Email this article Production of chemical-thermomechanical pulp from wheat straw
- Authors: Yalovenko V.V.1, Yalovenko O.V.1, Zuykov A.A.2, Osminin E.N.2, Goroshnikov V.V.2
-
Affiliations:
- Limited Liability Company «Peschanokopsk Agrarian Laboratory»
- Open Joint Stock Company «Central Research Institute of Paper»
- Issue: Vol 30, No 3 (2026)
- Pages: 106-118
- Section: Wood processing and chemical processing of wood
- Published: 01.06.2026
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-1468/article/view/708074
- DOI: https://doi.org/10.17816/2542-1468-2026-3-106-118
- ID: 708074
Cite item
Full Text
Abstract
One of the ways to effectively dispose of straw when it is removed from the field is through deep processing into fiber-based semi-finished products for the paper industry. One such semi-finished product is the chemical-thermomechanical mass made from cereal straw. Instead of the traditionally used caustic soda (NaOH), potassium hydroxide (KOH) was chosen as the chemical reagent for the production of CTMР. The use of KOH for the production of CTMР allows the spent solutions to be used after their neutralization with sulfuric or phosphoric acid as a potassium fertilizer for the feeding of various plant crops, i.e., to significantly improve the environmental friendliness of the developed CTMР production process. As a result of the conducted experiments, the effect of chemical consumption, temperature, and processing time on the change in the degree of grinding and the basic indicators of the mechanical strength of laboratory samples of HTMM was shown, and the optimal conditions for obtaining CTMP from wheat straw were determined, which ensure high physical and mechanical properties of the mass suitable for the production of packaging paper, cardboard, and injection products.
Full Text
Для сельхозпроизводителей зерновых культур эффективная утилизация соломы представляет собой важную задачу, решение которой обеспечивает соблюдение установленных Правилами противопожарного режима Российской Федерации, норм по запрету сжигания сельскохозяйственных отходов, утвержденных постановлением Правительства РФ № 1479 «О противопожарном режиме в Российской Федерации» от 16.09.2020 г. п.185, в которых указано, что «запрещается выжигание сухой травянистой растительности, стерни, пожнивных остатков (за исключением рисовой соломы) на землях сельскохозяйственного назначения» [1].
При выращивании и сборе зерна озимой пшеницы на юге Ростовской области на каждую тонну зерна на полях образуется от 0,8 до 1,2 т соломы или от 5 до 8 т на 1 га. Так, в Песчанокопском районе Ростовской области на площади 15 000 га при производстве 100 000 т зерна озимой пшеницы на полях ежегодно накапливается до 120 000 т соломы [2]. Основные способы утилизации соломы, применяемые в настоящее время — заделка в почву и удаление с поля.
Установлено, что при объеме соломы более 5 т/га полное ее запахивание под вторую озимую культуру исключается [3].
В первый год внесения соломы в почву, урожай злаковых культур снижается вследствие образования токсических соединений при ее разложении, ухудшаются условия их азотного питания при закреплении почвенного азота микроорганизмами [4, 5].
Одним из путей эффективного решения утилизации соломы при удалении ее с поля представляется ее глубокая технологическая переработка в волокнистые полуфабрикаты для бумажной промышленности [6].
Получение волокнистых полуфабрикатов для производства бумаги и картона из соломы злаковых культур, широко применялось в первой половине ХХ в. После Великой Отечественной войны (1941–1945) в развитии целлюлозно-бумажной промышленности произошло смещение в сторону получения целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов из древесины. Это обстоятельство на тот период было технологически и экономически оправданно [7].
С ростом урожаев зерновых культур в настоящее время, в среднем с 16…17 ц/га до 50…60 ц/га и возросшим объемом образующейся на полях соломы, целесообразно восстановить использование этого важного растительного ресурса наряду с древесиной для производства содержащих целлюлозу волокнистых полуфабрикатов для изготовления бумажной продукции [8, 9].
Таким полуфабрикатом может стать химико-термомеханическая масса из соломы злаковых культур.
Цель работы
Цель работы — разработка и оптимизация технологии получения химико-термомеханической массы (ХТММ) из пшеничной соломы для последующего использования в производстве упаковочных видов бумаги, картона и литьевых изделий, с учетом повышения экологичности процесса за счет применения гидроксида калия KOH в качестве химического реагента и возможности вторичного использования отработанных растворов как калийных удобрений.
Материалы и методы
Объектом исследования послужила пшеничная солома двух сортов, выращенных в Ростовской области: «Сварог» (2020) и «Гром» (2021). Исходное растительное сырье было предварительно измельчено на гильотинной соломорезке до размера сечки 5…20 мм, затем отсортировано на вибрационной сортировке через сита с диаметром отверстий 1,0 мм и 0,5 мм. Фракции, прошедшие через сито с диаметром отверстий менее 0,5 мм, исключались из дальнейшей переработки ввиду повышенного содержания минеральных включений и пыли.
Для оценки пригодности сырья к получению волокнистых полуфабрикатов был проведен анализ его компонентного состава: массовых долей целлюлозы, лигнина, золы, а также смол и жиров. Анализ осуществлялся в соответствии с методиками, регламентированными действующими ГОСТами и отраслевыми стандартами [10–12].
