способ электроимпульсной обработки волокнистых материалов

Формула изобретения

1. Способ электроимпульсной обработки волокнистых материалов, включающий приготовление суспензии выбранного волокнистого материала в подходящей по химическому составу жидкой среде, обработку полученной суспензии, по меньшей мере, одним импульсным электрическим разрядом, пропускаемым между, по меньшей мере, двумя электродами, которые погружены в жидкую среду, и отделение обработанного волокна от жидкой среды и побочных продуктов обработки, отличающийся тем, что перед обработкой задают удельное электрическое сопротивление жидкой среды не более 210¹¹Ом/м, а объемную плотность энергии в импульсе при обработке задают до 50 кДж/л.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рН жидкой среды задают от 1,0 до 13,5.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность каждого электрического разряда не превышает 0,1 с.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкую среду перед погружением в нее волокнистого материала предварительно обрабатывают, по меньшей мере, одним электрическим разрядом.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что волокнистый материал обрабатывают в герметично замкнутом реакторе.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что волокнистый материал обрабатывают при давлении более 0,1 МПа.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что волокнистый материал обрабатывают при температуре выше комнатной.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что волокнистый материал обрабатывают при остаточном давлении менее 0,1 МПа.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реагенты вводят в заполненный жидкостью реактор совместно с подлежащим обработке волокнистым материалом и диспергируют одновременно с обработкой суспензии этого материала электрическими разрядами.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение массы жидкости, в которой диспергированы реагенты, к массе сухого волокнистого материала составляет не менее трех.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии электроимпульсной обработки в жидкой среде волокнистых материалов, содержащих натуральные и искусственные волокна. Эта технология может быть использована для экономичного и практически экологически безвредного удаления с преимущественно целлюлозных волокон произвольных по химическому составу веществ-спутников целлюлозы, облагораживания вискозного или медноаммиачного волокна и, по желанию, для первичной обработки шерсти.

Здесь и далее применительно к изобретению обозначены:

а) термином "волокнистые материалы" - хлопок, очищенный от механических примесей типа остатков коробочек или комочков земли; короткое и длинное волокно льна и пеньки, другие волокнистые растительные материалы; вискозное и медно-аммиачное искусственное целлюлозное волокно и шерсть животных (преимущественно овец);

б) термином "вещества-спутники целлюлозы" - лигнин, пектиновые вещества, азотистые вещества, пентозаны, гемицеллюлозы и иные растительные полимерные и олигомерные материалы с примесями низкомолекулярных веществ, в которых зафиксированы волокна целлюлозы, выделяемые и очищаемые как целевой продукт;

в) термином "жидкая среда" - предпочтительно вода, этанол и водные или спиртовые растворы отбеливающих, омыляющих и иных реагентов, которые могут быть выбраны сведущими специалистами из доступных на рынке реактивов с учетом химического состава и физико-химических свойств получаемого волокна и/или примесей к волокну;

г) термином "электроимпульсная обработка" - возбуждение в суспензии волокнистого материала в жидкой среде, которая находится в замкнутом (не обязательно герметичном) объеме, мощных механических импульсов и кавитации с целью механохимической деструкции и тонкого диспергирования веществ-спутников целлюлозы или иных примесей (например, жира и прочих загрязнителей шерсти), что может сопровождаться химической модификацией продуктов диспергирования под действием подходящих реагентов, и/или интенсификации химической обработки (например, отбеливания или обезжиривания) соответственно целлюлозных волокон или волокон шерсти;

д) термином "модуль обработки" - отношение массы жидкости, в которой диспергированы реагенты, к массе сухого волокнистого материала.

Отделение целлюлозных волокон от веществ-спутников целлюлозы и очистка шерсти животных от жировых загрязнений и механических примесей для последующей переработки волокнистого сырья в изделия типа ваты, пряжи, нитей, тканей и трикотажа произвольных видов служит целью многих крупнотоннажных технологических процессов.

Естественно, что такие процессы должны быть как можно более экономичными с точки зрения затрат времени, энергии и реагентов и создавать как можно меньшую опасность для окружающей среды.

Ныне этим требованиям явно не соответствуют традиционные способы выделения целлюлозы из древесного сырья путем сульфитной и щелочной (сульфатной) варки щепы древесины преимущественно ценных хвойных пород (см. монографию Никитин Н. И. Химия древесины и целлюлозы. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962, главы XXVII и XXVIII).

