NO774099L - Fremgangsmaate ved behandling av lignocellulose- eller cellulosemasse - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved behandling av lignocellulose- eller cellulosemasse.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte

for behandling av lignocellulose- eller cellulosemasse som fremstilles ved kjemiske, semikjerniske og kjemimekaniske massekokingsprosesser. Mer spesielt angår den behandling av en lignocellulose- eller cellulosemasse med gassformig ammoniakk, .hvilken behandling fremmer sammenfiltring av massefibrene og/ eller forbedrer rivestyrken for det papir som fremstilles derav.

Kraftprosessen er en vidstrakt brukft kjemisk massekokingsprosess.. Papir som fremstilles fra kraftmasse er av god kvalitet og er spesieltkarakterisert vedhøy styrke. Imidlertid er kraftprosessen uunngåelig sterkt forurensende og massen fremstilles i lavt utbytte, f.eks. ca. ^ 5%• I foreliggende,be-skrivelse angir uttrykket "masseutbytte" prosentandelen av opp-rinnelig tørt tremateriale som omdannes til tørr masse. Det foreligger alternative prosesser med høye utbytter, av hvilke noen benyttes kommersielt. Blant disse er bisulfittprosessen med hvilken det oppnås masse i utbytter ut over 60%. I tillegg foreligger det andre kjemiske eller semikjemiske prosesser med høyt utbytte som ennå ikke har nådd kommersiell godkjennelse.

I tillegg har mindre forurensende prosesser slik som totrinns sodaoksygenprosessen nådd betydelig kommersiell interesse.

Slik det fremgår av det ovenfor anførte, kan alter-nativer til kraftprosessen være attraktive, enten fordi de er mer akseptable med henblikk på omgivelser og miljø, eller fordi de gir et større masseutbytte. En mangel som er felles for mange av disse alternative., prosesser er at papiret som fremstilles fra massen har lav rivestyrke. De andre egenskaper for papirer som fremstilles fra alternative masser er i mange tilfeller enten overlegne over eller sammenlignbare med de tilsvarende papirer som fremstilles fra kraftmasse. Søkeren har nå funnet at når en masse som fremstilles ved en kjemisk eller semikjemisk eller kjemimekanisk prosess forskjellig fra kraftprosessen behandles ifølge ammoniakkprosessen i henhold til foreliggende oppfinnelse slik den beskrives og defineres nedenfor, oppnår man en forbedring i rivestyrken for den således behandlede masse.

Behandlingen med gassformig ammoniakk ifølge foreliggende oppfinnelse forbedrer også rivestyrkene for masser som fremstilles ved kraftprosessen og er i denne henseende spesielt anvendelig på kraftmasser som er fremstilt fra ung ved med lav tetthet. Rivestyrken er også en viktig egenskap ved de fleste sluttanvendelser, spesielt ved fremstilling av papirposer og sekker.

Behandlingen ifølge oppfinnelsen er også bemerket å gi og å indusere sammenfiltring av massefibrene. Det skal forstås slik at det som er ment med dette omfatter forandringer i fiber-konfigurasjonen slik som f.eks. tvinning, krølling og lignende så vel som fiberveggforandringer, fraktureringer, mikrokompre-sjoner og lignende. Nærværet av sammenfiltrede ("kinked") fibre i en papirfremstillingsmasse er kjent å gi en forbedring av egenskapene i våtvev og i noen av de papirer som fremstilles fra slike. Sammenfiltrede fibre er kjent å være spesielt effektive med henblikk på strekkbarheten av våtvev hvis krøllingen skjer slik at de forblir noe ufleksible når vevene underkastes strekk under papirfremstillingen. Sammenfiltrede fibre er også kjent å forbedre strekkbarheten for visse papirer som fremstilles fra dem.

