Спосіб електроімпульсної обробки волокнистих матеріалів

Винахід відноситься до технології електроімпульсної обробки в рідкому середовищі волокнистих матеріалів, що містять натуральні і штучні волокна. Ця технологія може бути використана для економічного і практично екологічно нешкідливого видалення переважно целюлозних волокон з довільних за хімічним складом речовин-супутників целюлози, облагороджування віскозного або мідно-аміачного волокна і, за бажанням, для первинної обробки вовни. Тут і далі стосовно до винаходу позначені: а) терміном «волокнисті матеріали» - бавовна, очищена від механічних домішок типу залишків коробочок або грудочок землі; коротке і довге волокно льону і прядива, інші волокнисті рослинні матеріали; віскозне і мідно-аміачне штучне целюлозне волокно і вовна тварин (переважно овець); б) терміном «речовини-супутники целюлози» - лігнін, пектинові речовини, азотисті речовини, пентозани, геміцелюлози й інші рослинні полімерні й олігомерні матеріали з домішками низькомолекулярних речовин, у яких зафіксовані волокна целюлози, що виділяють і очищають як цільовий продукт; в) терміном «рідке середовище» - переважно вода, етанол і водяні або спиртові розчини відбілювальних, омилювальних та інших реагентів, що можуть бути обрані досвідченими фахівцями з доступних на ринку реактивів з урахуванням хімічного складу і фізико-хімічних властивостей одержуваного волокна і/або домішок до волокна; г) терміном «електроімпульсна обробка» - збудження в суспензії волокнистого матеріалу в рідкому середовищі, що знаходиться в замкнутому (не обов'язково герметичному) об'ємі, потужних механічних імпульсів і кавітації з метою: механохімічної деструкції і тонкого диспергування речовин-супутників целюлози або інших домішок (наприклад, жиру й інших забруднювачів вовни), що може супроводжуватися хімічною модифікацією продуктів диспергування під дією придатних реагентів, і/або інтенсифікації хімічної обробки (наприклад, відбілювання або знежирення) відповідно целюлозних волокон чи волокон вовни; д) терміном «модуль обробки» - відношення маси рідини, у якій дисперговані реагенти, до маси сухого волокнистого матеріалу. Відділення целюлозних волокон від речовин-супутників целюлози й очищення вовни тварин від жирових забруднень і механічних домішок для наступної переробки волокнистої сировини у вироби типу вати, пряжі, ниток, тканин і трикотажу довільних видів є метою багатьох великотонажних технологічних процесів. Природно, що такі процеси повинні бути якомога економічнішими з погляду витрат часу, енергії і реагентів і створювати якомога меншу небезпеку для довкілля. Нині цим вимогам явно не відповідають традиційні способи виділення целюлози з деревної сировини шляхом сульфітної і лужної (сульфатної) варки тріски деревини переважно цінних хвойних порід (див. монографію Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. - М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1962, главы XXVII і XXVIII). Тому вже давно почалися спроби створити простіші й дешевші способи і засоби обробки волокновмісної сировини для відділення волокна від супутніх речовин. Уже відомий ряд винаходів такого роду (див. UA Patents 17136А, 17179А, 17283А і 17284А), що відносяться до способів електроімпульсної обробки волокновмісної сировини, і корисна модель (див. UA Patent 1096 і RU Sertificate 19841), що відноситься до потокової лінії виробництва целюлозної вати. В усіх цих документах описана обробка волокновмісної сировини в рідкому (переважно водяному) середовищі, у якому електричними розрядами збуджують потужні ударні імпульси. В експериментах перед подачею заявок на зазначені патенти було виявлено, що механохімічна дія на речовини-супутники целюлози скорочує питомі витрати часу, енергії і реагентів і небезпеку забруднення довкілля. Однак пізніше було експериментально встановлено, що проблема ефективного керування електроімпульсної обробкою не була практично прийнятно вирішена. Дійсно, найближчий до пропонованого способу за технічною суттю відомий спосіб електроімпульсної обробки волокнистих матеріалів у рідкому середовищі (див. UA Patent 17179) включає тільки готування суспензії волокновмісної сировини в придатному за хімічним складом рідкому середовищі; обробку отриманої суспензії щонайменше одним імпульсним електричним розрядом, що пропускають між щонайменше двома електродами, які занурені в рідке середовище; і відділення обробленого волокна від рідкого середовища і побічних продуктів зазначеної обробки. При цьому регульованими (та й то за бажанням) параметрами є лише температура