FI80731B - Foerfarande foer styrning av alkalisk cellulosakok. - Google Patents

Description

! 80731

MENETELMÄ ALKALISEN SELLUSOOSAKEITON OHJAAMISEKSI-FÖRFARANDE FÖR STYRNING AV ALKALISK CELLULOSAKOK

Keksintö koskee menetelmää selluloosapitoisen materiaalin, kuten puun alkaalisen keittoprosessin, 5 erityisesti sulfaatti- ja soodakeiton ohjaamiseksi.

Aikalisissä keittoprosesseissa poistetaan selluloosakuituja toisiinsa sitovaa raaka-ainepuun sisältämää ligniiniä vahvasti aikalisissä olosuhteissa, jolloin samalla tapahtuu puun polymeerisen hiilihyd-10 raattiaineksen, selluloosan ja hemiselluloosien, osit taista pilkkoutumista alifaattisiksi karboksyylihapoiksi (Sjöström, E., Wood Chemistry; Fundamentals and Applications, Academic Press, New York, 1981). Jäteliemeen liuennut orgaaninen aines koostuu näin paitsi ligniinin 15 hajoamistuotteista myös mainituista hiilihydraattien purkutuotteista sekä vähäisessä määrin puun uuteaineis-ta.

Jäteliemen sisältämä alifaattinen karboksyyli-happojae koostuu puolestaan haihtuvien happojen (etikka-20 ja muurahaishappo) ohella sekä hydroksimonokarboksyyli että hydroksidikarboksyylihapoista (Alen, R., Niemelä, K. & Sjöström, E., J. Chromatogr. 301(1984)273 ; Niemelä, K. & Sjöström, E., Holzforschung 40^, 1986, 361). Vaikka lehtipuukeitossa syntyvien happojen kokonaismäärä on 25 korkeamman keittosaannon ansiosta hieman alempi kuin havupuukeitossä, aiheuttavat raaka-aineiden erilaiset hiilihydraattikoostumukset olennaisia eroja myös vastaaviin happokoostumuksiin. Lisäksi on havaittu eroavuuksia happojen muodostumisnopeuksissa, minkä johdosta 30 jäteliemen happokoostumus muuttuu delignifioitumisen edetessä. Sekä havu- että lehtipuiden hemisellusoosien (glukomannaanit ja ksylaanit) sisältämät asetyyliryhmät lohkeavat helposti alkalin vaikutuksesta keiton alkuvaiheessa johtaen etikkahapon muodostumiseen (Olm, L. & 35 Tistad, G., Svensk Papperstidn. 82, 1979, 458). Myöhem min etikkahappoa muodostuu hitaammin ja sitä syntyy lähinnä hiilihydraattiketjuissa tapahtuvien pilkkoutu- 2 80731 misreaktioiden seurauksena. Lehtipuiden korkean asetyy-liryhmäpitoisuuden takia sisältää vastaava mustalipeä huomattavasti enemmän etikkahappoa kuin havupuumustalipeä. Muurahaishappoa muodostuu sen sijaan mm. pilkkou-5 tumisreaktioiden yhteydessä lohjenneen hiilihydraat- tipääteyksikön yhtenä reaktiotuotteena, ja sen väkevyys mustalipeässä kasvaa keiton edetessä etikkahappokon-sentraatiota säännöllisemmin. Muurahaishapon määrään mustalipeässä ei sen sijaan vaikuta suuressa määrin 10 keittoon annosteltu puuraaka-aine.

Myönnetyn suomalaisen patentin (no. 71584) mukaan voidaan alkalisten keittojen ohjaus toteuttaa yllättävän tarkasti analysoimalla kromatografisesti keittoliemen sisältämien hydroksimonokarboksyylihappojen 15 suhteellinen koostumus. Lisäksi myöhemmin on havaittu (FI 875248), että vastaavien purkutuotekoostumusten perusteella on mahdollista määrittää keittoon annostellun havu- ja lehtipuuhakkeen koostumus. Keksinnön tar-/ koituksena on tuoda esiin uusi menetelmä alkalisen / 20 selluloosakeiton ohjaamiseksi aiempaa helpommin ja yksinkertaisemmin sekä tarkemmin ao. keittoastetta . ' vastaten.

t ' Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta viitataan patenttivaatimukseen 1. Keksinnössä on tehty 25 uusi ja yllättävä havainto, nimittäin se, että aikalisiä selluloosakeittoja voidaan ohjata menestyksellisesti keitossa tietyn ajanjakson kuluessa syntyvän haihtuvia happoja (etikka- ja muurahaishappo) sisältävän fraktion avulla. Ohjaus perustuu siihen, että etikka- ja muura-30 haishapon pitoisuuksista muodostetun suhteen muuttumista tarkkaillaan delignifioitumisen edetessä. Tällöin pystytään ennakoimaan kulloinkin sovellutettavissa keitto-olosuhteissa haluttuun delignifioitumisasteeseen kuluva aika. Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät . 35 oheisista patenttivaatimuksista.

Keksinnön mukaista menetelmää kehitettäessä osoittautui, että keiton aikana muodostuvien etikka- ja 3 80731 muurahaishapon keskinäisten pitoisuussuhteiden ja keiton kokonaissaannon (tai vaihtoehtoisesti raaka-aineeseen jääneen ligniinimäärän) välillä on löydettävissä keiton delignifioitumisasteesta riippuva tietty lineaarinen 5 yhteys. Kyseiseen aritmeettiseen riippuvuuteen vaikuttaa myös vähäisessä määrin satunnaiset vaihtelut keitto-olosuhteissa, kuten kokonaisalkaliannostuksessa tai sulfiditeetissa. Mikäli näytteitä otetaan keiton kuluessa määrätyin väliajoin, kyseisen happosuhteen avulla 10 voidaan määritää se ajanjakso, joka kuluu halutun keit-toasteen saavuttamiseksi.

Oleellista keksinnössä on myös se, että mus-talipeän sisältämät etikka- ja muurahaishappo voidaan halutessa analysoida kromatografisin menetelmin ilman 15 edeltävää ja happojen haihtuvuutta lisäävää johdannaisten valmistamista. Tältä osin saavutetaan merkittävä etu aikaisempaan huonosti haihtuvien hydroksimonokarbok-syylihappojen tarkkailuun pohjautuvaan menetelmään (suom. patentti no. 71584). Lisäksi kyseiseen menetel-20 mään verrattuna saavutetaan oleellinen etu sillä, että tässä menetelmässä analysoitavia happokomponentteja on vain kaksi hydroksihappojen useaan kymmeneen verrattuna. Edellisten seikkojen vuoksi on itsestään selvää, että tietokonetekniikan avulla saatavan ohjausinformaation 25 edellyttämä luotettava analyysitieto saadaa lähes välittömästi näytteenottohetkestä, mikä lisää osaltaan merkittävästi menetelmän käyttökelpoisuutta.

Seuraavissa esimerkeissä valaistaan tarkemmin keksinnön tarkoittamaa menetelmää. Vaikka nämä esimerkit 30 käsittelevät mänty- ja koivuhakkeelle tehtyä sulfaat-tikeittoa, on asiantuntijalle itsestään selvää, että menetelmä on sovellettavissa myös muihin aikalisiin keittoihin (esim. sooda-antrakinonikeitto) ja muihin raaka-aineina käytettäviin puulajeihin (ja mahdollisesti 35 myös muuhun selluloosapitoiseen kasvimateriaaliin). Tällöin määritetään ensin kussakin tapauksessa vastaavasti etikka- ja muurahaishapon pitoisuussuhteen muut- 4 80731 tuminen keiton kokonaissaannon ja ligniinin liukenemiseen nähden ottamalla huomioon kysymyksessä olevan raaka-ainemateriaalin laatu ja koostumus (esim. seka-keitot).

