolyysi aiheuttaa ei-toivottuja sivureaktioita, mitkä vaikeuttavat liuottimen talteenottoa sekä alentavat raaka-aineesta saatavaa tuotesaantoa.

Keksinnön mukainen menetelmä tekee mahdol-15 liseksi delignifioinnin suorituksen alhaisessa, jopa alle 100°C lämpötilassa, jolloin reaktion kulku voidaan hallita hyvin niin, ettei haitallisia sivureaktioita tapahdu.

Keksinnön mukainen pääasiassa normaalipainees-20 sa suoritettava delignifiointi tarjoaa huomattavia tek-nillis-taloudellisia etuja, joista tärkeimmät ovat pro-sessilaitteiston yksinkertaistaminen sekä raaka-aineesta myytävinä lopputuotteina saatava suurempi saanto. Menetelmä mahdollistaa lignoselluloosapitoisen mate-25 riaalin pääkomponenttien: selluloosan, hemiselluloosan ga ligniinin erottamisen toisistaan hyödyllisiksi lopputuotteiksi .

Menetelmä ei edellytä puuraaka-aineen kuivaamista tai muuta kallista esikäsittelyä monien muiden 30 organosolv-meneteImien tavoin.

Alhaisesta keittolämpötilasta johtuen prosessin energiankulutus on pieni.

Menetelmässä liuottimena käytetty tetrahydro-furfuryylialkoholi, sen johdannaiset ja/tai näiden seok-35 set voidaan käyttää uudelleen erotuksen ja/tai regene-roinnin jälkeen, ja ne ovat valmistettavissa keittoliu-okseen liuenneista pentosaaneista teknisten liuotinhä- 7301 3 5 viöiden korvaamiseksi.

Lisäksi keksinnön mukaisen menetelmän lisäetuna on käytetyn liuottimen vaarattomuus ympäristön kannalta verrattuna muissa organosolv-menetelmissä 5 käytettäviin yhdisteisiin, kuten esim. fenoliin.

Esimerkki 1 havainnollistaa menetelmän eräitä edullisia sovellutusmuotoja, ja esimerkki 2 kuvaa erästä tekniikan tason menetelmää.

Esimerkki 1 10 Noin 20 g eri lähteistä peräisin olevaa lig- noselluloosapitoista materiaalia sekoitettiin 200 g THFA:iin (tetrahydrofurfuryylialkoholiin) tai THFA:n vesiliuokseen. Liuokseen lisättiin katalyytti ja seosta pidettiin liuotuslämpötilassa 1-6 tunnin ajan. Kä-15 sittelyn jälkeen saatu massa hajotettiin ja pestiin. Saadusta massasta määriteltiin kappaluku, joka kuvaa massaan jääneen ligniinin määrää. Tulokset on esitetty taulukossa 1.

20 Koe lignosellu- Käsittely Mas- Massan no. loosapitoi- THFA katalyytti aika läm- san kappa- nen raaka- pit. aine pit. h pöt. saan- luku aine % % to % 1 koivu,sa- 50 HCl 2 4 100 40 40 25 hajauho 2 koivu, hake 80 HCl 1 4 104 49 3 3 koivu, hake 80 HCl 0,25 4 104 49 39 4 mänty, hake 80 HCl 1 4 104 45 29 5 kuusi, hake 80 HCl 1 4 104 4 5 1 5 30 6 koivu, hake 80 H2SC>4 1 4 104 50 38 7 koivu, sahaj. 80 HCl 0,5 4 104 4 2 1 9 8 koivu, hake 40 H2S04 5 4 98 40 40 9 kuusi, hake 80 HCl 1 6 50 50 39 10 koivu, hake 100 HCl 1 1 120 46 35 35 11 koivu, hake 80 CH3COOH 1 4 103 55 50 12 olki* 80 HCl 1 4 104 38 20 13 bagassi 80 HCl 1 4 104 35 16 7301 3 6

Esimerkki 2 50 g koivuhaketta, 240 g THFA:a, 34 g vettä ja 9 g väkevää suolahappoa kuumennettiin autoklaavissa lämpötilaan 160°C ja pidettiin tässä lämpötilassa 2 tunnin ajan. Paine autoklaavissa oli 6 baria. Jääh-5 dytyksen ja paineenalennuksen jälkeen autoklaavista poistettiin täysin hajonnut massa, jossa selluloosan kuiturakenne oli tuskin havaittavissa.

Tässä patenttiselityksessä ja -vaatimuksissa pitoisuudet on ilmoitettu painoprosentteina ko. ainei-10 den tai liuoksien kokonaismäärästä.

Keksintö ei rajoitu esitettyihin suoritusesimerk-keihin, vaan sitä voidaan vaihdella ja muunnella oheisten patenttivaatimuksien puitteissa. Tällöin on huomattava, että tetrahydrofurfuryylialkoholiyhdistettä ja 15 vettä sisältävän kemikaalin vesi voi olla peräisin delignifioitavasta raaka-aineesta, kuten kosteasta puusta, tai vettä voidaan haluttaessa lisätä tetrahydrofur-furyylialkoholiyhdisteen kanssa tai tämän lisäksi. Edelleen,kuten on kuvattu suoritusesimerkissä, delignifiointi 20 voidaan suorittaa myös tetrahydrofurfuryylialkoholiyhdis-teellä, joka ei sisällä vettä, ts. kemikaalin sisältämä vesi on peräisin delignifioitavasta raaka-aineesta.

25 30 35

Claims (7)

1. Menetelmä lignoselluloosapitoisen raaka-aineen delignifioimiseksi, jolloin raaka-aine lämpökäsitellään tetrahydrofurfuryylialkoholiyhdistettä ja vettä sisältävällä kemikaalilla, tunnettu siitä, että lämpökä- 5 sittely suoritetaan lämpötilassa 50 - 120°C.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että lämpökäsittely suoritetaan lämpötilassa 95 - 115°C, edullisesti noin 104°C.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel- 10 mä tunnettu siitä, että lämpökäsittely suoritetaan vettä 0-60 p-%, edullisesti noin 10 - 30 p-% sisältävällä kemikaalilla.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että käsittelyaika on 15 1-6, tuntia,edullisesti 2-3 tuntia.

5. Jonkin patenttivaatimuksita 1-3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että kemikaali sisältää 0>,2 - 5 p-%, edullisesti 0,5-2 p-% mineraali- tai orgaanista happoa katalyyttinä.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen me netelmä tunnettu siitä, että tetrahydrofurfuryyli— alkoholiyhdiste erotetaan saadusta liuoksesta delignifioin-nin jälkeen regenerointia ja/tai uudelleen käyttöä varten.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen me netelmä tunnettu siitä, että käsittely suoritetaan paineessa 1-2 atm, edullisesti 1 atm.