і тиск усередині апарата і ступіньзабруднення рідкого середовища побічними продуктами електроімпульсної обробки, що явно недостатньо для ефективного механохімічного очищення довільних волокнистих матеріалів від речовин-супутників целюлози і/або інших забруднень целюлозних і білкових волокон. В основу винаходу покладена задача зміною режимів створити такий спосіб електроімпульсної обробки волокнистих матеріалів у рідкому середовищі, що дозволяв би одержувати з різної сировини високоочищені целюлозні і білкові волокна для технічних і інших, особливо медичних, потреб. Поставлена задача вирішена тим, що в способі електроімпульсної обробки волокнистих матеріалів, що включає готування суспензії обраного волокнистого матеріалу в придатному за хімічним складом рідкому середовищі, обробку отриманої суспензії щонайменше одним імпульсним електричним розрядом, що пропускають між щонайменше двома електродами, які занурені в рідке середовище, і відділення обробленого волокна від рідкого середовища і побічних продуктів обробки, згідно з винаходом перед обробкою задають питомий електричний опір рідкого середовища не більш 2·1011Ом/м, а об'ємну щільність енергії в імпульсі при обробці задають до 50кдж/л. Зазначені обмеження питомого електричного опору рідкого середовища перед обробкою та інтервал допустимих величин об'ємної щільності енергії в імпульсі дозволяють так підбирати конкретні значення цих параметрів при обробці різноманітних волокнистих матеріалів, що їх очищення від речовин-супутників целюлози або від домішок жиру і бруду стає дуже ефективним і екологічно безпечнішим процесом незалежно від виду рослинної чи тваринної волокновмісної сировини і ступеня її забруднення. Дійсно, при питомому електричному опорі поблизу 2·1011Ом/м і об'ємній щільності енергії в імпульсі більш 10-15кдж/л електроімпульсна обробка суспензії волокнистого матеріалу в рідкому середовищі перебігає переважно під дією ударних хвиль і кавітації, що дозволяє ефективно виділяти целюлозні волокна з інкрустуючих речовин деревини і льону, а в міру зниження питомого електричного опору й об'ємної щільності енергії в імпульсі основний ефект виникає внаслідок регульованої кавітації в суспензії, що дозволяє інтенсифікувати хімічну обробку, наприклад, з метою біління льону чи знежирення вовни. Наведені далі приклади здійснення способу показують можливості такої оптимізації обробки залежно від складу сировини. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що рН рідкого середовища задають від 1,0 до 13,5, що дозволяє «підлаштовувати» режими механохімічної обробки під особливості вихідного хімічного складу волокнистих матеріалів. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що тривалість кожного імпульсного електричного розряду не перевищує 0,1с. При багаторазовій дії електричних імпульсів на волокнисті матеріали в рідкому середовищі на водяній основі це дозволяє настільки послабити електроліз води, що виділення вільних водню і кисню буде практично придушено, а в рідких середовищах, що містять як реагент хлорид натрію, практично непомітною стане поява гіпохлориту натрію. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що рідке середовище перед зануренням у нього волокнистого матеріалу попередньо обробляють щонайменше одним імпульсним електричним розрядом. Це збуджує молекули розчинника (звичайно води) і диспергованих реагентів і, тим самим, сприяє інтенсифікації хімічних процесів. Особливо слід зазначити появу в рідкому середовищі атомів збудженого (синглетного) кисню. Вони виникають або з кисню, що звичайно є присутнім у водяному середовищі або цілеспрямовано введений в нього (у тому числі, у вигляді озону), або з молекул води внаслідок її часткового електролізу при електричних розрядах і супутній їм кавітації. Високий окисний потенціал синглетного кисню дозволяє різко активізувати окисну деструкцію речовин-супутників целюлози і відбілювання очищеного целюлозного волокна. Четверта додаткова відмінність полягає в тому, що волокновмісну сировину обробляють у герметично замкнутому реакторі. Це дозволяє інтенсифікувати очищення переважно целюлозовмісних волокнистих матеріалів від таких міцних речовин-супутників целюлози, як лігнін, і знизити питомі витрати енергії. П'ята додаткова відмінність полягає в тому, що волокнистий матеріал обробляють під тиском більш 0,1МПа. Це полегшує пластифікацію речовин-супутників целюлози (і, особливо, лігніну) і, відповідно, очищення волокнистої сировини від них, що дуже важливо при одержанні деревної целюлози. Шоста додаткова відмінність полягає в тому, що