Основные эксперименты были сосредоточены на получении ХТММ с использованием гидроксида калия KOH в качестве химического реагента, обусловленным возможностью экологически безопасного повторного использования отработанного раствора как калийного удобрения после нейтрализации фосфорной или серной кислотой [13–16].
Полученные результаты сопоставлялись с показателями товарных ХТММ из лиственной древесины, используемых на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности (например, на Светогорском ЦБК).
Результаты и обсуждение
В классических способах производства ХТММ традиционно используется гидроксид натрия NaOH в количестве до 40 кг/т сырья [15–17]. Однако данный метод имеет существенный экологический недостаток: отработанные щелочные растворы даже после нейтрализации кислотой и биологической очистки представляют собой отходы, требующие утилизации через очистные сооружения, что увеличивает нагрузку на водные экосистемы [18, 19].
В качестве альтернативы был выбран гидроксид калия KOH, применение которого позволяет не только обеспечить эффективную делигнификацию соломы, но и решить проблему утилизации отходов. После термохимической обработки отработанный щелок, содержащий калийные соединения, можно нейтрализовать серной H2SO4 или фосфорной H3PO4 кислотой с образованием сульфата калия K2SO4 или фосфата калия K3PO4 соответственно [20–23]. Эти соединения являются ценными калийными удобрениями, широко применяемыми в сельском хозяйстве для повышения урожайности зерновых и овощных культур [24, 25].
Объектом исследований являлось растительное сырье из злаковых культур — пшеничная солома двух видов (на рис. 1 и 2).
Рис. 1. Солома пшеницы сорта «Сварог» (2020 г.)
Fig. 1. «Svarog» wheat straw (2020)
Рис. 2. Солома пшеницы сорта «Гром» (2021 г.)
Fig. 2. «Grom» wheat straw (2021)
Исходную солому разрезали на гильотинной соломорезке в сечку длиной от 5 до 20 мм (рис. 3).
Рис. 3. Соломенная сечка
Fig. 3. Chopped straw
Соломенную сечку отсортировали на вибрационной сортировке на ситах с диаметром отверстий 1 и 0,5 мм. Фракция, прошедшая через сито с диаметром отверстий 0,5 мм (на поддон), выбрасывали по причине большого содержания в ней минеральных включений (песка, пыли и т. п.) [26, 27]. Исследования состава последней фракции (на поддоне) показали содержание в ней золы в количестве 20,2 % (табл. 1).
Таблица 1
Содержание соломенного сырья по фракционному составу, %
Straw raw material content by fractional composition, %
Сортировка | Сорт «Сварог» | Сорт «Гром» |
На сите с диаметром отверстий, мм 1,0 0,5 |
98,64 1,01 |
91,95 6,28 |
На поддоне | 0,35 | 1,77 |
Пригодность того или иного вида растительного сырья для получения волокнистых полуфабрикатов, используемых при производстве бумаги и картона, определяется прежде всего его химическим составом. От химического состава сырья зависит также выбор способов его переработки на волокнистые полуфабрикаты [28].
Определен компонентный состав исследуемых образцов пшеничной соломы и проведен его сравнительный анализ с компонентным составом осиновой древесины (табл. 2). Анализ полученных данных свидетельствует о том, что химический состав всех видов образцов соломы по показателям массовой доли лигнина и массовой доли смол и жиров приближается к химическому составу лиственных пород древесины, в частности осины.
Таблица 2
Сравнительная характеристика химического состава (%) образцов соломы пшеницы и осиновой древесины
Comparative analysis of the chemical composition (%) of wheat straw and aspen wood samples
Химический состав | Сорт «Сварог» | Сорт «Гром» | Осиновая щепа | Метод анализа |
Влажность | 8,9 | 8,5 | 11,0 | ГОСТ ИСО 287–2014 |
Массовая доля золы | 5,4 | 11,3 | 1,2 | ГОСТ 7623–92 (ИСО 2144–80) |
Массовая доля смол и жиров | 0,63 | 1,05 | 1,7 | ГОСТ 6841–77 |
Массовая доля лигнина | 21,1 | 23,1 | 21,0 | ГОСТ 11960–79 |
Массовая доля целлюлозы | 43,7 | 44,8 | 58,0 | Метод Кюршнера и Хоффера |
Однако образцы соломы имеют повышенное содержание золы. У образца соломы сорта «Гром» содержание золы достигает 11,3 % относительно содержания золы в осиновой древесине, у которой зольность составляет 1,2 %. Содержание целлюлозы по Кюршнеру у образцов из соломы составляет 43,7…44,8 % против 58,0 % у осиновой древесины.
Первоначально была сделана попытка получить термомеханическую массу (ТММ) из соломы. В этом случае сечку из пшеничной соломы помещали в лабораторный автоклав емкостью 5 л (рис. 4) и подвергали ее прогреву острым паром в течение 20 мин.