Поэтому уже давно предпринимают попытки создать такие способы и средства обработки волокносодержащего сырья, которые позволили бы существенно упростить и удешевить отделение волокна от сопутствующих веществ.

Уже известен ряд изобретений такого рода (см. UA Patents 17136 А, 17179 А, 17283 А и 17284 А), которые относятся к способам электроимпульсной обработки волокносодержащего сырья, и полезная модель (см. UA Patent 1096 и RU Sertificate 19841), которая относится к поточной линии производства целлюлозной ваты. Во всех этих документах описана обработка волокносодержащего сырья в жидкой (преимущественно водной) среде, в которой электрическими разрядами возбуждают мощные ударные импульсы.

В экспериментах перед подачей заявок на указанные патенты было обнаружено, что механохимическое воздействие на вещества-спутники целлюлозы сокращает удельные затраты времени, энергии и реагентов и опасность загрязнения природной среды. Однако позднее было экспериментально установлено, что проблема эффективного управления электроимпульсной обработкой не была практически приемлемо решена.

Действительно, наиболее близкий к предлагаемому способу по технической сущности известный способ электроимпульсной обработки волокнистых материалов в жидкой среде (см. UA Patent 17179) включает только приготовление суспензии волокносодержащего сырья в подходящей по химическому составу жидкой среде, обработку полученной суспензии по меньшей мере одним импульсным электрическим разрядом, пропускаемым между по меньшей мере двумя электродами, которые погружены в жидкую среду, и отделение обработанного волокна от жидкой среды и побочных продуктов указанной обработки. При этом регулируемыми (да и то по желанию) параметрами служат всего лишь температура и давление внутри аппарата и степень загрязненности жидкой среды побочными продуктами электроимпульсной обработки, что явно недостаточно для эффективной механохимической очистки произвольных волокнистых материалов от веществ-спутников целлюлозы и/или иных загрязнений целлюлозных и белковых волокон.

В основу изобретения положена задача изменением режимов создать такой способ электроимпульсной обработки волокнистых материалов в жидкой среде, который позволял бы получать из различного сырья высокоочищенные целлюлозные и белковые волокна для технических и иных, особенно медицинских, нужд.

Поставленная задача решена тем, что в способе электроимпульсной обработки волокнистых материалов, включающем приготовление суспензии выбранного волокнистого материала в подходящей по химическому составу жидкой среде, обработку полученной суспензии по меньшей мере одним импульсным электрическим разрядом, пропускаемым между по меньшей мере двумя электродами, которые погружены в жидкую среду, и отделение обработанного волокна от жидкой среды и побочных продуктов обработки, согласно изобретению перед обработкой задают удельное электрическое сопротивление жидкой среды не более 210¹¹ Ом/м, а объемную плотность энергии в импульсе при обработке задают до 50 кДж/л.

Указанные ограничение удельного электрического сопротивления жидкой среды перед обработкой и интервал допустимых величин объемной плотности энергии в импульсе позволяют так подбирать конкретные значения этих параметров при обработке разнообразных волокнистых материалов, что их очистка от веществ-спутников целлюлозы или от жирогрязевых примесей становится весьма эффективным и экологически менее опасным процессом независимо от вида растительного или животного волокносодержащего сырья и степени его загрязненности. Действительно, при удельном электрическом сопротивлении вблизи 210¹¹ Ом/м и объемной плотности энергии в импульсе более 10-15 кДж/л электроимпульсная обработка суспензии волокнистого материала в жидкой среде протекает преимущественно под действием ударных волн и кавитации, что позволяет эффективно выделять целлюлозные волокна из инкрустирующих веществ древесины и льна, а по мере снижения удельного электрического сопротивления и объемной плотности энергии в импульсе основной эффект возникает вследствие регулируемой кавитации в объеме суспензии, что позволяет интенсифицировать химическую обработку, например, с целью беления льна или обезжиривания шерсти. Приведенные ниже примеры осуществления способа показывают возможности такой оптимизации обработки с учетом состава сырья.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что рН жидкой среды задают от 1,0 до 13,5, что позволяет "подстраивать" режимы механохимической обработки под особенности исходного химического состава волокнистых материалов.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что длительность каждого электрического разряда не превышает 0,1 с. При многократном электроимпульсном воздействии на волокнистые материалы в жидкой среде на водной основе это позволяет настолько ослабить электролиз воды, что выделение свободных водорода и кислорода будет практически подавлено, а в жидких средах, содержащих в качестве реагента хлорид натрия, практически незаметным станет появление гипохлорита натрия.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что жидкую среду перед погружением в нее волокнистого материала предварительно обрабатывают по меньшей мере одним электрическим разрядом. Это возбуждает молекулы растворителя (обычно воды) и диспергированных реагентов и тем самым способствует интенсификации химических процессов. Особо следует отметить появление в жидкой среде атомов возбужденного (синглетного) кислорода. Они возникают либо из кислорода, который обычно присутствует в водной среде или целенаправленно введен в нее (в том числе, в виде озона), либо из молекул воды вследствие ее частичного электролиза при электрических разрядах и сопутствующей им кавитации. Высокий окислительный потенциал синглетного кислорода позволяет резко активизировать окислительную деструкцию веществ-спутников целлюлозы и отбеливание очищенного целлюлозного волокна.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что волокносодержащее сырье обрабатывают в герметично замкнутом реакторе. Это позволяет интенсифицировать очистку преимущественно целлюлозосодержащих волокнистых материалов от таких прочных веществ-спутников целлюлозы как лигнин, и снизить удельные затраты энергии.

