Название раздела: «Естественные науки»
Проект подготовили: , , студенты технологического факультета направление «Технология и оборудование химической переработки древесины» Сыктывкарского лесного института. Руководитель проекта: , доцент, к. х.н., доцент кафедры целлюлозно-бумажного производства и лесохимии.
Название проекта: «Предупреждение и минимизация негативного воздействия на окружающую среду в ЦБП»
Цель проекта:
- на основе, разработанной в СЛИ мягкой ECF-отбелки сульфатной целлюлозы, экологические преимущества которой очевидны по сравнению с производственной ECF-отбелкой целлюлозы за счет сокращения расхода токсичного отбеливающего реагента (диоксида хлора) и применения экологически безопасного реагента пероксида водорода, проведены кинетические исследования по определению лимитирующей стадии процесса отбелки этим реагентом;
- для решения проблемы вторичного использования фильтратов отбелки с целью ресурсосбережения, рассмотрена возможность процесса деструкции при озонировании и УФ-облучении, содержащих в них продуктов распада остаточного лигнина.
Актуальность проекта обусловлена необходимостью (распоряжение Правительства России от 10 июня 2010 г № 000) снижения негативного воздействия на окружающую среду, что достигается в данном проекте оптимизацией ступени отбелки пероксидом водорода и эффективностью процессов деструкции органических соединений, содержащихся в фильтратах отбелки, что позволит в перспективе перейти к наилучшим доступным технологиям (НДТ).
Критерии проекта. Эколого-экономические критерии в пользу разработанной технологии характеризуются сравнительной оценкой качественных показателей двух схем (см. в табл. 1).
Критерии оценки | Схема ECF-отбелки: Д0 – Щ1ОП – Д1 – Щ2П – Д2 – К | Предлагаемая схема мягкой ECF-отбелки: H2SO4 – П – Д – Пщ |
Количество ступеней отбелки | 5 | 4 |
Количество ступеней отбелки с диоксидом хлора | 3 | 1 |
Жёсткость после КЩО | 9,0–12,5 | 10,8–11,3 |
Показатель белизны, % | 87–89 | 87,6–88,5 |
Разрывная длина, км | 9,5 | 8,6–9,7 |
Сопротивление раздиранию, гс | не менее 65 | 71–84 |
Вязкость, мл/г | не менее 600 | 790,0–841,3 |
Количество фенолов, кг/сутки | 1,13 | 0,43 |
Объём стоков на биологическую очистку, м3/сутки | 20706 | 16662 |
Табл. 1- Сравнительная оценка качественных показателей двух схем отбелки
Эколого-экономические критерии в пользу разработанной технологии характеризуются сравнительной оценкой качественных показателей двух схем
отбелки: разработанной мягкой ECF- отбелки (патент № 000 «Способ отбелки целлюлозы») и традиционной ECF - отбелкой целлюлозы функционирующей на предприятиях ЦБП, таблица 1.
Социальный критерий, оценивающий воздействие производства на окружающую среду, характеризуется рядом важнейших показателей в пользу разработанной технологии отбелки целлюлозы, поскольку результаты исследования показали существенное сокращение содержания в фильтратах фенолов (вещества 2 класса опасности) и снижение объёма стоков, которые поступают на биологическую очистку (на примере хвойной целлюлозы).
Недостатком технологической схемы отбелки на предприятиях ЦБП является высокий расход диоксида хлора (13-16 кг/т) и пятиступенчатый способ отбелки с использованием диоксида хлора на трех ступенях на хвойном потоке. Поэтому актуальность данной разработки очевидна, поскольку технологическая схема мягкой ECF-отбелки целлюлозы предусматривает минимизацию негативного воздействия на окружающую среду, что обусловлено снижением расхода токсичного отбеливающего реагента - диоксида хлора и его расхода не более 5 кг/т. Схема отбелки: КЩО — H2SO4 — П — Д — Пщ, где К
ЩО - кислородно-щелочная обработка, П - пероксид водорода в щелочной среде в присутствии стабилизатора, Д - диоксид хлора, Пщ - пероксид водорода в щелочной среде.
В ходе выполнения эксперимента проведены кинетические исследования, поскольку для повышения эффективности процесса отбелки целлюлозы необходимо определить лимитирующую стадию, так как интенсификация этого процесса зависит от области протекания стадии. Гетерогенный процесс, описываемый моделью с фронтальным перемещением зоны реакции, можно разделить на пять основных стадий: внешняя диффузия — подвод реагента А к поверхности частицы через пограничную пленку; внутренняя диффузия — проникновение реагента к ядру твердого реагента; химическая реакция на поверхности непрореагировавшего ядра; внутренняя диффузия продуктов через слой золы; внешняя диффузия продуктов в ядро потока. Для анализа глубины делигнификации были использованы образцы лиственной целлюлозы после отбелки по схеме (исходная жесткость 11,4 ед. Каппа). Глубину делигнификации - долю растворенного при обработке лигнина вычисляем по формуле: ГД = (1- D/D0) х 100 %.
Обработка результатов эксперимента по компьютерной программе показала, что вторая - внутридиффузионная стадия является лимитирующей скорость реакции (рис. 1).
Для этой стадии характерна слабая зависимость показателя белизны целлюлозы от температуры. Исследования результатов эксперимента по методу регрессионного анализа показали также, что при 90°С показатель белизны меньше, чем при 80° С.
Рис. 1- Кинетические исследования отбелки лиственной целлюлозы пероксидом водорода
Результаты эксперимента показывают, что при повышении температуры наблюдается уменьшение показателя белизны, поскольку для внутридиффузионной стадии характерно слабое возрастание белизны целлюлозы при повышении температуры.
Для идентификации УФ-спектров применили метод дифференциальной спектрофотометрии при анализе фильтратов 1 и 2 ступени отбелки. Измеряя оптическую плотность исследуемого образца относительно окисленного, получают разность оптической плотности, обусловленную только применяемыми воздействиями (озонирование или УФ-облучение). Как показывают УФ-спектры озонированных фильтратов 2 ступени (щелочная среда) в сочетании с УФ - облучением (1 мин), отсутствует поглощение фенолов в области 235 и 287 нм и существенно снижается поглощения продуктов деструкции остаточного лигнина в области 300-380 нм. Озонирование фильтратов 1 ступени (кислая среда) показывает отсутствие поглощения в области поглощения фенолов при УФ-облучении фильтрата отбелки.
Локальная очистка фильтратов отбелки показывает возможность вторичного использования фильтратов в системе водопользования после их локальной очистки. Возможно, препятствием к внедрению на предприятиях мягкой ECF-отбелки целлюлозы является высокий расход экологически безопасного отбеливающего реагента – пероксида водорода. Однако новый способ получения диоксида хлора по технологии Purate (пюрэйт) предусматривает применение раствора Purate, представляющего собой хлората натрия (40%) и пероксида водорода (7-8%). При сокращении производства диоксида хлора уменьшается и расход пероксида водорода, который целесообразно на производстве использовать в отбельном цехе.
Таким образом, для соответствия наилучшим доступным технологиям (НДТ) студентами СНИЛ СЛИ предусмотрен поэтапный переход к TCF –отбелке целлюлозы: от хлорной к бесхлорной отбелке ECF-отбелке без молекулярного хлора, далее от мягкой ECF-отбелки (патент «Способ отбелки целлюлозы № 000, 2011 год) к полностью свободной от хлорсодержащих реагентов - TCF-отбелке.