Рис. 4. Схема лабораторной установки химико-термогидролитической обработки целлюлозосодержащего сырья и массы перед размолом: 1 — автоклав; 2 — парообразователь; 3 — дозатор химических реагентов; 4 — баллон со сжатым азотом
Fig. 4. Schematic diagram of a laboratory setup for chemical-thermo-hydrolytic treatment of cellulose-containing raw materials and mass before grinding: 1 — autoclave; 2 — steam generator; 3 — chemical reagent dispenser; 4 — cylinder with compressed nitrogen
За это время температура нагретой сечки достигала 98 °С. В дальнейшем выполняли пропарку нагретой сечки при температуре 120 °С в течение 10 мин, после чего пропаренная сечка из пшеничной соломы размалывалась на лабораторной дисковой мельнице SW-12 (рис. 5) при концентрации массы 10…15 % и атмосферном давлении.
Рис. 5. Лабораторная дисковая мельница SW-12
Fig. 5. SW-12 Laboratory Disc Mill
В результате проведенных экспериментов была получена ТММ со степенью помола 63°ШР и содержанием грубоволокнистой фракции (костры) 48,3 %. Из полученной волокнистой массы была сделана попытка получения бумажных отливок на листоотливном аппарате «Рапид-Кеттен» по ГОСТ 14363.4–89. Однако вследствие низкой механической прочности во влажном состоянии отливки из ТММ обоих образцов соломы разрушались при снятии с сетки листоотливного аппарата.
На основании этого был сделан вывод о невозможности получения волокнистой массы из пшеничной соломы по способу ТММ.
Экспериментальные исследования по получению ХТММ из соломы проводили также в лабораторном автоклаве емкостью 5 л, в такой последовательности: навеску сечки соломы массой 200 г а. с. в. помещали в автоклав, заливали водой (обеспечивая гидромодуль 1:10), затем прогревали острым паром до температуры 96…98 °С в течение 10…30 мин. По истечении заданного времени водный раствор сливали и измеряли его объем. Соломенной сечкой во время ее термообработки в воде поглощалось трехкратное количество жидкости.
Отобранный водный раствор в дальнейшем был проанализирован на содержание в нем органических и минеральных веществ. Прогретую в воде соломенную сечку заливали раствором химикатов из расчета обеспечения гидромодуля 1:7. Затем крышку автоклава герметично закрывали и пропаривали сечку в течение 10…40 мин. При температуре 110…130 °С.
Для химической обработки использовали щелочной раствор гидроксида калия KОН.
Отработанный раствор химикатов, так называемый щелок, отделяли от обрабатываемого материала и анализировали на содержание в нем органических, минеральных веществ и щелочность.
По окончании химической обработки сечку соломы подвергали размолу на лабораторной дисковой мельнице.
Для получения ХТММ с разной степенью помола на размол требовалось разное количество энергии. В связи с этим, при одинаковом термохимическом воздействии на сырье, но при разном расходе энергии на размол получали два вида ХТММ с различной степенью помола (табл. 3).
Таблица 3
Условия термохимической обработки и вид использованного соломенного сырья при получении химико-термомеханической массы
Thermochemical processing conditions and type of straw raw material used in obtaining chemical-thermomechanical pulp
Номер образа | Сорт соломы | Водная предобработка | Химическая обработка | |||||
Вид химиката | Температура, °С | Время, мин. | Реагент | Расход, кг/т | Температура, °С | Время, мин | ||
1 | «Сварог» | – | – | – | KOH | 5 | 125 | 5 |
2 | Н2О | 98 | 30 | 15 | 120 | 20 | ||
3 | 40 | 10 | 120 | 20 | ||||
4 | 10 | 20 | 120 | 20 | ||||
5 | 30 | 20 | 120 | 10 | ||||
6 | 30 | 20 | 120 | 40 | ||||
7 | 40 | 20 | 110 | 20 | ||||
8 | 15 | 20 | 130 | 20 | ||||
9 | 30 | 20 | 120 | 15 | ||||
10 | 20 | 20 | 120 | 15 | ||||
11 | «Гром» | Н2О | 98 | 30 | KOH | 10 | 120 | 20 |
12 | 10 | 20 | 120 | 20 | ||||
13 | 30 | 15 | 120 | 20 | ||||
14 | 40 | 20 | 110 | 20 | ||||
15 | 30 | 20 | 130 | 20 | ||||
16 | 30 | 20 | 120 | 10 | ||||
17 | 30 | 20 | 120 | 40 | ||||
Содержание грубоволокнистой фракции в ХТММ определяли на сортировке Соммервиля по методике TAPPI UM 242 [31]. Из волокнистой массы изготавливали отливки на аппарате «Рапид-Кеттен» по ГОСТ 14363.4–89 массой 75 г/м2, которые после кондиционирования подвергались испытаниям [29, 30, 32–35].
Оценка физических, механических и оптических свойств волокнистого полуфабриката проводилась в соответствии с ГОСТ на методы испытаний.
Определены показатели качества ХТММ, полученной по заданным условиям (табл. 4 и 5).