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что волокнистый материал обрабатывают при давлении более 0,1 МПа. Это облегчает пластификацию веществ-спутников целлюлозы (и особенно лигнина) и соответственно очистку волокнистого сырья от них, что весьма важно при получении древесной целлюлозы.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что волокносодержащее сырье обрабатывают при температуре выше комнатной, что способствует интенсификации механохимической деструкции примесей к волокнистым материалам.

Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что волокнистые материалы обрабатывают при остаточном давлении менее 0,1 МПа. Это целесообразно при щадящей механохимической обработке искусственных целлюлозных волокон с высоким содержанием гемицеллюлоз и при селективном удалении с исходных волокон лишь некоторых фракций веществ-спутников целлюлозы.

Восьмое дополнительное отличие состоит в том, что реагенты вводят в заполненный жидкостью реактор совместно с подлежащим обработке волокнистым материалом и диспергируют одновременно с обработкой суспензии этого материала электрическими разрядами. Это позволяет совместить постепенное диспергирование реагентов с удалением примесей с волокнистых материалов.

Девятое дополнительное отличие состоит в том, что отношение массы жидкости, в которой диспергированы реагенты, к массе сухого волокнистого материала составляет не менее трех, т.к. при меньшем модуле обработки существенно возрастает затухание колебаний в суспензии и соответственно снижаются производительность и качество электроимпульсной обработки волокнистых материалов.

Далее сущность изобретения поясняется схематическим чертежом экспериментального реактора периодического действия (в продольном разрезе) и примерами осуществления способа.

Реактор рабочим объемом 10 л (см. чертеж) имеет

корпус 1 из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, который имеет цилиндрическую обечайку с конусообразными верхней и нижней частями и служит одним из электродов;

крышку 2 из того же материала, присоединенную к фланцу корпуса 1;

изолированный по периметру центральный электрод 3, который имеет обращенный к донной части корпуса 1 электропроводный выступ и герметично установлен в крышке 2 с возможностью регулировочного возвратно-поступательного перемещения;

штуцер 4, который закреплен в крышке 2 и предназначен для стравливания выделяющихся при электроимпульсной обработке газов в атмосферу или для вакуумирования полости корпуса 1;

запорно-регулирующий элемент 5, который установлен на штуцере 4,

гидравлический затвор 6, который установлен на продолжении штуцера 4 после запорно-регулирующего элемента 5 и открыт в атмосферу.

В экспериментах реактор был подключен к не показанному особо импульсному разряднику на основе конденсаторной батареи с регулируемой емкостью от 2 до 100 мкФ с обычными известными специалистам средствами регулирования частоты и мощности импульсов.

Предложенный способ был проверен при обработке различных волокнистых материалов. Поэтому примеры сведены в шесть групп, а именно:

(1) получение целлюлозной медицинской гигроскопической ваты;

(2) получение целлюлозы из древесины;

(3) получение целлюлозы из хлопкового линта, льна и пеньки;

(4) получение котонина, то есть продуктов из лубоволокнистого сырья с такими свойствами, которые характерны для хлопкового текстильного волокна;

(5) первичная обработка шерсти;

(6) промывка волокнистых материалов.