волокновмісну сировину обробляють при температурі вище кімнатної, що сприяє інтенсифікації механохімічної деструкції домішок до волокнистих матеріалів. Сьома додаткова відмінність полягає в тому, що волокнисті матеріали обробляють під залишковим тиском менш 0,1МПа. Це доцільно при бережній механохімічній обробці штучних целюлозних волокон з високим вмістом геміцелюлоз і при селективному видаленні з вихідних волокон лише деяких фракцій речовинсупутників целюлози. Восьма додаткова відмінність полягає в тому, що реагенти вводять у заповнений рідиною реактор разом з волокнистим матеріалом, що підлягає обробці, і диспергують одночасно з обробкою суспензії цього матеріалу електричними розрядами. Це дозволяє сполучити поступове диспергування реагентів з видаленням домішок з волокнистих матеріалів. Дев'ята додаткова відмінність полягає в тому, що відношення маси рідини, у якій дисперговані реагенти, до маси сухого волокнистого матеріалу складає не менш трьох, бо при меншому модулі обробки істотно зростає загасання коливань у суспензії і, відповідно, знижуються продуктивність і якість електроімпульсної обробки волокнистих матеріалів. Далі суть винаходу пояснюється схематичним кресленням експериментального реактора періодичної дії (у поздовжньому розрізі) і прикладами здійснення способу. Найкращі варіанти здійснення винаходу Реактор робочим об'ємом 10л (див. Фіг.) має: корпус 1 з нержавіючої сталі марки 12Х18Н10Т, що має циліндричну обичайку з конусоподібними верхньою і нижньою частинами і служить одним з електродів; кришку 2 з того ж матеріалу, приєднану до фланця корпуса 1; ізольований по периметру центральний електрод 3, що має звернений до донної частини корпуса 1 електропровідний виступ і герметично встановлений у кришці 2 з можливістю регулювального зворотнопоступального переміщення; штуцер 4, який закріплений у кришці 2 і призначений для видалення газів, що виділяються під час електроімпульсної обробки, у атмосферу або для вакуумування порожнини корпуса 1; запірно-регулюючий елемент 5, що установлений на штуцері 4, і гідравлічний затвор 6, що установлений на продовженні штуцера 4 після запірно-регулюючого елемента 5 і відкритий в атмосферу. В експериментах реактор був підключений до не показаного особливо імпульсного розрядника на основі конденсаторної батареї з регульованою ємністю від 2 до 100мкФ зі звичайними відомими фахівцям засобами регулювання частоти і потужності імпульсів. Запропонований спосіб був перевірений при обробці різних волокнистих матеріалів. Тому приклади зведені в шість груп, а саме: (1) одержання целюлозної медичної гігроскопічної вати; (2) одержання целюлози з деревини; (3) одержання целюлози з бавовняного линту, льону і прядива; (4) одержання котоніну, тобто продуктів з лубоволокнистої сировини з такими властивостями, що характерні для бавовняного текстильного волокна; (5) первинна обробка вовни і (6) промивання волокнистих матеріалів. Електроімпульсна обробка у всіх прикладах включала такі операції: а) підготовка обраної волокнистої сировини до електроімпульсної обробки по стандартних технологіях, наприклад: очищення бавовни від залишків коробочок і грудочок землі, чесання льону-сирцю або коноплі з видаленням костриці і т.п.; б) готування суспензії обраного волокнистого матеріалу в (звичайно водяному) розчині реагентів, призначення, склад і концентрації яких зазначені в прикладах; в) завдання питомого електричного опору рідкого середовища на рівні не більш 2·1011Ом/м, що об'єднують, як правило, з операцією (а); г) обробка отриманої суспензії щонайменше одним імпульсним електричним розрядом між центральним електродом 3 і корпусом 1 реактора з об'ємною щільністю енергії в імпульсі не більш 50кдж/л (а звичайно від 0,1 до 50кдж/л); д) відмивання волокна від залишків реагентів і побічних продуктів електроімпульсної обробки, сушіння відмитого волокна до допустимої залишкової вологості і, за необхідністю, розчісування висушеного волокна; є) аналіз отриманих продуктів відповідно до стандартних вимог щодо якості їх аналогів за призначенням. Конкретні режими виконання цього способу з урахуванням виду волокнистої сировини і складу домішок зазначені далі в прикладах усередині таблиць. 