Таблица 4
Показатели качества химико-термомеханической массы из пшеничной соломы сорта «Сварог»
Quality indicators of chemical-thermomechanical pulp made from «Svarog» wheat straw
Номер образца | Показатель | Номер варианта | |||||||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | ||||||||||||
Характеристика волокнистой массы | |||||||||||||||||||||
1 | Выход, % | 83,2 | 80,3 | 81 | 79,7 | 82,2 | 79,1 | 80,4 | 79,6 | 78,4 | 76,7 | ||||||||||
2 | Степень помола, °ШР | 44 | 54 | 43 | 49 | 52 | 63 | 48 | 59 | 52 | 63 | 48 | 56 | 51 | 55 | 54 | 62 | 55 | 59 | 54 | 62 |
3 | Содержание грубоволокнистой фракции, % | 39,6 | 19,4 | 23,8 | 13,7 | 25,3 | 14,9 | 21,3 | 12,4 | 25,3 | 14,9 | 19,8 | 11,6 | 21,8 | 20,4 | 11,06 | 3,06 | 20,4 | 11,1 | 11,06 | 3,06 |
4 | Средневзвешенная длина волокна, мм | 0,55 | 0,51 | 0,68 | 0,63 | 0,60 | 0,58 | 0,68 | 0,64 | 0,60 | 0,58 | 0,70 | 0,66 | 0,67 | 0,69 | 0,69 | 0,66 | 0,69 | 0,65 | 0,69 | 0,66 |
Механическая характеристика бумажных отливок | |||||||||||||||||||||
5 | Разрушающее усилие, Н | 7,76 | 8,11 | 25,14 | 46,03 | 22,97 | 39,65 | 28,85 | 50,92 | 24,71 | 45,07 | 29,76 | 51,82 | 27,94 | 49,13 | 29,32 | 51,16 | 31,19 | 54,15 | 52,56 | 63,18 |
6 | Индекс прочности при растяжении, (Н·м)/г | 6,49 | 6,59 | 21,82 | 39,87 | 19,08 | 32,20 | 25,67 | 47,07 | 21,71 | 39,47 | 26,06 | 45,39 | 24,47 | 43,16 | 25,66 | 44,87 | 27,05 | 47,66 | 45,71 | 53,32 |
7 | Разрывная длина, м | 620 | 650 | 2260 | 3930 | 1770 | 3250 | 2580 | 4320 | 2190 | 4040 | 2590 | 4580 | 2420 | 4390 | 2610 | 4480 | 2730 | 4720 | 4140 | 4970 |
8 | Удельное сопротивление разрыву, кН/м | 0,517 | 0,540 | 1,68 | 3,07 | 1,53 | 2,64 | 1,92 | 3,39 | 1,65 | 3,00 | 1,98 | 3,45 | 1,86 | 3,28 | 1,95 | 3,41 | 2,08 | 3,63 | 3,51 | 4,21 |
9 | Сопротивление излому, число двойных перегибов | 0 | 0 | 4 | 7 | 3 | 4 | 6 | 9 | 4 | 7 | 8 | 11 | 5 | 8 | 7 | 10 | 8 | 10 | 12 | 15 |
10 | Сопротивление раздиранию, мН | 128 | 117 | 362 | 284 | 344 | 257 | 380 | 293 | 362 | 261 | 392 | 308 | 370 | 287 | 388 | 3,04 | 392 | 297 | 421 | 309 |
11 | Индекс раздирания, (мН·м2)/г | 1,61 | 1,43 | 4,70 | 3,67 | 4,29 | 3,13 | 5,08 | 3,72 | 4,76 | 3,43 | 5,16 | 4,05 | 4,87 | 3,79 | 5,10 | 4,04 | 5,10 | 3,90 | 5,48 | 3,87 |
12 | Сопротивление продавливанию, кПа | 15 | 17 | 91 | 131 | 68 | 99 | 109 | 153 | 92 | 136 | 116 | 178 | 107 | 144 | 112 | 162 | 116 | 159 | 151 | 202 |
13 | Индекс продавливания, (кПа· м2)/г | 0,19 | 0,21 | 1,18 | 1,69 | 0,85 | 1,21 | 1,46 | 1,94 | 1,21 | 1,79 | 1,53 | 2,34 | 1,41 | 1,89 | 1,47 | 2,13 | 1,51 | 209 | 1,97 | 2,56 |
Таблица 5
Показатели химико-термомеханической массы из пшеничной соломы сорта «Гром»
Quality indicators of chemical-thermomechanical pulp made from «Grom» wheat straw
Номер образца | Показатель | Номер варианта | |||||||||||||
11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | |||||||||
Характеристика волокнистой массы | |||||||||||||||
1 | Выход, % | 80,4 | 78,8 | 79,4 | 80,0 | 78,2 | 80,4 | 77,9 | |||||||
2 | Степень помола, °ШР | 59 | 66 | 57 | 64 | 58 | 65 | 59 | 63 | 57 | 65 | 60 | 68 | 56 | 63 |
3 | Содержание грубоволокнистой фракции, % | 30,2 | 18,5 | 26,8 | 16,7 | 28,6 | 17,5 | 27,4 | 17,6 | 25,7 | 15,9 | 29,3 | 18,1 | 22,4 | 11,8 |
4 | Средневзвешенная длина волокна, мм | 0,67 | 0,62 | 0,66 | 0,63 | 0,66 | 0,62 | 0,65 | 0,62 | 0,67 | 0,63 | 0,64 | 0,60 | 0,69 | 0,65 |