Электроимпульсная обработка во всех примерах включала такие операции:

а) подготовка выбранного волокнистого сырья к электроимпульсной обработке по стандартным технологиям, например, очистка хлопка от остатков коробочек и комочков земли, чесание льна-сырца или конопли с удалением костры и т.п.;

б) приготовление суспензии выбранного волокнистого материала в (обычно водном) растворе реагентов, назначение, состав и концентрации которых указаны в примерах;

в) задание удельного электрического сопротивления жидкой среды на уровне не более 210¹¹ Ом/м, как правило, совмещаемое с операцией (а);

г) обработка полученной суспензии по меньшей мере одним импульсным электрическим разрядом между центральным электродом 3 и корпусом 1 реактора с объемной плотностью энергии в импульсе не более 50 кДж/л (а обычно от 0,1 до 50 кДж/л);

д) отмывка волокна от остатков реагентов и побочных продуктов электроимпульсной обработки, сушка отмытого волокна до допустимой остаточной влажности и при необходимости расчесывание высушенного волокна;

е) анализ полученных продуктов в соответствии со стандартными требованиями к качеству их аналогов по назначению.

Конкретные режимы выполнения этого способа с учетом вида волокнистого сырья и состава примесей указаны далее в примерах внутри таблиц.

1. Примеры получения целлюлозной медицинской гигроскопической ваты

Для проверки эффективности способа согласно изобретению были изготовлены опытные партии медицинской гигроскопической ваты из традиционного хлопкового и нетрадиционного льняного и пенькового сырья (см. таблицу Т1.1.).

Электроимпульсную обработку проводили в два этапа как в герметичном, так и в негерметичном реакторе. Начальная температура суспензии во всех случаях была около 20^oС. Изменение температуры в негерметичном реакторе не контролировали, а в герметичном реакторе она в конце обработки не превышала 130^oС. Давление в негерметичном реакторе было близко к атмосферному, а в герметичном реакторе в конце обработки не превышало 0,3 МПа. Состав и концентрации реагентов приведены в таблице Т1.2, а режимы обработки - в таблице Т1.3.

В ряде примеров как отбеливающий реагент использовали озон, концентрация которого в воздухе после выхода из озонатора составляла около 24 г/м³. Расход 100%-ного озона при обработке составлял 5 л/мин. Воздушно-озоновую смесь после озонатора диспергировали в суспензии внутри реактора в виде мелких пузырьков.

Результаты оценки качества полученной целлюлозной медицинской гигроскопической ваты по общепринятым показателям приведены в таблице Т1.4.

Из таблицы Т1.4 ясно видно, что медицинская гигроскопическая вата, изготовленная способом согласно изобретению из нетрадиционного льняного и пенькового сырья, не уступает, а по некоторым показателям (зольность, содержание жировых и воскообразных веществ, белизна) превосходит по качеству вату из традиционного хлопкового сырья.

2. Примеры получения целлюлозы из древесины

Для проверки эффективности способа согласно изобретению были изготовлены опытные партии целлюлозы из стандартной щепы осиновой древесины.

Электроимпульсную обработку щепы проводили как в герметичном, так и в негерметичном реакторе троекратно с промывкой волокнистой массы после 1-ого и 2-го этапа и введением свежих реагентов, состав и концентрации которых обычно изменяли от этапа к этапу. Начальная температура суспензии всегда была около 20^oС. Изменение температуры в негерметичном реакторе не контролировали, а в герметичном реакторе она в конце обработки не превышала 150^oС. Давление в негерметичном реакторе было близко к атмосферному, а в герметичном реакторе в конце обработки не превышало 0,5 МПа.

В ряде примеров так же, как описано выше, для отбеливания использовали озон. В отдельных примерах основой жидкой среды служил 96%-ный этиловый спирт с удельным электрическим сопротивлением 1,510¹¹ Ом/м.

Состав и концентрации реагентов приведены в таблице Т2.1, а режимы обработки - в таблице Т2.2. Результаты оценки качества полученной древесной целлюлозы по общепринятым показателям приведены в таблице Т2.3.

Как явно видно из таблиц, способ согласно изобретению в любом из приведенных примеров позволяет получать древесную целлюлозу со степенью очистки не хуже 97% в технологическом цикле длительностью не более 45 минут. Если же, как в примере 2.6, электроимульсную обработку щепы и волокнистой массы проводят только в герметичном реакторе с применением на первом этапе этилового спирта как основы рабочей суспензии, то на втором и третьем этапах для получения высокочистой целлюлозы достаточно применить озон и ничтожные количества серной кислоты и едкого натра. Естественно, что такой вариант процесса экологически наиболее безопасен.

