NO171869B - Fremgangsmaate og anordning for delignifisering og blekingav celluloseholdige fibermaterialer - Google Patents

Description

TEKNIKKENS STAND.

For delignifisering og bleking av celluloseholdige fibermaterialer brukes idag hovedsaklig rent klor og/eller forskjellige klorforbindelser.

Av miljøhensyn ønsker imidlertid celluloseindustrien å redusere bruken av klor og klorforbindelser og bruker derfor nå i stigende grad oksygengass i form av 0^som et middel for såkalt "forlenget delignifisering", anvendt etter den kjemiske oppslutningsprosess av cellulosematerialer, og før sluttblekingen med klor og/eller klorforbindelser.

På denne måten reduseres behovet for nødvendig kloranvendelse, og belastninger på fabrikkens utslippsresipienter reduseres tilsvarende. I den senere tid har miljøvernhensyn presset frem en utvidet bruk av oksygen, som idag tilbys på markedet i vanlig, to-molekulær gassform, som CL,. Det er imidlertid kjent at oksygen i en annen molekulærform,

som ozon eller CL3 , lett reduseres til Oo ^ hvorved avgis et meget reaksjonsvillig oksygena tom, som atomært oksygen eller 0, som gir en langt raskere oksydasjons-, dv. delignifisering- eller blekeeffekt på celluloseholdig fibermateriale enn den O^-form som anvendes idag. Bleki ng er forøvrig også en delignifiseringsprosess, som består i fjerningen av det såkalte restlignin.

En industriell anvendelse av ozon, CL., og dermed atomært oxygen, 0, som blekemiddel i dagens celluloseindustri støter imidlertid på en rekke

praktiske vanskeligheter som hittil har hindret bruken av ozon i nevneverdig utstrekning, nærmere bestemt av følgende forhold: Ozon er meget reaktivt og angriper, det vil si oksyderer, ikke bare ligninet på og mellom de enkelte fibre, men også selve cellulosematerialet i fibrene, hvorved molekylkjedene i

cellulosematerialet brytes ned, et forhold som fører til tilsvarende ) styrkemessig svekkelse av selve cellulosematerialet.

Dette kommer til uttrykk gjennom fall i cellulosens såkalte viskositetstall. Særlig kritisk er en slik. ozon-påvirkning når fibermaterialet foreligger i relativt høy konsentrasjon, som f.eks. ved 10 - 25 % tørrstoff, som er vanlig anvendt massekonsentrasjon ved

dagens konvensjonelle oksygen- eller klor-blekeprosesser.

Et annet hemmende forhold er det fakrum at dagens fremstilling av ozon

i industriell skala er både komplisert og kostbar.

Forøvrig gir injisering av ozon inn i trykksatte, varme prosessystemer med temperaturer over 100°C også rent praktiske problemer i form av ukontrollert spalting av 0^før selve blekeprosessen.

Og endelig er dagens kjente ozon-generatorer, enten de arbeider med elektriske spenningsfelt eller ved hjelp av UV-lys, ikke i stand til å produsere en 100 % ren O^-gass, derimot bare en blandingsgass, hvorav maksimalt 8-12 volum-% består av 0^og resten av 0^.

OPPFINNELSENS FORMÅL

Oppfinnelsen tar sikte på å eliminere de vanskeligheter ved produksjon og anvendelse av 0^og dermed atomært oksygen, 0, som er nevnt ovenfor. I tillegg åpner oppfinnelsen muligheten for både produksjon og samtidig anvendelse av oksygen, både som 0, 0^og 0^i en fibersuspensjon som samtidig anvendes som elektrolytt, og som sirkulerer i kretsløp inne i et sammenhengende, lukket og trykksatt rørsystem.

Dessuten bedres oksygenbehandlingens selektivitet, det vil si oksygenet forbinder seg fortrinnsvis til det forhåndenværende lignin og ikke til selve cellulosematerialet, fordi oppfinnelsen anvender lave fiberkonsentrasjoner, 2 - 5 % og samtidig stor væsketurbulens, med aktuelle rørhastigheter 1 ' m/sek og mer, med tilsvarende mindre viskositetsfall under delignifiserings- og blekeprosessen, sammenlignet med dagens såkalte MC- og HC-systemer, dvs. "medium consistency" og "high consistency" ved delignifisering og bleking, eller henholdsvis 8 - 15 og 15 - 30 % fiberkonsentrasjon. Dessuten økes oksygeneffekten ved at systemtrykket økes, fra dagens 5-6 bar opp til 15 bar, ved hjelp av pumper og samtidig anvendelse av relativt moderate temperaturer (80 -140 °c).