Механическая характеристика бумажных отливок | |||||||||||||||
5 | Разрушающее усилие, Н | 23,39 | 36,03 | 29,13 | 43,44 | 26,27 | 33,74 | 28,48 | 41,99 | 29,77 | 44,56 | 27,61 | 40,06 | 30,12 | 45,32 |
6 | Индекс прочности при растяжении, (Н·м)/г | 20,13 | 31,17 | 29,19 | 38,66 | 23,03 | 34,87 | 24,80 | 38,75 | 25,95 | 38,93 | 24,12 | 34,99 | 26,34 | 39,58 |
7 | Разрывная длина, м | 1830 | 3080 | 2370 | 3750 | 2290 | 3480 | 2490 | 3920 | 3020 | 3930 | 2430 | 3510 | 2650 | 4040 |
8 | Удельное сопротивление разрыву, кН/м | 1,56 | 2,40 | 1,94 | 2,90 | 1,75 | 2,65 | 1,89 | 2,80 | 1,98 | 2,97 | 1,84 | 2,67 | 2,01 | 3,02 |
9 | Сопротивление излому, число двойных прегибов | 3 | 4 | 4 | 6 | 3 | 5 | 4 | 5 | 5 | 7 | 2 | 3 | 6 | 8 |
10 | Сопротивление раздиранию, мН | 352 | 296 | 394 | 346 | 379 | 321 | 382 | 324 | 405 | 350 | 372 | 318 | 416 | 356 |
11 | Индекс раздирания, (мН·м2)/г | 4,54 | 3,84 | 5,12 | 4,49 | 4,99 | 4,23 | 5,00 | 4,25 | 5,31 | 4,59 | 4,88 | 4,17 | 5,45 | 4,67 |
12 | Сопротивление продавливанию, кПа | 72 | 94 | 89 | 123 | 81 | 109 | 86 | 119 | 92 | 125 | 83 | 112 | 96 | 129 |
13 | Индекс продавливания, (кПа· м2)/г | 0,93 | 1,22 | 1,16 | 1,60 | 1,07 | 1,43 | 1,13 | 1,56 | 1,21 | 1,64 | 1,06 | 1,47 | 1,26 | 1,69 |
Химико-термомеханической масса, полученная из образца соломы № 1 сорта «Сварог», превосходит по своим свойствам ХТММ из образца соломы № 2 сорта «Гром».
Показатели разрушающего усилия и разрывной длины (вариант № 6, см. табл. 4 и вариант № 17, см. табл. 5) у образца соломы № 1 сорта «Сварог» на 13…15 % превышают аналогичные показатели у образца соломы № 2 сорта «Гром», показатель сопротивление излому превышает на 2–3 двойных перегиба, показатель сопротивления продавливанию превышает на 16…18 %, при этом показатель сопротивления раздиранию остался практически на одном уровне. Отличие физико-механических показателей между образцами из пшеничной соломы № 1 и № 2 сортов «Сварог» и «Гром» можно объяснить тем, что образец № 2 содержит в своем составе меньше целых неповрежденных соломенных стеблей, но больше мелких волокнистых включений и больше пыли и минеральных включений.
Снижение расхода гидроксида калия KOH при пропитке сечки (вариант № 3, см. табл. 4, и вариант № 11, см. табл. 5) приводит к уменьшению механических показателей.
Так, прочностные показатели на растяжение и разрыв (разрушающее усилие, разрывная длина, удельное сопротивление разрыву, индекс прочности при растяжении) в зависимости от степени помола уменьшались на 6…18 %. Аналогичная картина наблюдалась для показателей сопротивления раздиранию и сопротивления продавливанию, за исключением показателя сопротивления излому, значение которого снизились всего на 1–2 двойных перегиба.
Увеличение продолжительности пропитки с 20 до 40 мин. При расходе щелочного реагента 20 кг/т приводило к положительному результату (вариант № 6, см. табл. 4 и вариант № 17, см. табл. 5).
Показатели механической прочности у обоих вариантов увеличились на 6…10 %, за исключением показателя сопротивления излому, значение которого изменялось на 2–3 ед. Увеличение продолжительности привело к уменьшению выхода на 0,7…0,9 %, значение которого достигло 77,9 %.
Изменение компонентного состава пшеничной соломы № 1 «Сварог» и № 2 «Гром» в процессе получения ХТММ показано в табл. 6.