1. Приклади одержання целюлозної медичної гігроскопічної вати Для перевірки ефективності способу згідно з винаходом були виготовлені дослідні партії медичної гігроскопічної вати з традиційної бавовняної і нетрадиційної лляної і прядив'яної сировини (див. таблицю Т1.1). Електроімпульсну обробку проводили в два етапи у герметичному і негерметичному реакторі. Початкова температура суспензії у всіх випадках була близько 20°С. Зміни температури в негерметичному реакторі не контролювали, а в герметичному реакторі вона наприкінці обробки не перевищувала 130°С. Тиск у негерметичному реакторі був близький до атмосферного, а в герметичному реакторі наприкінці обробки не перевищував 0,3МПа. Склад і концентрації реагентів наведені в таблиці Т1.2, а режими обробки - у таблиці Т1.3. У ряді прикладів як відбілювальний реагент використовували озон, концентрація якого в повітрі після виходу з озонатора була близько 24г/м3. Витрата 100%-ного озону при обробці складала 5л/хв. Повітряноозонову суміш після озонатора диспергували в суспензії усередині реактора у вигляді дрібних пухирців. Результати оцінки якості отриманої целюлозної медичної гігроскопічної вати за загальноприйнятими показниками наведені в таблиці Т1.4. Таблиця Т1.1 Типи і види волокнистої сировини в прикладах першої групи Номера прикладів 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 Типи і види сировини Бавовна(3-й сорт) Бавовна(1-й сорт) Бавовна(1-й сорт) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно прядива (№4) Коротке волокно прядива (№4) Коротке волокно прядива (№4) Коротке волокно прядива (№4) Таблиця Т1.2 Реагенти, що використані в прикладах першої групи Приклади 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Етапи обробки 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 Реагенти та їх концентрація в суспензії їдкий натр (92 %) Сульфанол Метасилікат натрію Н2О2 (30%) 6,0 0,5 5,0 0,5 4,0 4,0 5,0 0,5 4,0 4,0 6,0 0,5 5,0 0,5 4,0 4,0 6,0 0,5 Сірчана кислота 1,0 1,0 1,0 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 5,0 5,0 1,5 6,0 5,0 5,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Таблиця Т1.3 Режими обробки сировини в прикладах першої групи Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Час, хв Приклади 1.2 1.3 1.4 Значення параметрів по етапах 1(1) 2(1) 1(2)(4) 2(1) 1(1)(3) 1(2) 2(1) 2,5 2,5 5,0 2,5 2,5 5,0 2,5 0,5 0,5 1,0 0,5 1,0 1,0 0,5 Менш 108 4,6·1010 Менш 108 Менш 108 12,5 12,5 12,5 12,5 1,5 12,5 12,5 10-5 10-5 10-5 10-5 105 10-5 105 2 4 1 2 10 2 4 15 20 15 18 15 15 15 12 15 10 15 8 12 15 1.1 Таблиця Т1.3 (продовження) Регульовані параметри Енергія одиничного Розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв Приклади 1.6 1.7 1.8 Значення параметрів по етапах 1(1) 2(1)(3) 1(1)(3) 1(1) 2(1)(3) 1(1) 2(1)(3) 2,5 1.0 5 5,0 1,0 2,5 0,1 0,5 0,2 1,0 1,0 0,2 0,5 0,05 Менш 108 Менш 108 12,5 1,5 12,0 12,5 1,5 12,5 12,0 10-5 10-5 10-5 10-5 10-5 10-5 10-6 4 10 2 1 10 4 100 15 20 18 15 15 15 15 10 10 10 10 12 10 15 1.5 Таблиця Т1.3 (закінчення) Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв Приклади 1.10 1.11 1.12 Значення параметрів по етапах 1(1) 2(1)(3) 1(1)(4) 2(1)(3) 1(1)(3) 1(1) 2(1)(3) 2,5 2,5 5 0,2 5,0 10,0 2,5 0,5 0,4 1,0 0,04 1,0 2,0 0,5 Менш 108 4,6·1010 Менш 108 Менш 108 12,5 12 12,5 12 12,5 12,5 1,5 10-5 10-5 10-5 10-5 10-5 10-5 10-5 4 10 2 100 4 1 4 18 20 15 20 15 18 20 15 15 10 18 10 10 15 1.9 Зауваження:(1) - обробка в герметичному реакторі. - обробка в негерметичному реакторі (3) - додаткова обробка озоном. (4) - обробка в чистій воді. (2) Таблиця Т1.4 Показники якості медичної гігроскопічної вати Контрольовані показники 1. Нерозчесані скупчення волокон-вузликів, % мас. 2. Короткі волокна (менш 5 мій) і пил, % мас. 3. Забрудненість, %, не більш 4. Сторонні домішки 5. Зольність, %, не більш 6. Жирові і воскоподібні речовини, % мас, не більш 7. Вологість, % мас, не більш 8. Поглинальна здатність (для води), г, не менш. 9. Капілярність, мм, не менш 10. рН водної витяжки 11. Хлориди, % мас, 12. Сульфіди, % мас, 13. Солі кальцію, % мас, 14. Відновники 15. Білизна, %, 16. Запах Значення показників (по прикладах) 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1,4 1,9 2,0 Немає 0,12 0,1 0,1 0,1 0,1 0,05 0,25 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Немає 0,3 0,2 0,2 0,25 0,25 0,2 0,2 0,15 0,15 0,1 0,1 0,1 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 21,5 21 22,0 21,5 24,0 23,0 71 70 70 більше 85 7,0 не більше 0,04 не більше 0,02 не більше 0,06 сліди не менше 81 немає Таблиця Т1.4 (закінчення) Контрольовані показники 1. Нерозчесані скупчення волокон-вузликів, % мас 2. Короткі волокна (менш 5 мм) і пил, % мас 3. Забрудненість, %, не більш 4. Сторонні домішки 5. Зольність, %, не більш 6. Жирові і воскоподібні речовини, % мас, не більш 7. Вологість, %, 8. Поглинальна здатність (для води), г, не менш. 9. Капілярність, мм 10. рН водної витяжки 11. Хлориди, % мас. 