Сульфатная варка целлюлозы: технология производства¶
Сульфатная варка целлюлозы — химический процесс получения технической целлюлозы из древесного сырья путём обработки щепой водным раствором гидроксида натрия (NaOH) и сульфида натрия (Na₂S), называемым белым щёлоком. Является доминирующим способом производства целлюлозы в мире, обеспечивая около 80–90 % мирового объёма выпуска этого продукта. Процесс также известен как крафт-процесс (от нем. Kraft — прочность) благодаря высоким механическим показателям получаемого волокна.
¶История
Сульфатная варка была разработана в 1879 году немецким химиком Карлом Ф. Дальбергом в Данциге (ныне Гданьск). Первоначально процесс использовал сульфат натрия (Na₂SO₄) в качестве добавки к щёлочи, отсюда и произошло название «сульфатный». В 1884 году технология была запатентована, а в конце XIX века началось её промышленное внедрение. К середине XX века крафт-процесс вытеснил более экологически грязную сульфитную варку, став стандартом отрасли благодаря возможности полной регенерации химикатов и переработки любых пород древесины, включая хвойные со смолистыми веществами.
¶Химия процесса
В отличие от сульфитной варки, крафт-процесс протекает в щелочной среде (pH 13–14) при температуре 150–170 °C и давлении 0,7–1,2 МПа. Основные реакции:
- Делигнификация: гидроксид-ионы (OH⁻) и гидросульфид-ионы (HS⁻) атакуют лигнин, разрушая эфирные связи в его макромолекуле. Лигнин переходит в раствор в виде натриевых солей.
- Растворение гемицеллюлоз: часть гемицеллюлоз (в основном глюкоманнаны) деполимеризуется и растворяется, снижая общий выход целлюлозы.
- Реакции углеводов: целлюлоза частично деградирует в результате реакции «пептизации» (отщепления концевых звеньев), что снижает её степень полимеризации.
Концентрация активной щёлочи (NaOH + Na₂S) обычно составляет 15–20 % от массы абсолютно сухой древесины. Сульфид натрия ускоряет делигнификацию и защищает целлюлозу от деструкции, увеличивая выход и прочность волокна.
¶Технологическая схема
Современное производство включает несколько стадий:
¶1. Подготовка сырья
Древесина (обычно сосна, ель, берёза, лиственница) окоряется, рубится в щепу размером 15–25 мм, которая сортируется и обеспыливается.
¶2. Варка
Щепа загружается в варочный котёл непрерывного (типа Камюр) или периодического действия. Подаётся белый щёлок, смесь нагревается острым или глухим паром. Продолжительность варки — от 1,5 до 4 часов в зависимости от требуемой степени провара (жёсткости целлюлозы, измеряемой числом Каппа).
¶3. Выдувка и промывка
После завершения реакции масса выдувается в выдувной резервуар, где давление сбрасывается. Целлюлоза отделяется от чёрного щёлока на вакуум-фильтрах или промывных прессах. Чёрный щёлок содержит растворённый лигнин, остаточные химикаты и органические вещества.
¶4. Регенерация химикатов
Чёрный щёлок упаривается в выпарных установках до концентрации 65–80 % сухих веществ, затем сжигается в содорегенерационном котле (СРК). Органика сгорает с выделением тепла, которое используется для генерации пара и электроэнергии. Минеральные компоненты плавятся и образуют плав, содержащий карбонат натрия (Na₂CO₃) и сульфид натрия. Плав растворяется в воде с образованием зелёного щёлока, который каустизируется известью (CaO) для превращения карбоната в гидроксид натрия. Полученный белый щёлок возвращается в цикл варки.
¶5. Сортирование и отбелка
Грубая целлюлоза сортируется на узлах для удаления непроварившихся кусочков (сучков). Для получения белой целлюлозы проводится отбелка, включающая стадии с использованием кислорода, диоксида хлора, перекиси водорода и других реагентов, что позволяет снизить содержание остаточного лигнина.
¶Классификация и виды
По назначению и степени очистки различают:
- Небелёная целлюлоза — используется для производства крафт-бумаги, мешков, гофрокартона.
- Белёная целлюлоза — сырьё для офисной бумаги, тетрадей, санитарно-гигиенических изделий.
- Целлюлоза растворная — высокоочищенная, применяется для производства вискозы, ацетата целлюлозы, эфиров.
По породам древесины выделяют хвойную (длинноволокнистую, прочную) и лиственную (коротковолокнистую, гладкую) целлюлозу.
¶Применение
Основные направления использования сульфатной целлюлозы:
- Производство бумаги и картона (упаковочных, печатных, офисных видов).
- Изготовление химических волокон (вискозный корд, штапель).
- Производство целлофана, плёнок, пластиков на основе ацетата целлюлозы.
- Получение лигносульфонатов и других побочных продуктов (тальловое масло, скипидар).
¶Экологические аспекты
Сульфатная варка считается относительно экологически безопасной благодаря замкнутому циклу регенерации: до 97–98 % химикатов возвращается в процесс. Однако отрасль сталкивается с выбросами одорантов (диметилсульфид, метилмеркаптан), придающих характерный запах, а также со сбросами сточных вод, требующими очистки. Современные предприятия оснащаются системами улавливания дурнопахнущих газов и биологической очистки стоков.
¶Экономическое значение
Крупнейшими производителями сульфатной целлюлозы являются США, Канада, Бразилия, Китай, Финляндия, Швеция и Россия. В России работают такие предприятия, как Архангельский ЦБК, «Илим» (Коряжма, Усть-Илимск, Братск), Светогорский ЦБК. Отрасль обеспечивает значительную долю экспортной выручки лесопромышленного комплекса страны.
¶Источники
- Непенин Н. Н. «Технология целлюлозы. Производство сульфатной целлюлозы».
- Фенгел Д., Вегенер Г. «Древесина: химия, ультраструктура, реакции».
- Миловидова Л. А., Кряжев А. М. «Химия древесины и синтетических полимеров».