Gassformig .ammoniakk og vandige ammoniakkoppløsninger har vært benyttet som alkalisk reagens i oksydativ delignifise-ring av lignocellulosemateriale og er f.eks. beskrevet i GB-PS 1.381.728 og US-PS 3-617.^32, 3-7^0.311 og 4.002.526. Ammoniakk er også benyttet i forbindelse med andre gassformige reagenser slik som klor eller klordioksyd for .å bevirke bleking av tremasse slik det f.eks. beskrives i NZ-PS 160.216 og US-PS 3.^72.731.

Ikke i noen av disse tidligere dokumenter er det beskrevet bruken av ammoniakk i et separat behandlings trinn for å oppnå de ønskede forandringer av egenskapene i tremassen som be handles. De virkninger som gassformig ammoniakk har på tremasse eller andre cellulosefibre er uforutsigelige fra noen av de litteratursteder søkeren er klar over.

Gjenstand for oppfinnelsen er å komme videre mot de ønsker som er beskrevet ovenfor eller i det minste å gi brukbare valgmuligheter.

I henhold til dette kan oppfinnelsen generelt sies å bestå av en fremgangsmåte for behandling av en lignocellulose-eller cellulosemasse fra en kjemisk, semikjemisk eller kjemimekanisk massekokingsprosess, hvilken fremgangsmåte omfatter metting av massen med en effektiv mengde av gassformig ammoniakk.

Fortrinnsvis er nevnte effektive mengde tilstrekkelig med gassformig ammoniakk for opptak av fuktig masse i en mengde ut over 3 vekt-% av ovnstørr masse.

Fortrinnsvis gjennomføres nevnte behandling ved å underkaste massen behandling med en i det vesentlige gassformig • ammoniakkatmosfære under et trykk på minst 1 atmosfære (103,3 kPa).. Fortrinnsvis omfatter nevnte fremgangsmåte en syklus bestående i det vesentlige av et første trinn hvor massen underkastes behandlingen med den gassformige ammoniakkatmosfære og deretter et trinn hvor massen underkastes vakuum.

Alternativt kan prosessen gjennomføres i to eller flere sykler der hver syklus omfatter ammoniakkbehandling fulgt av vakuumbehandling.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning

til de følgende eksempler og tabeller som viser de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen. Det skal bemerkes at eksemp-

lene er forklarende og ikke er ment å begrense oppfinnelsens ramme.

Eksempel 1.

Natriumbisulfittmasser fra bakhonflis av radiatafuru

i utbytter på 53, 60, 67 og 75% ble raffinert (slått) i forskjellig grad (2000 - 8000 omdreininger) i en laboratoriemølle av typen PFI (Papirindustriens Forskningsinstitutt) Prøver av massene ble presset til en konsistens på 15-30$ og deretter fluffet. Kontrollprøver, dvs. ubehandlede prøver, ble vasket med destillert vann og det ble prøvet standardpapirhåndduker. Ytterligere masseprøver ble anbrakt i en trykkbehonder av rustfritt stål som deretter ble evakuert i 10 minutter. Disse masser ble

deretter behandlet med gassformig ammoniakk i 1 til 3 sykler på 15 - 45 minutter hver ved totale trykk på 380 til 760 kPa. Beholderne ble evakuert i 10 minutter mellom behandlingssyklene og ved .slutten av hver behandling. Behandlede masser ble vasket grundig med destillert vann og det ble prøvet standardpapirhåndduker.

De spesifikke ammoniakkbehandlingsbetingelser og de tilsvarende papiregenskaper er gitt i tabell 1. Behandlingen med gassformig ammoniakk ga håndduker med rivestyrker (riveindeks) som betydelig var øket opp til 92%. Bruddstyrken (bruddindeksen) og strekkfastheten (strekkindeksen) ble redusert i forholdsvis liten grad på opp til 36$. Forlengelsen ble ikke påvirket vesentlig av behandlingen (dette ble bekreftet av andre forsøk). Således kan masser som er raffinert for å utvikle forlengelse og bruddstyrke og strekkfasthet, behandles med gassformig ammoniakk for selektivt å fremme rivestyrken.