Таблица 6
Изменение компонентного состава (%) образца пшеничной соломы № 1 сорта «Сварог» и образца № 2 сорта «Гром» в процессе получения химико-термомеханической массы
Change in component composition (%) of wheat straw sample No. 1, «Svarog», and sample No. 2, «Grom», during the process of obtaining chemical-thermomechanical pulp
Показатель | Сечка пшеничной соломы | Химико-термомеханическая масса | Метод анализа | ||
Образец № 1 | Образец № 2 | Образец № 1 | Образец № 2 | ||
Влажность | 8,9 | 8,5 | 8,4 | 9,1 | ГОСТ ИСО 287–2014 |
Массовая доля золы | 5,4 | 11,3 | 3,24 | 6,38 | ГОСТ 7623–92 (ИСО 2144–80) |
Массовая доля смол и жиров | 0,63 | 1,05 | 0,53 | 0,75 | ГОСТ 6841–77 |
Массовая доля лигнина | 21,1 | 23,1 | 15,6 | 16,4 | ГОСТ 11960–79 |
Массовая доля целлюлозы | 43,7 | 44,8 | 58,2 | 58,4 | Метод Кюршнера и Хоффера |
Из табл. 6 следует, что содержание массовой доли золы снизилось с 5,4…11,3 % у исходной соломы до 3,24…6,38 % в ХТММ. При этом массовая доля смол и жиров уменьшилась незначительно — с 0,63…1,05 % до 0,53…0,73 %, а массовая доля лигнина уменьшилась на 5,5…6,7 % и составила 19,1…19,7 % соответственно. Массовая доля целлюлозы увеличилась на 14,5…13,6 % и составила 58,2…58,4 %.
Сравнивая полученные максимальные физико-механические показатели прочности ХТММ из пшеничной соломы с показателями товарных видов ХТММ из лиственной древесины производства ЗАО «Интернешнл Пейпер» (Светогорский ЦБК) (табл. 7) [33], можно с высокой долей уверенности предположить возможность аналогичного применения ХТММ из пшеничной соломы для производства упаковочных видов бумаги и картона.
Таблица 7
Сравнительная характеристика показателей химико-термомеханической массы из пшеничной соломы с показателями ее товарных видов из лиственной древесины Светогорского ЦБК
Comparison of the performance characteristics of wheat straw chemical-thermomechanical pulp with those of commercial hardwood pulps at Svetogorsk Pulp and Paper Mill
Показатель | ЗАО «Интернешнл Пейпер» г. Светогорск | Из пшеничной соломы (варианты 8 и 15) |
Степень помола, °ШР (к. с. мл — канадский стандарт) | 60 ± 3 (400 ± 40) | 54…63 |
Индекс прочности на растяжение, Нм/г | 16…24 | 25…40 |
Индекс сопротивления раздиранию, мНм2/г | 2,3…3,2 | 4,0…5,0 |
В рамках данного исследования были проведены эксперименты по оценке способности ХТММ из пшеничной соломы к прессованию при получении бумажных тарелок.
Эксперименты по прессованию тарелки из отливок ХТММ из пшеничной соломы проводили на термообогреваемом лабораторном прессе в специально изготовленной прессформе (рис. 6), вмещающей бумажную отливку, диаметром 200 мм, изготовляемую на листоотливном аппарате «Рапид-Кеттен» массой 12 г [32, 33].
Рис. 6. Пресс-форма для прессования бумажных отливок
Fig. 6. Press mold for pressing paper castings
В ХТММ специально не вводили проклеивающие химикаты, применяемые при производстве литьевых изделий для придания влаго- и маслопрочности.
Выполненные исследования показали целесообразность применения для производства одноразовой посуды всех видов ХТММ из пшеничной соломы.
Получаемые тарелки (рис. 7) сохраняют форму, обладают достаточной механической прочностью и не трескаются при изгибе на 90 градусов.
Рис. 7. Отпрессованные тарелки из отливок, изго-товленных из химико-термомеханической массы соломенного сырья (температура прессформы более 150 °С, время выдержки 4 мин)
Fig. 7. Pressed plates from castings made from straw chemical-thermomechanical pulp (mold temperature over 150°C, holding time 4 min)
Выводы
По оценке возможности использования соломенного сырья в качестве исходного материала при производстве волокнистых полуфабрикатов высокого выхода ТММ и ХТММ можно сделать следующие выводы. Так, ТММ из соломы сортов «Сварог» и «Гром» обладают низкими бумагообразующими свойствами и не пригодны для использования при производстве бумаги, картона и литьевых изделий. Отливки из ТММ обоих образцов обладают низкой влагопрочностью и разрушаются при снятии с сетки листоотливного аппарата. ХТММ, полученная из соломенного сырья всех образцов, обладает удовлетворительными бумагообразующими свойствами, имеет выход 78…80 % при расходе 2,0…3,0 % гидроксида калия KOН на химическую обработку сечки перед размолом при температуре пропитки 98 °С и ее продолжительности 10…30 мин.
Рассматриваемый вид волокнистого полуфабриката можно успешно использовать при производстве картона, упаковочных видов бумаги и изготовлении одноразовой посуды (тарелок), а также упаковок для яиц.
Увеличение продолжительности химической обработки до 40 мин. и расхода химикатов до 4,0 % гидроксида калия KOН приводит к улучшению бумагообразующих свойств, при этом выход готового волокнистого полуфабриката составляет 73 %.
About the authors
Vladimir V. Yalovenko
Limited Liability Company «Peschanokopsk Agrarian Laboratory»
Email: vladimiryalovenko@mail.ru
Deputy General Director
Russian Federation, SHT Estate, Razvilnoye Village, Peschanokopsky District, 347561, Rostov reg.Ol’ga V. Yalovenko
Limited Liability Company «Peschanokopsk Agrarian Laboratory»
Email: vladimiryalovenko@mail.ru
General Director
Russian Federation, SHT Estate, Razvilnoye Village, Peschanokopsky District, 347561, Rostov reg.Aleksandr A. Zuykov
Open Joint Stock Company «Central Research Institute of Paper»
Author for correspondence.
