Сульфатная варка
Щепу варят в горячем растворе щёлочи и сульфида натрия. Лигнин распадается и растворяется, а волокна целлюлозы остаются. Получается крепкая бурая целлюлоза, из неё делают, например, крафт-бумагу и картон.
Варочный (белый) щёлок содержит NaOH и Na2S; варку ведут при температуре порядка 160-170 °C. Гидросульфид-ионы ускоряют расщепление связей β-O-4 в фенольных единицах лигнина, поэтому делигнификация идёт быстрее и с меньшим разрушением углеводов, чем в чистой щёлочи. Выход химической целлюлозы составляет примерно половину массы древесины; потери приходятся на лигнин, значительную часть гемицеллюлоз, экстрактивные вещества и немного целлюлозы.
Регенерация химикатов
Химикаты на заводе не выбрасывают, а возвращают по кругу. Отработанный чёрный щёлок упаривают и сжигают. Растворённый лигнин горит и даёт пар и электричество, а минеральная часть снова становится варочным раствором.
Чёрный щёлок упаривают и сжигают в содорегенерационном котле: органическая часть даёт энергию, а натриевые соли выходят в виде плава Na2CO3 и Na2S (сульфат натрия при этом восстанавливается до сульфида). Плав растворяют до зелёного щёлока и каустизируют известью: Na2CO3 + Ca(OH)2 → 2 NaOH + CaCO3. Образовавшийся известковый шлам обжигают в известерегенерационной печи обратно в CaO.
Сульфитная варка и отбелка
Есть и другая варка, сульфитная, обычно кислотная. Её целлюлоза светлее, но слабее. Чтобы сделать бумагу белой, остатки лигнина убирают отбелкой. Раньше белили хлором, теперь диоксидом хлора, кислородом, пероксидом и озоном.
При сульфитной варке используют растворы сульфитов и гидросульфитов (кальция, магния, натрия или аммония); лигнин сульфируется и уходит в раствор в виде лигносульфонатов. Отбелка многоступенчатая: от элементарного хлора отрасль перешла к ECF-отбелке (диоксид хлора) и TCF-отбелке без соединений хлора (кислород, пероксид водорода, озон).
Гидролиз и биотопливо
Если целлюлозу и гемицеллюлозы разрезать на сахара, их можно сбродить. Так получают кормовые дрожжи и спирт. Это сложнее, чем из крахмала: мешают лигнин и плотная упаковка целлюлозы.
Кислотный гидролиз древесины разбавленными или концентрированными кислотами лёг в основу гидролизной промышленности (кормовые дрожжи, этанол, фурфурол, ксилит). Ферментативный гидролиз целлюлазами требует предварительной обработки, которая раскрывает структуру клеточной стенки: паровзрывной, кислотной, щелочной или органосольвентной.
Пиролиз и древесные плиты
Если нагреть древесину без воздуха, она разложится на уголь, жидкость и газ. Из бересты так гонят дёготь. А древесные плиты, ДСП, фанеру и OSB, склеивают синтетическими смолами, о которых будет блок про полимеры.
При пиролизе гемицеллюлозы разлагаются при более низких температурах, чем целлюлоза, а лигнин в самом широком интервале. Углежжение даёт древесный уголь и жидкие продукты (жижку с уксусной кислотой и метанолом, смолы); сухая перегонка бересты даёт берёзовый дёготь, быстрый пиролиз жидкое биотопливо. Для фанеры и плит применяют карбамидоформальдегидные, меламиноформальдегидные, фенолоформальдегидные смолы и изоцианатные (pMDI) связующие.
Главное в цифрах
- белый щёлок
- NaOH + Na2S
- температура варки
- порядка 160-170 °C
- выход химической целлюлозы
- около половины
- каустизация
- Na2CO3 + Ca(OH)2
- отбелка
- ECF и TCF
- берёзовый дёготь
- сухая перегонка бересты
Источники главы
- Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.
- Ek M., Gellerstedt G., Henriksson G. (eds.) Wood Chemistry and Wood Biotechnology. Pulp and Paper Chemistry and Technology, vol. 1. Berlin: De Gruyter, 2009.
- Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
- Лукаш А.А. Химия древесины: учебное пособие для вузов. СПб.: Лань, 2025. 129 с.