Eksempel 2.

Prøver av den bisulfittmasse med 60% utbytte som er angitt i eksempel 1 ble raffinert ved 5000 omdreininger på en PFI-mølle, presset til 22, 5% konsistens og fluffet. En ubehandlet prøve ble bedømt og en ytterligere prøve behandlet på den måte som er beskrevet -i eksempel 1 bortsett fra at en blanding av gassformig ammoniakk og nitrogen ble boblet igjennom massen ved et trykk under 120 kPa.,Dette ble gjort for å bestemme de nedre grenser for ammoniakktilførselen. Opptaket ble bedømt ut fra den hurtige temperaturøkning (ved anvendelse av oppløsnings-varmen for ammoniakk i vann) til ca. 8,6 vekt-%, beregnet på ovnstørr masse. Etter behandlingen ble massen bedømt.

Papiregenskapene som er gitt i tabell 1 viser at et slikt lavt opptak av ammoniakk hadde en meget liten virkning på hånddukegenskapene. Den mest betydelige forskjell var en uønsket reduksjon av lysheten.

Eksempel 3-

Fire prøver på en totrinns soda-oksygenmasse laget av bakhonflis fra radiatafuru i et utbytte på 50% og med et kappatall på 29 ble raffinert ved 5000 omdreininger i en PFI-mølle og presset til 15% konsistens. Massene ble vasket, fluffet og en ubehandlet prøve ble bedømt (dvs. det ble fremstilt standard papirhåndduker som ble prøvet). To prøver ble behandlet med gassformig ammoniakk i en måte tilsvarende det som er beskrevet

i Eksempel 1 (se tabell 1 for spesielle behandlingsbetingelser). En av disse masser ble vasket og bedømt mens den andre ble bleket til høy lyshet ved en standard CEDED blekesekvens (klo--rering, ålkaliekstraksjon, klordioksydbleking, alkaliekstrak-sjon, klordioksydbleking) før bedømmelse.

Den fjerde massen ble bleket på samme måte (CEDED-sekvens) og deretter behandlet med gassformig ammoniakk før be-dømmelse.

Rivestyrkene ble sterkt forbedret i alle tre ammo-niakkbehandlede soda-oksygenmasser (Tabell 1) fra 90 til 150%. Tilsvarende brudd- og strekkstyrker ble redusert, men i akseptable nivåer (dvs. en strekkindeks på 49 N.m /g). Igjen ble hånddukforlengelsen beholdt ved behandling med gassformig ammoniakk.

Rivestyrkene for de to blekede masser var sogar større enn de for den ublekede behandlede masse. Massebehandling med ammoniakk før bleking var noe mer effektivt enn behandling etter bleking med henblikk på å fremme både styrke og lyshet (Tabell 1). Eksempel 4.

Kraftmasseprøver fremstilt' fra bakhonflis fra radiatafuru i et utbytte på 48% og med et kappatall på 30 ble raffinert

i en PFI-mølle ved 2000 og 8000 omdreininger. Både ubehandlet og ammoniakkbehandlet masse ble bedømt (Tabell 1). Papiregenskapene (Tabell 1) viste at behandlingen forbedret rivestyrkene, men reduserte bruddstyrken og strekkfastheten omtrent propor-sjonalt. Da kraftbakhonmasser generelt allerede har høy rivestyrke, kan behandlingen vise seg ikke å være av stor betydning for dette formål. Som imidlertid vist-i eksempel 7 var behandlingen fordelaktig for kraftbakhonmasser i.det at den fremmet en fiberkrølling som forbedret våtbanestrekningsevnen.