12. Сульфіди, % мас. 13. Соли кальцію, % мас. 14. Відновники 15. Білизна, %, не менш 16. Запах Значення показників (по прикладах) 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. Немає 0,15 0,1 0,2 0,15 0,1 0,2 0,15 0,1 0,3 0,25 0,25 0,2 Немає 0,3 0,25 1 0,3 0,25 0,24 0,3 0,15 0,1 0,2 0,1 не більш 8,0 24,0 24,3 22,5 21,5 21,0 20,5 більш 85 7,0 не більш 0,04 не більш 0,02 не більш 0,06 сліди 72 81 немає З таблиці Т1.4 ясно видно, що медична гігроскопічна вата, виготовлена способом згідно з винаходом з нетрадиційної лляної і прядив'яної сировини, не гірша, а по деяких показниках (зольність, вміст жирових і воскоподібних речовин, білизна) краща за якістю вати з традиційної бавовняної сировини. 2. Приклади одержання целюлози з деревини Для перевірки ефективності способу згідно з винаходом були виготовлені дослідні партії целюлози зі стандартної тріски осикової деревини. Електроімпульсну обробку тріски проводили як у герметичному, так і в негерметичному реакторі триразово з промивкою волокнистої маси після 1-ого і 2-го етапу і уведенням свіжих реагентів, склад і концентрації яких звичайно змінювали від етапу до етапу. Початкова температура суспензії завжди була близько 20°С. Зміни температури в негерметичному реакторі не контролювали, а в герметичному реакторі вона наприкінці обробки не перевищувала 150°С. Тиск у негерметичному реакторі був близький до атмосферного, а в герметичному реакторі наприкінці обробки не перевищував 0,5МПа. У ряді прикладів так само, як описано вище, для відбілювання використовували озон. В деяких прикладах основою рідкого середовища служив 96%-ний етиловий спирт з питомим електричним опором 1,5·1011Ом/м. Склад і концентрації реагентів наведені в таблиці Т2.1, а режими обробки - у таблиці Т2.2. Результати оцінки якості отриманої деревної целюлози по загальноприйнятих показниках наведені в таблиці Т2.3. Таблиця Т2.1 Реагенти, що використані в прикладах другої групи Приклади 2.1 Етапи обробки Їдкий натр (92%) 1 2 10,0 2,0 Реагенти та їх концентрація в суспензії Метасилікат Na2S Гіпохлорит натрію Н2О2 (30%) натрію 2,5 10,0 Сірчана кислота 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 2,0 10,0 2,0 5,0 10,0 2,0 10,0 5,0 5,0 10,0 5,0 1,5 2,5 2,5 2,5 2,5 10,0 10,0 10,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 1,0 1,0 1,0 Таблиця Т2.2 Режими обробки сировини в прикладах другої групи Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН рідини Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 1(1) 5 1 12,5 10-5 1 8 15 Приклад 2.1 Приклад 2.2 Значення параметрів по етапах 2(1) 3(1) 1(1) 2(1) 5 5 5 5 1 1 1 1 Менш 108 12,5 12,5 12,5 12,5 10-5 10-5 10-5 10-5 1 1 2 2 10 12 5 12 15 15 15 15 3(1) 2,5 0,5 12,5 10-5 4 15 15 Таблиця Т2.2 (продовження) Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН рідини Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 1(1) 5 1 12,5 10-5 2 8 15 Приклад 2.3 Приклад 2.4 Значення параметрів по етапах 2(1) 3(2)(3) 1(1) 2(1) 2,5 0,1 5 2,5 0,5 0,05 1 0,5 Менш 108 12,5 1,5 12,5 12,5 10-5 10-5 10-5 10-5 4 100 2 2 12 20 4 8 15 25 15 10 3(1) 2,5 0,5 12,5 10-5 4 15 10 Таблиця Т2.2 (закінчення) Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН рідини Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв Приклад 2.5 Значення параметрів по етапах 1(1) 2(1)(3) 3(1)(3) 2,5 2,5 2,5 0,5 0,5 0,5 Менш 108 12,5 12,5 1,5 10-5 10-5 10-5 2 2 4 3 15 20 15 15 15 Зауваження: (1) - обробка в герметичному реакторі. - обробка в негерметичному реакторі. (3) - додаткова обробка озоном. (4) - розчин для варки на основ і 96 %-ного етанолу. (2) Таблиця Т2.3 Приклад 2.6 Значення параметрів по етапах 1(1)(4) 2(1)(3) 3(1)(3) 5 2,5 2,5 1 0,5 0,5 1,5·1011 Менш 108 12,5 1,5 12,0 10-5 10-5 10-5 1 2 2 8 18 15 10 15 15 Результати аналізу деревної целюлози Номери прикладів 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Концентрація целюлози в продукті, % 98,3 97,8 97,3 97,5 97,2 98,8 Як явно видно з таблиць, спосіб згідно з винаходом в кожному з наведених прикладів дозволяє одержувати деревну целюлозу зі ступенем очищення не гірше 97% у технологічному циклі тривалістю не більш 45 хвилин. Якщо ж, як у прикладі 2.6, тріску і волокнисту масу електроімпульсно обробляють тільки в герметичному реакторі з застосуванням на першому етапі етилового спирту як основи робочої суспензії, то на другому і третьому етапах для одержання високочистої целюлози досить застосувати озон і мізерні дози сірчаної кислоти і їдкого натру. Природно, що такий варіант процесу екологічно найбезпечніший. 