3. Примеры получения целлюлозы из хлопкового линта, льна и пеньки

Для проверки эффективности способа согласно изобретению были изготовлены опытные партии целлюлозы из хлопкового линта и таких лубоволокнистых материалов, как лен и пенька (см. таблицу Т3.1).

Электроимпульсную обработку указанного сырья проводили двукратно с промывкой и заменой реагентов после первого этапа. В остальном процесс протекал, как описано выше для примеров второй группы. В ряде примеров так же, как описано выше, для отбеливания использовали озон.

Состав и концентрации реагентов приведены в таблице Т3.2, а режимы обработки - в таблице Т3.3. Результаты оценки качества полученной целлюлозы по общепринятым показателям приведены в таблице Т3.4.

Как видно из таблиц, способ согласно изобретению при двукратной импульсной обработке суммарной длительностью не более 30 минут позволяет даже из пеньки получить высокоочищенный целевой продукт, содержащий около 97% альфа-целлюлозы и не более 0,17% примесей, нерастворимых в концентрированной серной кислоте. Важно отметить, что величины динамической вязкости, которые были определены на стандартных медноаммиачных растворах всех воздушно-сухих целевых продуктов, указывают на возможность их переработки в искусственный шелк. Тем самым может быть существенно расширена сырьевая база соответствующих предприятий.

4. Примеры получения котонина

Для проверки эффективности способа согласно изобретению были изготовлены образцы котонина из лубоволокнистого сырья типа льна и пеньки (см. таблицу Т4.1).

Электроимпульсную обработку льна и пеньки проводили в один этап, поскольку химическая чистота получаемого из них текстильного сырья (в отличие от сырья для медно-аммиачного процесса получения искусственного шелка) не имеет существенного значения. В остальном процесс протекал, как описано выше для примеров первой группы. В ряде примеров так же, как описано выше, для отбеливания использовали озон.

Состав и концентрации реагентов приведены в таблице Т4.2, режимы обработки - в таблице Т4.3, а результаты оценки качества полученного котонина - в таблице Т4.4.

Даже однократная обработка льна и пеньки способом согласно изобретению позволяет, как видно из таблицы Т4.4, заметно снизить содержание в целевом продукте таких веществ-спутников целлюлозы в лубоволокнистых материалах, как пектины (в 3-4 раза) и лигнин (более чем вдвое). Мало того, остаток лигнина присутствует в целевых продуктах в существенно деградированном по степени полимеризации виде. Об этом свидетельствует внешний вид беленого котонина, который для специалистов-прядильщиков близок к внешнему виду длинноволокнистого хлопка.

5. Примеры первичной обработки (мойки) шерсти

Эксперименты по троекратной электроимпульсной мойке полутонкой овечьей шерсти в негерметичном реакторе были проведены при одинаковых во всех случаях модуле обработки, равном 20, начальной температуре суспензии около 20^oС и конечной температуре около 30^oС.

Состав и концентрации реагентов для каждого из трех этапов обработки приведены в таблице Т5.1, а режимы обработки - в таблице Т5.2. Результаты оценки качества мытой шерсти по остаточному содержанию жира приведены в таблице Т5.3.

Как видно из таблиц, способ согласно изобретению обеспечивает высокопроизводительную мойку шерсти до остаточного содержания жира не более 1% по массе.

6. Примеры промывки волокнистых продуктов

Для экспериментов по электроимпульсной активации промывки в негерметичном реакторе были взяты три образца беленого льна с сорбированными на волокне примесями хлорида натрия и солей жесткости, которые остались от предшествующего беления с применением водопроводной воды. Состав и исходные концентрации солей приведены в таблице Т6.1. Режимы обработки указаны в таблице Т6.2. Во всех случаях температура суспензии была около 20^oС, а модуль обработки был равен 20. Результаты анализа промытых продуктов приведены в таблице Т6.3.

Как видно из таблиц, электроимпульсная активация промывки позволяет по меньшей мере на порядок снизить концентрацию примесей в беленом волокне льна.

Способ согласно изобретению в сравнении с традиционными процессами может обеспечить получение высокоочищенного целлюлозного волокна из произвольного растительного сырья с существенным снижением удельных затрат времени, реагентов и энергии и уменьшением опасности для окружающей природной среды.

Для осуществления способа могут быть использованы доступные на рынке емкостные химические аппараты, дооснащенные импульсными разрядниками и источниками тока для них на основе также общедоступных конденсаторных батарей.