Eksempel 5-

Kraftmasseprøver fremstilt fra kjernevedflis (ung ved) fra.radiatafuru i et. utbytte på 48% og med et kappatall på 30 ble raffinert som i eksempel 4. Ubehandlet og ammoniakkbehandlet masse (Tabell 1) ble bedømt.

Papiregenskapene (Tabell 1) viste at behandling med ammoniakkgass kan være fordelaktig på kjernetrekraftmasser som generelt har lav rivestyrke og høy bruddstyrke og strekkfasthet. Riveindeksen ble øket med ca. 3 enheter (20%) og de tilsvarende verdier for brudd og strekk var akseptable.

Eksempel 6.

En prøve (inneholdende ekvivalenten av ca. 100 g ovns-tørr masse) av 53% utbytte bisulfittmassen i eksempel 1 ble raffinert ved 8000 omdreininger, presset til 15% konsistent og fluffet. Fuktighetsinnholdet for massen ble bestemt ved ovns-tørking av tre små prøver og den gjenværende masse ble veid og

■ deretter behandlet med gassformig ammoniakk under ekstreme behandlingsbetingelser (3 sykler på 45 min. hver ved et trykk på 760 kPa). Massen ble deretter vasket, ovnstørket og veid for å bestemme utbyttetapet på grunn av behandlingen.

Det ble funnet en utbyttereduksjon fra 53 til 51>9%, noe som er et ekstremt lite tap, spesielt når man tar i betrakt-ning eventuelle tap pga. behandlingen. Tidligere forsøk indikerte at utbyttetapene for bisulfittmasser er meget små ved alle de bedømte masser (eksempel 1)..

Oppfinnelsen slik den beskrives nedenfor i eksempel 7 vil forstås bedre under henvisning til de ledsagende figurer hvori: Fig. la er et fotografi av en forstørrelse av en masse fremstilt ved et utbytte på 53% ved 8000 omdreininger i en PFI-mølle uten behandling ifølge oppfinnelsen. Fig. lb er et fotografi av en forstørrelse av den samme masse, behandlet med gassformig ammoniakk ved en råstoff-konsentrasjon på 30% over to sykler ved 45 min. pr. syklus under et trykk på 76O kPa.

Fig. 2a er et fotografi av en forstørrelse av en

masse fremstilt ved 67% utbytte ved 8000 omdreininger i en PFI-mølle uten behandling ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2b er et fotografi av en forstørrelse av den samme masse, behandlet med gassformig ammoniakk ved en råstoff-konsentrasjon på 30% over tre sykler med 45 min. pr. syklus under et trykk på 760 kPa.

Fig. 3a er et fotografi av en forstørrelse av en våt-bane- med et faststoffinnhold på 22,7%, fremstilt fra en masse med utbytte 53% ved 8000 omdreininger i en PFI-mølle der våtbanen er behandlet ifølge ammoniakkprosessen i henhold til foreliggende oppfinnelse, før påkjenningsbelastning. Fig. 3b viser den samme bane etter påkjenning til brudd. Fig. 4a er et fotografi av en forstørrelse av en våt-bane fremstilt fra en masse som ikke er behandlet ved ammoniakk-prosessen ifølge foreliggende oppfinnelse der banen har et faststoffinnhold på 24.5% og er fremstilt fra en masse med utbytte 53% ved 8000 omdreininger i en PFI-mølle og der banen ikke er påkjenningsbelastet. Fig. 4b er et fotografi av en forstørrelse av den samme bane, belastet til brudd.

Eksempel 7.

Massebehandling med gassformig ammoniakk forårsaket

at fibrene krøllet seg i forskjellig grad avhengig av tretypen, massetypen, masseutbytte, masseraffineringen og behandlingsbe-tingelsene for ammoniakkbehandlingen (Tabell 2). Graden av fiberkrølling som foregår etter behandling med .ammoniakk var størst for de mest raffinerte bisulfittmasser med lavt utbytte, og lavest for de minst raffinerte bisulfittmasser med høyt utbytte (fig. 1, 2). "Krøllindeksen" er et mål både for antallet og graden av fiberkrølling. (Kibblewhite, "Tappi" 57(8): 120-1

(1974)).