3. Приклади одержання целюлози з бавовняного линту, льону і прядива Для перевірки ефективності способу згідно з винаходом були виготовлені дослідні партії целюлози з бавовняного линту і таких лубоволокнистих матеріалів, як льон і прядиво (див. таблицю Т3.1). Зазначену сировину електроімпульсно обробляли дворазово з промивкою і заміною реагентів після першого етапу. В іншому процес перебігав, як описано вище для прикладів другої групи. У ряді прикладів так само, як описано вище, відбілювачем був озон. Склад і концентрації реагентів наведені в таблиці Т3.2, а режими обробки - у таблиці Т3.3. Результати оцінки якості отриманої целюлози по загальноприйнятих показниках наведені в таблиці Т3.4. Таблиця Т3.1 Типи і види волокнистого сировини в прикладах третій групи Номера прикладів 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Типи і види сировини Бавовна(5-й сорт) Бавовна (5-й сорт) Бавовна (5-й сорт) Бавовняний линт (2-й сорт 3-й тип) Бавовняний линт (2-й сорт 3-й тип) Бавовняний линт (2-й сорт 3-й тип) Коротке волокно льону (4-й номер) Коротке волокно льону (4-й номер) Коротке волокно льону (4-й номер) Коротке волокно льону (4-й номер) Коротке волокно прядива (4-й номер) Коротке волокно прядива (4-й номер) Таблиця Т3.2 Реагенти, що використані в прикладах третій групи Приклади 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Реагенти та їх концентрація в суспензії Етапи Сірчана обробкиЇдкий натр (92%)СульфанолГіпохлорит натрію Н2О2 (30%) Метасилікат натрію кислота 1 4,0 0,5 2 2,0 5,0 1 4,0 0,5 2 5,0 0,5 4,0 4,0 1 4,0 0,5 2 1,0 1 4,0 0,5 2 2,0 5,0 1 2,0 5,0 2 1,0 1 2,0 5,0 2 1,5 1 6,0 0,5 2 2,0 5,0 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 6,0 5,0 6,0 1,5 2,0 1,5 6,0 1,5 2,0 0,5 0,5 0,5 0,5 5,0 5,0 4,0 4,0 1,0 Таблиця Т3.3 Режими обробки сировини в прикладах третьої групи 3.1 Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 1(1) 5,0 1,0 12,5 10-5 1 15 10 Приклади 3.2 Значення параметрів по етапах 2(1) 1(1) 2(1) 1(1) 2,5 5,0 2,5 5,0 0,5 1,0 0,5 1,0 Менш 108 12,5 12,5 12,5 12,5 10-5 10-5 10-5 10-5 2 1 2 1 18 18 18 15 15 12 15 8 3.3 2(2)(3) 0,1 0,01 1,5 10-6 100 22 20 Таблиця Т3.3 (продовження) 3.4 Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об’ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 1(2) 5,0 1,0 12,5 10-5 2 15 10 Приклади 3.5 Значення параметрів по етапах 2(1) 1(1) 2(1)(3) 1(1) 2,5 2,5 1,0 5 0,5 0,5 0,2 1,0 Менш 108 12,5 12,5 1,5 12,5 10-5 10-5 10-5 10-5 4 4 10 2 15 15 20 18 12 10 10 10 3.6 2(1)(3) 0,1 0,02 12 10-6 100 22 15 Таблиця Т3.3 (продовження) Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 1(2) 5,0 1,0 2(1) 5,0 1,0 12,5 10-5 1 15 10 12,5 10-5 2 20 12 Приклади 3.7 | 3.8 Значення параметрів по етапах 1(1) 2(1) 1 10,0 2,5 2,5 2,0 0,5 0,5 Менш 108 12,5 12,5 12,5 10-5 10-5 10-5 1 4 4 18 20 18 10 15 15 3.9 2(1)(3) 2 0,4 12 10-5 10 20 15 Таблиця Т3.3 (закінчення) 3.10 Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м 1 5 1,0 Приклади 3.11 Значення параметрів по етапах 2(1)(3) 1 1(2)(3) 1 0,2 5,0 5,0 10,0 0,04 1,0 1,0 2,0 Менш 108 3.12 1(2)(3) 2,5 0,5 Вихідний рН Тривалість розряду. с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 12,5 10-5 2 15 10 12 10-6 100 20 18 12,5 10-5 1 15 10 12,5 10-5 2 20 15 12,5 10-5 1 18 10 1,5 10-5 4 20 15 Зауваження:(1) - обробка в герметичному реакторі. - обробка в негерметичному реакторі. (3) - додаткова обробка озоном. (2) Таблиця Т3.4 Показники якості целюлози в прикладах третій групи Показники 1. Зовнішній вигляд 2. Альфа-целюлоза, % мас. 3. Змочуваність, г, не менш 4. Вологість, % мас, не більш 5. Зольність, % мас, не більш 6. Залишок, нерозчинний в сірчаній кислоті, % мас, не більш 7. Волокнистий пил, % мас, не більш 8. Білизна, %, не Менш 9. Домішка заліза, мг/кг 10. Динамічна в'язкість, сПа·с Значення показників по прикладах 3.1 3.2 3.3 3.4 Пухка біла маса без сторонніх включень і нецелюлозних домішок 97,6 97,2 98,3 96,5 150 145 150 140 8,0 8,0 8,0 8,0 0,1 0,13 0,12 0,1 0,10 0,10 0,10 0,12 1,5 1,5 1,5 2,0 88 85 88 88 25 25 25 25 12,8 16,3 13,6 14,1 Таблиця Т3.4 (продовження) Показники 1. Зовнішній вигляд 2. Альфа-целюлоза, % мас. 3. Змочуваність, г, не менш 4. Вологість, % мас, не більш 5. Зольність, % мас, не більш 6. Залишок, нерозчинний в сірчаній кислоті, % мас, не більш 7. Волокнистий пил, % мас, не більш 8. Білизна, %, не менш 9. Домішка заліза, мг/кг 10. Динамічна в'язкість, сПа·с Значення показників по прикладах 3.5 3.6 3.7 3.8 Пухка біла маса без сторонніх включень і нецелюлозних домішок 97,1 98,1 97,2 96,8 150 155 160 160 8,0 8,0 8,0 8,0 0,1 0,1 0,15 0,17 0,12 0,10 0,10 0,11 2,0 2,0 1,5 