For å oppnå overstående formål, beskriver oppfinnelsen en fremgangsmåte for delignifisering og bleking av celluloseholdige fibermaterialer ved bruk av oksygengass i en en-atomig, to-atomig og ev. tre-atomig form som 0, og/eller 0^, tilveiebragt ved elektrolyse av en sirkulerende, fiberholdig elektrolytt, hvorved fritt oksygen i nevnte former utvikles statu nascendi ved anodens overflate og hvorved den hydrogengass som samtidig dannes på katodens overflate i et annet kretsløp av samme elektrolytt slippes kontinuerlig ut av dette kretsløpet uten å komme i kontakt med utviklet oksygengass, og hvorved elektrolytten sirkuleres med stor hastighet ved hjelp av pumper gjennom to adskilte kretsløp innen et sammenhengende, lukket og trykksatt rørsytem, hvorav det i det ene kretsløp er anbragt en anode for oksygenutvikling og i det andre kretsløpet en katode for hydrogenutvikling, og at det mellom de to kretsløpene anordnes væskekontakt for elektrolyttisk elektrisitetsoverføring mellom de to elektrodene, slik at den gass som utvikles på elektrodene rives med av væskestrømmen i de to adskilte kretsløpene uten at gassen i det ene kretsløpet kommer i kontakt med gassen i det andre kretsløpet. Oppfinnelsen beskriver også en anordning for elektrolyttisk kontakt mellom anode og katode i de to kretsløpene som består i at det mellom de to kretsløpene i området mellom anoden og katoden, finnes en eller flere åpninger, ev. forsynt med diaphragma, som gir væske- og dermed elektrolysekontakt mellom de to elektrodene som er plassert i hvert sitt sirkulasjonssystem, idet åpningene er utformet slik at de ikke gir væske- eller gassutveksling mellom de to adskilte, sirkulerende kretsløp av samme elektrolytt.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN.

Oppfinnelsen omfatter både en fremgangsmåte og en anordning.

Fremgangsmåtens prinsipp fremgår av Fig. 1.

To pumper, 1 og 2, holder en lavkonsistent, (2 - 5 %) fibersuspensjon i sirkulasjon inne i et sammenhengende, lukket og trykksatt rørsystem. Sirkulasjonen gjennomføres i to, paralelle kretsløp, hvorav det ene utgjøres av en pumpe 1, et rør 2a, en reaksjonstank 3 og et tilbakeløpsrør 4 til sugesiden på pumpe 1.

Det andre kretsløpet utgjøres av pumpen 2, røret 5, luftetanken 6 ("stripper-tank"), og tilbakeløpsrøret 7 til sugesiden på pumpe 2. Røret 2a har en forgrening 8 som forbinder to elektrolyseceller 9 og 10, som hver er utstyrt med en elektrode, 11 og 12, tilknyttet en likestrømskilde 13.

Ved anvendelse av NaOH og/eller Na^OH eller andre elektrolytter som prosesskjemikalium i fibersuspensjonen vil det ved anoden 11 utvikles oksygen og ved katoden 12 hydrogen. Begge gasser utvikles i blæreform på elektrodene og rives med av væskestrømmen i de to kretsløpene, dvs. oksygen i fibersuspensjonen til reaksjonskaret 3, hvor fibersuspensjon gjennom turbulens, systemtrykk og varme gir oksygenet anledning til å reagere med ligninet på fibermaterialet i suspensjonen, før denne returneres i kretsløpet gjennom rør 4 tilbake til sugesiden på pumpe 1.

Ved katoden 12 utvikles hydrogen som gassblærer på elektrodeoverflaten, og som rives med av suspensjonsstrømmen inn i tanken 6, hvor det lette hydrogenet danner en gass-"pute" over væskenivået i samme tank. Nivået i tanken holdes kontinuerlig og automatisk på samme nivå gjennom utlufting av gassen gjennom ventil 14, som styres av nivåreguleringen 15.

Den avgassede fibersuspensjonen returneres fra tanken 6 gjennom røret 7 tilbake til pumpen 2, hvoretter suspensjonen på nytt går inn i samme kretsløp ved at den ledes inn i elektrolysecellen 10 på en slik måte at utviklet hydrogen ikke får anledning til å komme inn i det andre kretsløpet og der blande seg med oksygenet.

Elektrolyttisk kontakt mellom de to elektrodene oppnås ved væskekontaktgjennom en eller flere åpne rørforbindelser 8,mellom de to kretsløpene, hvilket beskrives nærmere i Fig. 2.