Behandlingen med gassformig ammoniakk var effektiv

med hensyn på å bringe fibre i et visst område av kjemiske og smikjemiske masser til krølling. Disse inkluderte natriumbisul-fittmasse, kraftmasse, soda-oksygenmasse og nøytrasulfitt semikjemisk- masse, fremstilt fra treflis fra radiatafuru. Masser, fra utvalgte prøver av bakhonflis og kjernevedflis (ung og relativt ung skog) ble undersøkt og det ble funnet at det ble oppnådd krølling i varierende grad ved massebehandlingen med gassformig ammoniakk (Tabell 2).

Fiberkrølling hang sterkt sammen med håndduktettheten.

Graden av fiberkrølling øket lineært med reduksjonen av hånd-duktetthetene (Tabell 1). Tilsvarende om enn mindre sterkt kor-relerte tendenser forelå for graden av fiberkrølling og brudd-indeksene og strekkindeksene for hånddukene. Rivestyrkene var. på den annen side ikke nødvendigvis lineært korrelert med graden av fiberkrølling. Denne konklusjon var imidlertid basert på et begrenset antall prøver (Tabell 2) og rive/krølle-korrela-sjonene kan godt være tildekket av variasjonene som ligger in-herent i målingen av rivestyrken.

Krøllede fibre fremstilt ved behandling med gassformig ammoniakk ble funnet å motstå utretting ved påkjenning av våt-bånene (fig. 3) • Graden av motstand overfor fiberutretting under påkjenning av våtbanen var avhengig av fibertypen, masseutbyt^tene, graden av masseraffinering før behandling, faststoffinnhol-det i våtbanene og-graden av fiberkrøllingen som ble fremkalt ved ammoniakkbehandlingen. Fiberkrøllingen var tilsynelatende både fremkalt og satt i stilling (i varierende grad) ved massebehandlingen med gassformige ammoniakk.

Våtbaner fremstilt fra behandlede masser inneholdende sterkt krøllede fibre ble bemerket å forbli i det vesentlige uforandret når disse baner ble påkjent til bruddpunktet (fig. 3). Fibrilært nettverk som forbant nærliggende fibre ble funnet å forbli i det vesentlige intakt i de påkjente baner. Således ble de krøllede fibre ikke beveget i forhold til hverandre i noen vesentlig grad når våtbanen ble satt under belastning til bruddpunktet. De krøllede fibre ble imidlertid rettet ut og fibrilære nettverk ble brudt hvis de befant seg innen bruddsonen slik det også var å forvente. Undersøkelse av våtbaner fremstilt fra tilsvarende ubehandlede masser viste lav grad av fiberkrølling før påkjenning og øket grad av fiberutretting og fiberorientering etter hvert som banene blé påkjent' til brudd .(fig. 4).

Massebehandling med gassformig .ammoniakk ga generelt at strekk og forlengelsesegenskapene for våtbanen ble redusert hhv. øket (Tabell 2). Virkningen av ammoniakkbehandlingen på våtbanestyrkeegenskapene var generelt sammenlignbare med de for tilsvarende tørre håndduker selv om økninger i våtbanestrekk-egenskapene som oppsto ved massebehandlingen ofte var større enn i tilsvarende i tørre papir. Den lille økningen i våtbanestrekningsevnen og den relativt store reduksjon i våtbanestrekk- fastheten sto i forbindelse med de reduserte tilsynelatende tettheter (øket masse) for våtbanen^som oppsto ved behandlingen av massen med gassformig ammoniakk (Tabell 2).

