Общие понятия о варочных процессах

Процесс получения целлюлозы из древесины (варка целлюлозы) заключается в удалении лигнина, большей или меньшей части гемицеллюлоз и экстрактивных веществ. При этом древесину в виде щепы или опилок обрабатывают варочным раствором при повышенных температуре и давлении.

Варочный раствор представляет собой водный раствор химических реагентов.

Цель любого варочного процесса – удаление лигнина (его растворение и перевод в варочный раствор), поэтому варку целлюлозы называют также делигнификацией растительного сырья. Наряду с лигнином в варочный раствор переходят гемицеллюлозы и экстрактивные вещества.

Степень удаления гемицеллюлоз определяется назначением целлюлозы. В целлюлозе, предназначенной для получения бумаги, необходимо сохранить как можно больше гемицеллюлоз, так как это улучшает прочность бумаги. Целлюлоза, предназначенная для химической переработки (для получения искусственных волокон, пленок), должна иметь минимальное содержание гемицеллюлоз, т.е. должна быть химически чистой.

При варке частично разрушается и сама целлюлоза (нежелательный процесс), так как снижаются выход и прочность целлюлозы.

Таким образом, варочный раствор взаимодействует со всем комплексом веществ древесины.

В результате варки получают волокнистый полуфабрикат (техническую целлюлозу) и отработанный варочный раствор, содержащий продукты распада лигнина и углеводной части.

Основными способами получения целлюлозы являются щелочные (сульфатный и натронный) и разновидности сульфитного способа.

Любой варочный процесс является гетерогенным. Скорость его определяется не только скоростью самой химической реакции, но и скоростью проникновения реагирующих веществ из варочного раствора к поверхности, на которой происходит химическая реакция, а также скоростью, обратной диффузии продуктов реакции из реакционной зоны. В соответствии с этим варочный процесс можно разделить на следующие стадии:

1) перенос варочных реагентов внутрь щепы (пропитка щепы варочным раствором);

2) адсорбция варочных реагентов реакционной поверхностью щепы;

3) химические реакции варочных реагентов с компонентами древесины;

4) десорбция образовавшихся продуктов реакции с реакционной поверхности древесины;

5) диффузионный перенос продуктов реакции из древесины в варочный раствор.

Доступность клеточных стенок для варочного раствора зависит от их пористости. Наибольшей пористостью обладает вторичная стенка, наимень-шей – срединная пластинка.

При пропитке древесины варочный раствор проникает вдоль волокон в 50–100 раз быстрее, чем в поперечном направлении. В первую очередь, варочный раствор проникает в лучевые клетки и далее диффундирует через мембраны пор в полости (люмен) других клеток. Далее он приходит в контакт со вторичной стенкой, затем с первичной и, в последнюю очередь, со срединной пластинкой, вызывая делигнификацию этих слоев клеточной стенки.

Обычно варку целлюлозы заканчивают, когда удалено ~ 90–95 % лигнина. Весь лигнин без разрушения целлюлозы удалить трудно, поэтому часть лигнина к концу варки оставляют в целлюлозе (остаточный лигнин). Его удаляют в процессе отбелки и облагораживания целлюлозы при более мягких условиях.

Отбелку целлюлозы проводят с целью удаления остаточного лигнина и повышения белизны целлюлозы. Для отбелки целлюлозы используются элементарный хлор, диоксид хлора, гипохлориты, пероксиды, кислород в щелочной среде. Если целлюлоза предназначена для химической переработки, то стадии отбелки дополняются стадиями облагораживания – это обработка целлюлозы растворами щелочей, при которой растворяются низкомолекулярные фракции целлюлозы и гемицеллюлозы.