5 ESIMERKKI 1:

Koivupuusta (Betula verrucosa/B. pubescens) valmistetulle hakkeelle (seulottu jae 2-4 mm) tehtiin laboratoriokeittimelle normaali sulfaattikeitto: vaikutit) tava alkali 20% (natriuirihydroksidina) puusta, sulfidi-teetti 30% ja neste/puu-suhde 4 L/kg. Keiton lämpötilaa nostettiin tasaisella nopeudella 90 min aikana (lämpötilasta 30 °C lämpötilaan 168 °C, ja keittoa jatkettiin maksimilämpötilassa 90 min. Keittoajan kuluessa jätelie-15 minäytteitä otettiin tietyin väliajoin (20 min.) ja niistä analysoitiin etikka- ja muurahaishapon määrä (Alen, R. , Jännäri, P. & Sjöström, E., Finn. Chem. Lett., 1985, 190). Koska aikaisemman tiedon perusteella tunnetaan hyvin keiton kokonaissaannon riippuvuus kloo-20 riluvusta (luvun avulla voidaan laskea massan sisältämä ligniinimäärä), ei sitä määritetty tässä tapauksessa.

• / Kuvassa 1 esitetään happosuhteen etikkahappo/ muurahaishappo riippuvuus keittoajasta ja kuvassa 2 : : kyseisen suhteen muuttuminen keitossa liuenneeseen 25 aineeseen nähden. Jälkimmäisessä tapauksessa on nähtävissä selvästi happosuhteessa eri keittovaiheissa ha-! väittävä käännepiste. Ottamalla riittävä määrä jätelie- minäytteitä kyseisellä keittimellä tehtävästä vastaavanlaisesta keitosta lämpötilan nostovaiheen kuluessa ja 30 välittömästi sen jälkeen, pystytään saatavaa informaatiota hyväksi käyttäen määrittämään matemaattisesti se ajanjakso, jolla saavutetaan haluttu keittoaste.

ESIMERKKI 2: 35 Esimerkin 1 mukaisesti suoritettiin vastaava sulfaattikeitto mäntyhakkeelle (Pinus sylvestris) seu-raavissa olosuhteissa: vaikuttava alkali 24% (natrium- 5 80731 hydroksidina) puusta, sulfiditeetti 30% ja neste/puu-suhde 3,5 L/kg. Keiton lämpötilaa nostettiin tasaisella nopeudella 60 min aikana lämpötilasta 20 °C lämpötilaan 170 °C, ja keittoa jatkettiin 150 min. Keittoajan kulu-5 essa jätelieminäytteitä otettiin tietyin väliajoin (30 min), ja niistä määritettiin etikka- ja muurahaishap-popitoisuudet esimerkin 1 mukaisesti. Kuvissa 3 ja 4 esitetään kyseisessä tapauksessa happosuhteen etikkahap-po/ muurahaishappo muuttuminen keittoajan sekä keitossa 10 liuenneen aineen funktiona. Myös tässä tapauksessa keiton ohjausta silmällä pitäen tarvittava informaatio kokonaissaannon ja klooriluvun välisestä riippuvuudesta on aiemmin tunnettu tosiasia.

Suoritusesimerkit on tarkoitettu ainoastaan 15 havainnollistamaan keksintöä rajoittamatta sitä millään tavoin.

Claims (5)

6 80731

1. Menetelmä selluloosapitoisen materiaalin, kuten puun alkaalisen keittoprosessin, erityisesti sulfaatti- ja soodakeiton ohjaamiseksi, tunnettu 5 siitä, että delignifioitumisen yhteydessä syntyvät etikka- ja muurahaishappo analysoidaan keiton kuluessa ja halutun keittoasteen saavuttamiseksi tarvittava ajanjakso määritetään happojen mustalipeässä esiintyvän väkevyyssuhteen perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että etikka- ja muurahaishappo erotetaan ja analysoidaan kromatografisella menetelmällä, joka perustuu kaasukromatografiaan tai korkeapaine-nestekromatografiaan.

3. PatenttivaatimuksEN 1 tai 2 mukainen mene telmä, tunnettu siitä, että jäteliemessä esiintyvä etikka- ja muurahaishappo analysoidaan natrium-suoloina, vapaina happoina ja/tai johdannaisina.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen 20 menetelmä, tunnettu siitä, että kulloinkin meneillä oleva keittovaihe ja tarvittava lisädeligfioitu-misaika määritetään etikka- ja muurahaishapon mustalipeässä esiintyvän pitoisuussuhteen perusteella, jolloin suhdetta verrataan ao. keittosovellutukselle erillisesti 25 määritettyyn vastaavaan suhderiippuvuuteen.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keiton kuluessa keittoliemestä otetaan tarpeellinen määrä näytteitä happojen analysoimiseksi. 30 7 80731