Fremgangsmåtens delignifiserende og blekende virkning på det sirkulerende fibermaterialet følger av oksygenutviklingen ved anoden. Her dannes primært nascerende oksygen, O, samt to-atomige molekyler, 0^, og ev. tre-atomige molekyler i form av 0^eller ozon, dvs. forskjellige oksygenformer som alle har virkninger på det fibermaterialet som skal behandles.

Blekevirkningen kan forøvrig ytterligere forsterkes ved tilsetting av natriumklorid, NaCl, til elektrolytten, hvorved også klorgass vil utvikles på anodens overflate samtidig og sammen med oksygenet, dog med de ulemper som anvendelse av klor bringer med seg i miljøvernsammenheng.

Forøvrig vil man ved valg av kjemiske komponenter for elektrolytten, samt valg av materialer i selve elektrodene og disses innbyrdes plassering i forhold til hverandre, anvende kjent teknologi. Således vil den aktuelle spenning og strømstyrke måtte tilpasses elektrolyse-cellenes geometriske utforming og elektrolyttenes ledningsevne. Likeledes må anodnes materialmessige oppbygging være tilpasset en optimal in situ-produksjon av atomært oksygen, altså som 0, uten at oksygenet i denne form eller andre anvendte kjemikalier skal kunne skade eller deformere anodeoverflaten under drift.

Valget av forskjellige kjemikaliekomponenter i den aktuelle elektrolytt vil influere på løsningens p -verdi og dermed løsningens egnethet for oksygenfremstilling i nascerende form.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning hvis prinsipielle virkemåte fremgår av Fig. 2. Her er en anode 11 og en katode 12 plassert i hver sin elektrolysecelle 9 og 10. Elektrodene er elektrisk isolert fra rørsystemet med isolasjon 16. Elektrolysecellene utgjør hver for seg en del an de to kretsløp for lavkonsistent fibersuspensjon. Cellene 9 og 10 har væskekontakt og dermed elektrolyttisk kontakt med hverandre gjennom en (eller flere) åpning(er) 8 mellom de to elektrolysecellene. Disse åpningene sikrer elektrisitetsgjennomgang og opprettholder elektrolysen i elektrolytten, men er utformet slik at de holder de to kretsløpene, som inneholder hhv. oksygen (ev. i blanding med klor ved bruk av NaCl) og hydrogen, adskilt fra hverandre.

Åpning 8 kan også inneholde et diaphragma 30 av kjent konstruksjon. Kretsløpene 17 og 18 er i prinsippet anordnet som vist i Fig. 1.

Fremgangsmåten vist på Fig. 1 kan anvendes for diskontinuerlig delignifisering og bleking av fibermaterialet ved at systemet fylles med fiber og elektrolytt og kjøres med elektrodene innkoblet en viss tid inntil ønsket virkning er oppnådd, hvoretter systemet tømmes for så å fylles med ny fibersuspensjon for en ny sekvens.

En kontinuerlig drift av fremgangsmåten er imidlertid å foretrekke. Ved å plassere flere systemopplegg som vist på Fig. 1 etter hverandre, vil man kunne foreta delignifisering og bleking i flere trinn. Dette forutsetter at fibermaterialet flyttes kontinuerlig fremover i prosessen, fra ett trinn til neste, og at prosessvæsken likeledes vandrer gjennom de samme respektive trinn, men da i motsatt retning,, hvorved motsrømprinsippet kommer til full anvendelse for hele prosessforløpet.

På Fig. 1 er en slik anvendelse antydet med stiplede linjer:

Pil 19 er en grenledning som bringer en del av fibersuspensjonen over til neste trinn (ikke vist på tegningen), hvor denne suspensjonen avvannes, hvoretter den fortykkede fibermas.sen trykkes inn i neste kretsløp, samtidig som filtratet fra samme suspensjon føres tilbake til det opprinnelige kretsløpet gjennom tilbakeføringsledningen 20. I samme takt som fiber flyttes ut av kretsløpet gjennom ledning 19 til neste trinn, tilføres kretsløpet på Fig. 1 ny fortykket fibermasse

gjennom innførsels ledning 21 fra det foregående prosesstrinn.

På denne måten beveges fibrene gjennom flere trinn i prosessfor løpet fra venstre mot høyre, antydet med pil 22, som indikerer den resulterende fiberbevegelse gjennom prosessen.