Email: zuykov_a@mail.ru
Cand. Sci. (Tech.), First Deputy General Director for Science
Russian Federation, 15/1, Lenin st., 141260, Pravdinsky Settlement, Pushkinsky District, Moscow reg.Evgeniy N. Osminin
Open Joint Stock Company «Central Research Institute of Paper»
Email: e.osminin@mail.ru
Head of the Laboratory of Printing Papers and Chemical Products
Russian Federation, 15/1, Lenin st., 141260, Pravdinsky Settlement, Pushkinsky District, Moscow reg.Viktor V. Goroshnikov
Open Joint Stock Company «Central Research Institute of Paper»
Email: cniib@mail.ru
Senior Researcher
Russian Federation, 15/1, Lenin st., 141260, Pravdinsky Settlement, Pushkinsky District, Moscow reg.References
- Postanovlenie Pravitel’stva RF No. 1479 «O protivopozharnom rezhime» ot 16.09.2020 g. [Regulation of the Government of the Russian Federation no. 1479 «On fire safety regime» from 16.09 2020].
- Ivanov A.V., Petrova L.K. Sovremennye problemy utilizatsii solomy v sel’skom khoziaistve [Current issues of straw utilization in agriculture]. Agrokhimicheskii vestnik [Agrochemical Bulletin], 2020, no. 4, pp. 45–49.
- Sidorov O.N., Kuznetsova E.D. Vliianie solomy na plodorodie pochv i urozhainost’ zernovykh kultur [Influence of straw on soil fertility and cereal crop yield]. Zemledelie [Crop Production], 2019, no. 6, pp. 12–15.
- Zaitsev V.G. Biokhimicheskie protsessy razlozheniia solomy v pochve [Biochemical processes of straw decomposition in soil]. Pochvovedenie [Soil Science], 2018, no. 3, pp. 34–40.
- Al’ternativnye metody upravleniia rastitel’nymi ostatkami v rastenievodstve vmesto szhiganii [Alternative methods of crop residue management instead of burning]. Saint Petersburg: KSI-Print, Bellona, [n.d.].
- Komarov A.A. Tekhnologii pererabotki solomy v tselliulozno-bumazhnoi promyshlennosti [Straw processing technologies in pulp and paper industry]. Bumazhnaia promyshlennost’ [Paper Industry], 2021, no. 2, pp. 22–27.
- Lebedev S.I. Istoriia razvitiia tselliulozno-bumazhnoi promyshlennosti Rossii [History of the pulp and paper industry in Russia]. Moscow: Lesnaia promyshlennost’ [Forestry], 2017, 320 p.
- Grigor’ev M.P., Semenova N.V. Perspektivy ispol’zovaniia nedrevesnogo siriia v tselliulozno-bumazhnom proizvodstve [Prospects for using non-wood raw materials in pulp and paper production]. Ekologiia i promyshlennost’ Rossii [Ecology and Industry of Russia], 2022, no. 1, pp. 50–55.
- Zuykov A.A., Yalovenko V.V., Yalovenko O.V., Tyurin E.T. Termomekhanicheskaya massa iz solomy gorokha i sposob izgotovleniya iz nee bumagi i kartona [Thermomechanical pulp from pea straw and a method for producing paper and cardboard therefrom]. Patent. 2817124C1 Russian Federation IPC D21F 11/12, Patent holder(s): Peschanokopskaya Agrarnaya Lab, LLC (Peschanokopskaya Agrarnaya Lab, LLC) D21B 1/12, 2024. Published: 10.04.2024. Bulletin No. 10.
- GOST 33980–2016 Produktsiya organicheskogo proizvodstva. Pravila proizvodstva, pererabotki, markirovki i realizatsii [Organic products. Rules for production, processing, labeling and sale. 2016]. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200141713 (accessed 10.02.2024).
- GOST 6840 Tsellyuloza. Metody opredeleniya soderzhaniya α-tsellyulozy [Cellulose. Methods for determination of α-cellulose content]. Available at: https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_008001640/ (accessed 10.02.2024).
- Morozov V.P., Kalinina I.S. Issledovanie svoistv termomekhanicheskoi massy iz solomy pshenitsy [Investigation of properties of thermomechanical pulp from wheat straw]. Khimiia rastitel’nogo siriia [Chemistry of Plant Raw Material], 2020, no. 4, pp. 123–130.
- Lukanin P.V., Smirnova O.S., Kazakov V.G. Sposob kislotno-shchelochnoy pererabotki chernogo shcheloka sul’fatnogo proizvodstva tsellyulozy [Method of acid-base processing of black liquor from sulfate pulp production]. Patent. RU 2617569 C2. Patent holder(s): Saint Petersburg State Technological University of Plant Polymers. Published: 25.04.2017 Bull. No. 12.
- Belov A.N. Sovremennye tekhnologii proizvodstva bumagi i kartona [Modern technologies of paper and cardboard production]. Saint Petersburg: Professia, 2021, 416 p.
- Hosseinpour R., Karimi A., Latibari A. Non-wood CTMP for packaging: Strength properties vs. energy consumption. Cellulose, 2022, v. 29, pp. 123–135.