1,5 86 88 88 87 25 25 25 2525 15,6 6,3 12,8 14,2 Таблиця Т3.4 (закінчення) Показники 1. Зовнішній вигляд 2. Альфа-целюлоза, % мас. 3. Змочуваність, г, не менш 4. Вологість, % мас, не більш 5. Зольність, % мас, не більш 6. Залишок, нерозчинний в сірчаній кислоті, % мас, не більш 7. Волокнистий пил, % мас, не більш 8. Білизна, %, не менш 9. Домішка заліза, мг/кг 10. Динамічна в'язкість, сПа·с Значення показників по прикладах 3.9 3.10 3.11 3.12 Пухка біла маса без сторонніх включень і нецелюлозних домішок 98,1 98,6 97,1 96,8 160 160 150 150 8,0 8,0 8,0 8,0 0,1 0,10 0,12 0,17 0,16 2,0 2,0 1,5 1,5 88 86 88 87 25 25 25 25 16,3 15,6 12,8 14,2 Як видно з таблиць, спосіб згідно з винаходом при дворазовій імпульсній обробці сумарною тривалістю не більш 30 хвилин дозволяє навіть з прядива одержати високоочищений цільовий продукт, що містить близько 97% альфа-целюлози і не більш 0,17% домішок, нерозчинних у концентрованій сірчаній кислоті. Важливо відзначити, що показники динамічної в'язкості, які були визначені на стандартних мідно-аміачних розчинах усіх повітряно-сухих целевих продуктів, вказують на можливість їх переробки в штучний шовк. Тим самим може бути істотно розширена сировинна база відповідних підприємств. 4. Приклади одержання котоніну Для перевірки ефективності способу згідно з винаходом були виготовлені зразки котоніну з лубоволокнистої сировини типу льону і прядива (див. таблицю Т4.1). Електроімпульсну обробку льону і прядива проводили в один етап, оскільки хімічна чистота одержуваної з них текстильної сировини (на відміну від сировини для мідно-аміачного процесу одержання штучного шовку) не має істотного значення. В іншому процес перебігав, як описано вище для прикладів першої групи. У ряді прикладів так само, як описано вище, для відбілювання використовували озон. Склад і концентрації реагентів наведені в таблиці Т4.2, режими обробки - у таблиці Т4.3, а результати оцінки якості отриманого котоніну - у таблиці Т4.4. Таблиця Т4.1 Типи і види волокнистої сировини в прикладах четвертої групи Номери прикладів 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 Типи і види сировини Довге волокно льону (№10) Довге волокно льону (№10) Довге волокно льону (№10) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Коротке волокно льону (№4) Довге волокно прядива (№8) Довге волокно прядива (№8) Довге волокно прядива (№8) Коротке волокно прядива (№4) Коротке волокно прядива (№4) Коротке волокно прядива (№4) Таблиця Т4.2 Реагенти, що використані в прикладах четвертої групи Реагенти та їх концентрація в суспензії Приклади 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 Їдкий натр (92%) 1,0 2,0 2,0 2,0 4,0 2,0 2,0 2,0 2,0 0,5 Барватекс-10 Сульфанол 0,5 0,5 0,4 0,4 L0-5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,4 Сода Гіпохлорит Н2О2 Метасилікат Сірчана Карбамид (карбонат натрію (30%) натрію кислота натрію) 6,0 1,0 1,5 2,0 6,0 2,5 3,0 1,0 2,0 2,0 2,0 6,0 1,5 2,0 1,0 2,0 2,0 2,0 Таблиця Т4.3 Режими обробки сировини Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 4.1(1) 5 1 12,5 10-5 2 18 15 4.2(1) 4.3(2)(3) 5 2,5 1 0,5 Менш 108 12,5 1,5 10-5 10-5 2 4 18 20 12 10 Приклади 4.4(1)(4) 4.5(1) 10 5 2 1 4,6·1010 7 12,5 10-5 10-4 1 2 20 18 20 10 4.6(1) 4.7(1) 5 2,5 1 0,5 Менш 108 12,0 12,5 10-5 10-5 1 2 15 15 10 15 Таблиця Т4.3 (закінчення) Регульовані параметри Енергія одиничного розряду, кДж Об'ємна щільність енергії, кДж/л Питомий опір, Ом/м Вихідний рН Тривалість розряду, с Частота розрядів, Гц Модуль обробки Тривалість обробки, хв 4.8(2)(3)(4) 5 1 4,6·1010 12,5 10-5 2 18 15 4.9(1) 5 1 4.10(2)(3) 2,5 0,5 12,5 10-5 2 18 12 1,5 10-5 4 20 10 Приклади 4.11(1) 4.12(1) 10 5 2 1 Менш 108 7 12,5 10-5 10-4 1 2 20 18 20 10 4.13(1) 5 1 4.14(1)(З) 2,5 0,5 12,0 10-5 1 15 10 12,5 10-5 2 15 15 Зауваження:(1) - обробка в герметичному реакторі. - обробка в негерметичному реакторі. (3) - додаткова обробка озоном. (4) - обробка в чистій воді (2) Таблиця Т4.4 Вміст деяких хімічних речовин (%) у повітряно-сухій масі Вид сировини и Вміст інкрустуюючих речовин, % спосіб обробки Пектинові речовини Лігнін Вихідний волокнистий матеріал Льон 5,5 4,2 Прядиво 7,1 6,5 Цільовий продукт Приклад 4.1 1,4 1,6 Приклад 4.2 0,7 0,9 Приклад 4.3 0,6 0,8 Приклад 4.4 1,9 2,1 Приклад 4.5 1,6 1,9 Приклад 4.6 0,9 1,2 Приклад 4.7 0,6 0,7 Приклад 4.8 0,7 0,9 Приклад 4.9 2,8 3,1 Приклад 4.10 1,8 2,0 Приклад 4.11 1,3 1,4 Приклад 4.12 1,6 1,8 Приклад 4.13 1,5 1,6 Приклад 4.14 1,4 1,7 Навіть однократна обробка льону і прядива способом згідно з винаходом дозволяє, як видно з таблиці Т4.4, помітно знизити зміст у цільовому продукті таких речовин-супутників целюлози у лубоволокнистих матеріалах, як пектини (у 3-4 рази) і лігнін (більш ніж удвічі). Мало того, залишок лігніну присутній у цільових продуктах в істотно деградованому по ступені полімеризації виді. Про це свідчить зовнішній вигляд біленого котоніну, який для фахівців-прядильників близький до зовнішнього вигляду довговолокнистої бавовни. 