Prosessvæsken flyttes i motsatt retning gjennom prosessen, fra høyre mot venstre, fra ett trinn til det foregående. Avsilet prosessvæske (dvs. prosessvæske hvor fibrene er silt fra filtratet gjennom en avvanner, ikke vist på tegningen) ledes gjennom rør 23 tilbake til foregående prosesstrinn, i samme takt som prosessvæske fra neste trinn tilbakeføres trinnet vist på Fig. 1 gjennom røret 24. Prosessvæsken får dermed en resulterende bevegelsesretning gjennom de enkelte trinn og hele prosessen om antydet med pil 25. (Pil 26 antyder tilsetningen av kjemikalier og varme).

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for delignifisering og bleking av celluloseholdige fibermaterialer ved bruk av oksygengass i en-atomig, to-atomig og ev. tre-atomig form som 0, Cl, og/eller Cl., tilveiebragt ved elektrolyse av en sirkulerende, fiberholdig elektrolytt, hvorved fritt oksygen i nevnte former utvikles statu nascendi ved anodens overflate og hvorved den hydrogengass som samtidig dannes på katodens overflate i et annet kretsløp av samme elektrolytt slippes kontinuerlig ut av dette kretsløpet uten å komme i kontakt med utviklet oksygengass, krakterisert ved at en elektrolytt sirkulerer med stor hastighet ved hjelp av pumper (1)(2) gjennom to adskilte kretsløp innen et sammenhengende, lukket og trykksatt rørsystem, hvorav det i det ene kretsløp er anbragt en anode (11) for oksygenutvikling, og i det andre kretsløp en katode (12) for hydrogenutvikling, og at det mellom de to kretsløpene anordnes væskekontakt for elektrolyttisk elektrisitetsoverføring mellom de to elektrodene, slik at den gass som utvikles på elektrodene rives med av væskestrømmen i de to adskilte kretsløpene uten at gassen i det ene kretsløpet kommer i kontakt med gassen i det andre kretsløpet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat kretsløpet hvori katoden (12) for hydrogenutvikling er anbragt utstyres med en egen gassutslippsanordning (14) som automatisk slipper ut av dette kretsløpet den hydrogengass som dannes på katodens overflate.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat elektrolytten i suspendert form inneholder det celluloseholdige fibermateriale som skal delignifiseres og/eller blekes.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat elektrolytten inneholder suspendert fibermateriale, hvorved elektrolyttkretsløpet, hvori befinner seg anoden (11), anrikes med fritt oksygen i nevnte former, hvoretter elektrolytten avtappes kretsløpet og brukes som delignifiserings- og blekevæske i et eget prosessystem. I

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert vedat det ved tilsetning av klorholdige salter, eksempelvis NaCl, også vil utvikles klorgass ved anoden (11) som sammen med oksygen vil gi en forsterket delignifiserings- og blekevirkning.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2, 3 og 5, karakterisert vedat elektrolysen av den fiberholdige elektrolytt kan foretas diskontinuerlig eller kontinuerlig, og at sistnevnte fremgangsmåte gjøres mulig ved at kretsløpene sikres kontinuerlig tilgang og avgang av henholdsvis cellulosefibre- og prosessvæske.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2, 4 og 5, karakterisert vedat elektrolysen av den fiberfrie elektrolytt kan foretas enten diskontinuerlig eller kontinuerlig i et sammenhengende, lukket og trykksatt rørsystem, og ved at sistnevnte fremgangsmåte gjøre mulig ved kontinuerlig tilgang av ny elektrolyttvæske (21) til kretsløpet og samtidig avgang av elektrolysert elektrolysevæske (23) som dermed er anriket med oksygen og/eller klorgass og som pumpes inn som prosessvæske i et lukket og trykksatt system.

8. Anordning for elektrolyttisk kontakt mellom anode (11) og katode (12) i de to kretsløp for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1-7,karakterisert veden væskebeholder fremstilt av metall eller kunststoff (31) og med en utførelsesform som muliggjør at to væskestrømmer, med to separate innløp (Fig.2: (2)(5)) og to separate utløp, kan strømme parallelt med hverandre innenfor nevnte væskebeholder, og hvor det i hver væskestrøm (9) (10) er innsatt to elektroder (11) (12), og hvor det mellom de to væskestrømmene i områdene mellom elektrodene finnes en eller flere åpninger, ev. forsynt med diaphragma (30), som gir væske- og dermed elektrolysekontakt mellom de to elektrodene (11) (12) som er plassert i hver sin væskestrøm, idet åpningene er slik utformet at de ikke gir væske- eller gassutveksling mellom de to, adskilte væskestrømmene av samme elektrolytt.