- Paavilainen L. Agricultural fibres in papermaking. Paperi ja Puu, 2000, v. 82(5), pp. 366–371.
- Lebedev A.V. Sravnitel’nyi analiz svoistv bumagi iz solomy i drevesiny [Comparative analysis of properties of straw and wood-based paper]. Bumazhnaia promyshlennost’ [Paper Industry], 2023, no. 4, pp. 18–23.
- Smith J., Clark T., O'Neill R. Sodium vs. potassium hydroxide in straw pulping. J. of Cleaner Production, 2020, v. 256, art. № 120312.
- Morozova T.I. Fiziko-khimicheskie svoistva solomennoi tselliulozy [Physicochemical properties of straw cellulose]. Khimiia rastitel’nogo siriia [Chemistry of Plant Raw Material], 2021, no. 1, pp. 55–62.
- Petrov K.A. Ekologicheskie aspekty tselliulozno-bumazhnogo proizvodstva [Ecological aspects of pulp and paper production]. Ekologiia promyshlennosti [Industrial Ecology], 2021, no. 3, pp. 45–50.
- Ivanova E.S. Tsirkuliarnaia ekonomika v sel’skom khoziaistve [Circular economy in agriculture]. Ekonomika i ekologiia [Economics and Ecology], 2022, no. 5, pp. 78–84.
- Vurasko A.V., Sherstobitov A.L., Ageev M.A., Sivakov V.P. Delignifikatsiya solomy pshenitsy rastvorami gidroksida kaliya s ispol’zovaniem kaliynogo chernogo shcheloka v kachestve organomineral’nogo udobreniya [Delignification of wheat straw with potassium hydroxide solutions using potassium black liquor as an organomineral fertilizer]. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii [Bulletin of the St. Petersburg Forest Engineering Academy], 2023, no. 242, pp. 216–231. https://doi.org/10.21266/2079-4304.2023.242.216-231
- GOST R 58658–2019 Produktsiya i prodovol’stvie s uluchshennymi kharakteristikami. Udobreniya mineral’nye. Obshchie tekhnicheskie usloviya (s Popravkami) [Products and foodstuffs with improved characteristics. Mineral fertilizers. General specifications (with Amendments)]. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200169969 (accessed 10.02.2024).
- Sidorov P.N. Vliianie kalia na urozhainost’ pshenitsy [Effect of potassium on wheat yield]. Agrokhimiia [Agrochemistry], 2023, no. 2, pp. 30–35.
- Chen L., He Z., Wang J. Potassium hydroxide pulping of wheat straw. Bioresource Technology, 2019, v. 274, pр. 45–52.
- Kuznetsov V.D. Kaliinye udobreniia v zemledelii [Potassium fertilizers in agriculture]. Moscow: Agropromizdat, 2020, 200 p.
- Liu Y., Sun L., Huang Y. Soil salinity control by potassium-based pulping wastes. Environmental Science & Technology, 2021, v. 55(8), pр. 5123–5132.
- Yalovenko O.V., Yalovenko V.V., Tyurin E.T., Zuykov A.A. Sposob polucheniya voloknistogo polufabrikata iz rastitel’nogo syr’ya [Method for producing a fibrous semi-finished product from plant raw materials]. Patent RU 2809473 C1. Patent holder(s): JSC TsNIIB. Published: 12.12.2023. Bulletin No. 35.
- GOST 30061–93 Zerno i soloma zernovykh kul’tur, luk repchatyy, pochva [Grain and straw of grain crops, onions, soil]. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200023562 (accessed 10.02.2024).
- Petrov K.L. Kritterii otsenki rastitel’nogo siriia dlia tselliulozno-bumazhnogo proizvodstva [Criteria for assessing plant raw materials for pulp and paper production]. Bumazhnaia promyshlennost’ [Paper Industry], 2020, no. 5, pp. 34–38.
- TAPPI UM 242. Opredelenie mikro-kappa chisla [Determination of micro-kappa number]. Metody ispytanii TAPPI [TAPPI Test Methods]. Moscow: TsNIIB, 2015, 5 p.
- GOST 14363.4 Tsellyuloza. Metod podgotovki prob k fiziko-mekhanicheskim ispytaniyam [Cellulose. Method of sample preparation for physicomechanical testing]. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200017971 (accessed 10.02.2024).
- TU 5421-001-00253497–2010 Massa drevesnaya khimiko-termomekhanicheskaya [Chemical-thermomechanical wood pulp]. International Paper CJSC, Svetogorsk. Available at: https://baltcell.ru/wp-content/uploads/2023/11/massa_drevesnaya_himiko-termomehanicheskaya_belenaya_2021.pdf (accessed 10.02.2024).
- ISO 5269-2:2004 Pulp Preparation of laboratory sheets for physical testing [Pulp Preparation of laboratory sheets for physical testing]. Available at: https://www.iso.org/standard/39341.html (accessed 10.02.2024).
- GOST R 13525.1; 2; 3 Polufabrikaty voloknistye, bumaga i karton [Semi-finished fibrous products, paper and board]. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200018195 (accessed 10.02.2024).
Supplementary files