5. Приклади первинної обробки (мийки) вовни Експерименти з триразової електроімпульсної мийки напівтонкої овечої вовни в негерметичному реакторі були виконані за однакових у всіх випадках модулях обробки 20, початковій температурі суспензії близько 20°С і кінцевій температурі близько 30°С. Склад і концентрації реагентів для кожного з трьох етапів обробки наведені в таблиці Т5.1, а режими обробки - у таблиці Т5.2. Результати оцінки якості митої вовни по залишковому вмісту жиру наведені в таблиці Т5.3. Таблиця Т5.1 Реагенти, що використані в прикладах п’ятої групи Етапи обробки 1 2 Миючий засіб Мило (100% жирних кислот) Кальцинована сода Мило (100% жирних Концентрація, % мас. 1,0±0,3 2,0±0,3 1,4±0,3 кислот) Кальцинована сода Мило (100% жирних кислот) Кальцинована сода 3 1,2±0,2 1,2±0,3 0,5±0,1 Таблиця Т5.2 Режими обробки в прикладах п’ятої групи Приклади 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Регульовані параметри Номери Енергія одиничного Об'ємна щільність Тривалість етапів РН розряду, кДж енергії, кДж/л розряду, с 1-й 5 1 9,5 10-5 2-й 5 1 9,0 10-5 3-й 5 1 8,5 10-5 1-й 5 1 9,5 10-5 2-й 2,5 0,5 9,0 10-5 3-й 2,5 0,5 8,5 10-5 1-й 5 1 9,5 10-5 2-й 2,5 0,5 9,0 10-5 3-й 0,1 0,05 8,5 10-5 1-й 5 1 8,0 10-5 2-й 2,5 0,5 8,5 10-5 3-й 2,5 0,5 8,0 10-5 1-й 2,5 0,5 9,5 10-5 2-й 2,5 0,5 7,0 10-5 3-й 2,5 0,5 7,0 10-5 1-й 10 2 7,0 10-5 2-й 5 1 9,0 10-5 3-й 5 1 8,5 10-5 Частота розрядів, Гц 2 2 2 2 4 4 2 4 100 2 4 4 4 4 4 1 2 2 Тривалість етапу, хв 10 10 10 5 10 10 5 5 15 5 10 10 5 15 15 10 10 10 Таблиця Т5.3 Показники якості митої вовни Номери прикладів 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Домішка жиру, % мас. 0,8 0,85 0,8 0,9 1,0 0,95 Як видно з таблиць, спосіб згідно з винаходом забезпечує високопродуктивну мийку вовни до залишкового змісту жиру не більш 1% по масі. 6. Приклади промивки волокнистих продуктів Для експериментів з електроімпульсної активації промивки в негерметичному реакторі були взяти три зразки біленого льону з сорбованими на волокні домішками хлориду натрію і солей жорсткості, які залишилися від попереднього біління з застосуванням водопровідної води. Склад і вихідні концентрації солей наведені в таблиці Т6.1, а режими обробки - в таблиці Т6.2. У всіх випадках температура суспензії була близько 20°С, а модуль обробки дорівнював 20. Результати аналізу промитих продуктів наведені в таблиці Т6.3. Таблиця Т6.1 Концентрація домішок в біленому волокні льону до промивки Номер Концентрація домішок в Склад домішки зразка волокні, % мас. 1 Хлорид натрію 1,8 2 Сульфат магнію 1,4 3 Сульфат кальцію 1,6 Таблиця Т6.2 Режими обробки в прикладах шостої групи Приклади 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 Номери Енергія розряду, зразків кДж 1 2,5 1 5 1 0,1 2 2,5 2 5 2 0,1 3 2,5 3 5 3 0,1 Регульовані параметри Об'ємна щільність Тривалість Частота енергії, кДж/л розряду, с розрядів, ґц 0,5 10-5 2 1,0 10-5 1 0,02 10-6 100 0,5 10-5 1 1,0 10-5 2 0,02 10-6 100 0,5 10-5 1 1,0 10-5 2 0,02 10-6 100 Тривалість обробки, хв 5 5 5 5 5 5 5 5 5 Таблиця Т6.3 Концентрація домішок в промитому біленому волокні льону Приклад обробки 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 Концентрація домішок у волокні, % мас. Склад домішки До Після промивки промивки Хлорид натрію 1,8 0,12 Сульфат магнію 1,8 0,1 Сульфат кальцію 1,8 0,09 Хлорид натрію 1,4 0,09 Сульфат магнію 1,4 0,08 Сульфат кальцію 1,4 0,07 Хлорид натрію 1,6 0,1 Сульфат магнію 1,6 0,09 Сульфат кальцію 1,6 0,08 Як видно з таблиць, електроімпульсна активація промивання дозволяє щонайменше на порядок знизити концентрацію домішок у біленому волокні льону. Промислова придатність Спосіб згідно з винаходом в порівнянні з традиційними процесами може забезпечити одержання високоякісно очищеного целюлозного волокна з довільної рослинної сировини з істотним зниженням питомих витрат часу, реагентів і енергії і зменшенням небезпеки для навколишньої природного середовища. Для здійснення способу можуть бути використані доступні на ринку ємнісні хімічні апарати, які додатково оснащені імпульсними розрядниками і джерелами струму для них на основі також загальнодоступних конденсаторних батарей.