Styrkedata for våtbanen tas med som en indikasjon på virkningene av behandlingen med gassformig ammoniakk og er kun anvendbare for baner uten fiberorientering ved faststoffinnhold på 20-25%. Våtbanestrimler ble fremstilt ved bruk av en britisk standard arkmaskin og prøvet på en Instron-prøver ved bruk av bakker, som beskrevet av Stephens og Pearson i "Appita", 23(4): 261-74 (1970).

Claims (25)

1. Fremgangsmåte for behandling av en lignocellulose- eller cellulosemasse fra en kjemisk, semikjemisk eller kjemimekanisk . masseprosess, karakterisert ved at den omfatter metning av nevnte masse med en effektiv mengde gassformig ammo-' niakk.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det som masse anvendes en myktremasse.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at massen er oppnådd i et utbytte på opp til 80%.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at massen er en semikjemisk masse oppnådd i et utbytte på opp til 75%.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at massen er fremstilt, ved en bisulfitt-' prosess i et utbytte på opp til 75%, fortrinnsvis opp til 65%.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at massen er en kjemisk masse.

7. Fremgangsmåte ifølge, krav 1 eller 2, karakterisert ved at massen er en kjemisk masse fremstilt ved fremgangsmåte enten av kraft- eller soda-oksygentypen.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at nevnte effektive mengde av gassformig ammoniakk er den som er tilstrekkelig til å tas opp av fuktig masse i en mengde over 3 vekt-%, beregnet på vekten av ovnstørret mas.se.

9- Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst.av kravene 1-7, karakterisert ved at nevnte effektive mengde av gassformig ammoniakk er tilstrekkelig til å tas opp av fuktig masse i en mengde på minst 9%, beregnet på massen av ovnstørret masse.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at massen har en konsistens på opp til 40, fortrinnsvis 5 til 40 og aller helst 10 til 30 vekt-% tørket masse i den totale mengde av vann pluss masse.

11. Fremgangsmåte ifølge et ;hvilket som helst av de foregående krav, kara-kterise r,-..-t. ved .at'nevnte metning bevirkes ved å underkaste massen en i det vesentlige gassformig ammoniakkatmosfære under et trykk på minst 1 atmosfære eller 101,3 kPa.

12. Fremgangsmåte, ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trykket er mellom 1 og 15 atmosfærer eller 101,3 kPa og 1518,5 kPa, fortrinnsvis 1 til 7,5 atmosfærer eller 101,3 kPa og 759,3 kPa.

13. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst.av de foregående krav, karakterisert ved at trykkbehand-lingen følges av en trykkavlastning eller ved å underkaste massen vakuumbehandling.

14. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trykkbehand-lingen foregås av en vakuumbehandling av massen.

15- Fremgangsmåte ifølge krav 13 eller 14, karakterisert ved at prosessen gjennomføres på syklisk måte ■ med en trykkfase fulgt av en trykkavlastningsfase eller vakuum-fase.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at den omfatter opp til 5 trykkcykler alternerende med trykkavlastnings- og/eller vakuumcykler på opp til 1 time før og mellom cyklene.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at hver trykkcyklus pålegges i opp til 2 timer.

18. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at massen raffineres før behandlingen med gassformig ammoniakk.

19- Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at massen ikke raffineres før mettingen med gassformig ammoniakk.

20. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst- av de foregående krav, karakterisert ved at massen blekes før behandlingen med gassformig ammoniakk.

21. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-19, karakterisert ved at massen blekes etter nevnte behandling med ammoniakk.

22. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at metningen med ammoniakk gjennomføres ved en temperatur mellom 0 og 150°C, fortrinnsvis 20 til 150°C og helst 20 til 100°C.

23. Fremgangsmåte for behandling av masse med gassformig ammoniakk i det vesentlige som her blir beskrevet under henvisning til eksemplene.

24. Fremgangsmåte i det vesentlige som heri beskrevet under henvisning til figurene lb, 2b, 3a og 3b.

25. Masse behandlet i henhold til fremgangsmåten ifølge et hvilket som helst av de foregående krav.