Применение озонатора в отбеливании целлюлозы

1. Введение

Бумажная промышленность является фундаментальной и стратегически важной отраслью, тесно связанной с национальным экономическим развитием и жизнью людей. Однако традиционные процессы отбелки целлюлозы с использованием хлора образуют сточные воды, содержащие стойкие и токсичные загрязнители, такие как адсорбируемые органические галогены (АОГ) и диоксины, что вызывает серьезное загрязнение окружающей среды. В связи с ужесточением экологических норм и национальной политикой, направленной на энергосбережение, сокращение выбросов и зеленое низкоуглеродное развитие, технологии отбелки без элементарного хлора (ECF) и полностью без хлора (TCF) получили широкое распространение. Среди них озоновая отбелка привлекает все больше внимания в целлюлозно-бумажной промышленности благодаря короткому технологическому процессу, высокой скорости реакции, низкой стоимости отбелки и малому объему сброса сточных вод.

2. Свойства озона и механизм отбелки

Озон (O₃) является мощным окислителем с окислительным потенциалом 2,07 эВ, что значительно выше, чем у хлора (1,36 эВ) и диоксида хлора (1,5 эВ). В целлюлозно-бумажной промышленности озон обычно получают на месте из кислорода с использованием электрической энергиичерез озонаторс концентрацией озона около 8–14% по объёму. Производство 1 кг озона потребляет примерно 12,24 кВт·ч электроэнергии, что сопоставимо с энергозатратами и стоимостью производства диоксида хлора.

При отбелке целлюлозы озон реагирует с лигнином, разрушая углерод-углеродные связи в ароматических кольцах как фенольных, так и нефенольных структур лигнина. Это окислительное разложение лигнина обеспечивает обесцвечивание и отбелку целлюлозы.

3. Преимущества озоновой отбелки

Озоновая отбелка даёт несколько значительных преимуществ:

1. Экологичность – полностью бесхлорный процесс (TCF)
   Сточные воды озонового отбеливания не содержат адсорбируемых органических галогенов (АОГ), что делает их гораздо более экологически безопасными. По сравнению с традиционным хлорным отбеливанием, озоновое отбеливание не образует хлорированных органических соединений.

2. Отличные показатели отбеливания и высокая белизна целлюлозы
   Как сильный окислитель, озон обладает высокой реакционной способностью. Практический опыт на зарубежных предприятиях показывает, что при озоновом отбеливании белизна целлюлозы легко достигает 93% ISO. Исследования сообщают, что в условиях концентрации целлюлозы 40% и дозировки озона 0,9 кг/(мин·т) белизна багассовой кислородно-щелочной целлюлозы может быть повышена с 58,6% до 74,5% ISO.

3. Снижение затрат на отбеливание
   Исследования показывают, что 1 кг озона обладает отбеливающей способностью, эквивалентной 2–3 кг диоксида хлора, при этом себестоимость производства 1 кг озона примерно равна себестоимости 1 кг диоксида хлора. Таким образом, озоновое отбеливание позволяет эффективно снизить общие затраты на отбеливание.

4. Снижение объема сброса сточных вод и уменьшение нагрузки загрязнения
   Фильтрат из стадии озоновой отбелки не содержит хлорид-ионов и не вызывает коррозии. Он имеет низкое содержание хлора и может быть переработан после обработки. При озоновой отбелке сброс сточных вод на тонну целлюлозы может быть снижен до менее 10 м³ и даже до 5 м³. Содержание AOX и ХПК в отбельных стоках значительно снижается.

5. Энергосбережение и быстрая реакция
   Озоновая отбелка проводится при низких температурах и, как правило, не требует пропаривания целлюлозы, что экономит расход пара. Среди всех отбеливающих реагентов для целлюлозы озон обладает наибольшей реакционной способностью и самым коротким временем реакции, поэтому отбельный реактор может быть очень компактным, что существенно снижает капитальные затраты.

6. Снижение обратного пожелтения и улучшение работы бумагоделательной машины
   Озоновая отбелка значительно снижает склонность целлюлозы к обратному пожелтению (пожелтению) и уменьшает содержание экстрактивных веществ в целлюлозе на 50–75%, что способствует улучшению работы бумагоделательной машины.

4. Проблемы и решения при озоновом отбеливании

Несмотря на свои преимущества, озоновое отбеливание сталкивается с определенными проблемами. Основная проблема заключается в том, что озон является неселективным окислителем – реагируя с лигнином, он также может разрушать углеводы (целлюлозу и гемицеллюлозу), что приводит к снижению вязкости целлюлозы и ухудшению прочностных свойств.

Благодаря долгосрочным исследованиям процесса эту проблему можно эффективно смягчить с помощью следующих мер: контроль дозировки озона, регулировка времени реакции и добавление защитных агентов (например, щавелевой кислоты). Исследования показали, что при температуре отбеливания 10°C, концентрации озона 80 г/Нм³ и дозировке щавелевой кислоты 1,0% эвкалиптовая целлюлоза может достичь белизны 72,8% ISO с вязкостью 678 мл/г, а полученная бумага имеет индекс растяжения 78,9 Н·м/г, при этом все физические свойства соответствуют хорошим эксплуатационным показателям.

5. Текущее состояние и перспективы на будущее

В 1992 году завод Union Camp во Франклине, штат Виргиния, США, первым в мире коммерциализировал озоновое отбеливание. К сентябрю 2011 года 23 целлюлозных завода по всему миру, в общей сложности с 26 производственными линиями, использовали технологию озонового отбеливания. Производственная мощностьпередовогогенератор озонав настоящее время достигла 750–1000 кг/ч, что достаточно для удовлетворения потребностей в отбеливании целлюлозного завода с годовой мощностью 650 000 тонн.

В Китае теоретические исследования озонового отбеливания начались в 1980-х годах и заложили прочную основу. В последние годы, благодаря постояннымулучшениямгенератор озонаи реакционным сосудам со стороны отечественных и зарубежных производителей оборудования, китайские предприятия целлюлозно-бумажной промышленности проявляют всё больший интерес к технологии озонового отбеливания и внедряют её.

6. Заключение

Технология озоновой отбелки, как экологически чистый и эффективный процесс отбелки целлюлозы, обладает значительными преимуществами в повышении белизны целлюлозы, снижении выбросов загрязняющих веществ и уменьшении затрат на отбелку. С ужесточением экологических требований и постоянным совершенствованием технологий генерации озона, озоноотбелка, как ожидается, станет основным процессом чистой отбелки в целлюлозно-бумажной промышленности, получив более широкое применение в будущем.