Zařízení a technologie pro výrobu sodné soli karboxymethylcelulózy

Karboxymethylcelulóza (CMC) je chemicky jednoduchý ester celulózy a kyseliny glykolové. Je dostupný ve formě kyseliny celulózové glykolové a její sodné soli (sodná sůl karboxymethylcelulózy nebo Na-CMC).

Na-karboxymethylcelulóza (Na-CMC) je bílý nebo žlutobílý jemnozrnný nebo vláknitý materiál, který je rozpustný ve vodě při jakékoli teplotě.

Na-CMC má následující vlastnosti:

• snadno se rozpouští ve vodě, tvoří viskózní roztoky;
• vykazuje synergický účinek s proteinovými biopolymery (kasein, sójový protein);
• viskozita zůstává po dlouhou dobu nezměněna;
• má schopnost zadržovat vodu;
• žádný zápach nebo chuť;
• má stabilní stabilizační a pojivové vlastnosti (vytváří viskózní roztoky, které si dlouhodobě zachovávají plasticitu);
• vytváří průhledný a odolný film;
• odolný vůči intenzivnímu slunečnímu záření;
• není toxická látka;
• nerozpustný v organických rozpouštědlech, olejích, tucích živočišného a rostlinného původu.

Na-CMC se používá v geologickém průzkumu, v průmyslu těžby ropy a plynu jako ochranný koloidní stabilizátor pro vysoce mineralizované jílové suspenze (vrtné kaly), při výrobě syntetických detergentů; v textilním průmyslu pro klížení osnovních nití; v těžebním a zpracovatelském průmyslu a těžebním a chemickém průmyslu při flotačním obohacování měď-niklových a sylvinitových rud; ve stavebnictví a sirkovém průmyslu jako lepicí materiál; v papírenském průmyslu jako přísada do papíroviny, jako lepidlo na tapety; v keramickém průmyslu jako suspendační a pojivo.

Technologie pro výrobu sodné soli karboxymethylcelulózy (CMC)

Na-CMC se získává působením kyseliny monochloroctové (MCA) nebo její sodné soli (Na-MCA) na alkalickou celulózu (často v prostředí organického rozpouštědla – ethanol, isopropanol, benzen, toluen).

Právě ve fázi alkalické úpravy celulózových vláken (mercerace) se formují hlavní vlastnosti produktu: viskozita, rozpustnost, rovnoměrnost distribuce substituentů, stupeň substituce (DS) a stupeň polymerace (DP).

V současné době existují tři způsoby provádění karboxymethylační reakce celulózy: suspenzní (kapalná fáze nebo heterogenní, v prostředí rozpouštědla), pevná fáze (bez rozpouštědla) a homogenní (v roztoku).

Karboxymethylace celulózy suspenzní metodou

Suspenzní metody pro získání CMC umožňují zvýšit míru využití O-alkylačního činidla na 80. 90 %, získat více homogenní produkty a modifikovat CMC během procesu syntézy. Touto metodou lze získat vysoce rozpustné přípravky CMC s nižší spotřebou O-alkylačního činidla.

Médiem použitým k získání CMC pomocí suspenzní metody může být ethanol, propanol-2, propanol-1, terciární butylalkohol, benzen, aceton, směs alkoholů a dalších organických rozpouštědel.

Karboxymethylace celulózy metodou na pevné fázi

Při výrobě CMC metodou v pevné fázi je technická celulóza vystavena různým mechanickým vlivům: mechanickému broušení, mechanochemickému zpracování, extruzi.

Technická celulóza se při mechanickém zpracování podrobí intenzivnímu mechanickému mletí hydroxidem sodným a následně přidáním MHC při periodickém mletí. Bylo zjištěno, že mechanochemická karboxymethylační reakce zahrnuje převážně primární hydroxylové skupiny, zatímco přeměny sekundárních atomů na atomech C2 a C3 glukopyranózového kruhu probíhají stejně.

V podmínkách plastického toku v nepřítomnosti rozpouštědla a vody na Bridgmanových kovadlinách se ukázalo, že míra užitečného využití MCC při výrobě karboxymethylcelulózy je 60. 70 %, zatímco u tradičního způsobu výroby ve vodném nebo vodně-organickém prostředí nepřesahuje 50 %.

Homogenní metoda karboxymethylace celulózy

Problémy homogenní karboxymethylace jsou spojeny s hledáním rozpouštědel pro celulózu, studiem mechanismu karboxymethylace a rozpouštění.

Pro technickou celulózu byla použita následující rozpouštědla:

• vodný roztok komplexu Ni(trem)(OH)₂ (tren-tris(2-aminoethyl)amin);
• N-methylmorfolin-M-oxid (NMMO). Použití NMMO jako rozpouštědla umožňuje získat CMC s C3 1,8 v jednostupňové karboxymethylaci celulózy;
• systém LiCl-dimethylacetamid (DMAA) se používá k získání CMC s vysokým SZ (až 2,5);
• vodný roztok LiOH-močoviny. Homogenní karboxymethylace poskytla ve vodě rozpustné estery s DC 0,36. 0,65;
• vodný roztok NaOH-močovina. Bavlněná celulóza a Avicell celulóza byly rozpuštěny ve vodném roztoku obsahujícím 7 % NaOH a 12 % močoviny a karboxymethylovány na DS 0,20. 0,62;
• Systém DMAA-LiCl se používá pro současné rozpouštění a aktivaci celulózy s následným přidáním pevného bezvodého NaOH;
• tavenina LiClO₄3H₂O;

Výhodou homogenní karboxymethylace je tedy výroba rovnoměrně substituovaných produktů s DS až 2,5, ale jsou zapotřebí velké objemy účinných celulózových rozpouštědel.

U metody na pevné fázi se doba trvání procesu výrazně zkracuje, ale zesílení reakce v důsledku různých mechanických vlivů vede k poklesu DP v důsledku destrukce polysacharidů.

Suspenzní (kapalná fáze) metoda, která je hlavní průmyslovou metodou, umožňuje získat homogenní produkty se specifikovanými vlastnostmi.

Surovinový základ pro získání sodné soli karboxymethylcelulózy

Volba výchozí celulózové suroviny pro výrobu Na-CMC je spojena s kvalitativními požadavky kladenými na Na-CMC, zejména takové ukazatele jako DP a SZ, a rovnoměrností distribuce karboxymethylových skupin podél řetězce. Nejlepší surovinou pro získávání technického Na-CMC u nás i v zahraničí je bavlněná celulóza. Kromě bavlněné celulózy se k výrobě CMC používá technická bělená dřevní celulóza získaná sulfitovou nebo sulfátovou metodou.

V Rusku jsou hlavními dodavateli technické buničiny pobočky OJSC Ilim Group v Bratsku a Ust-Ilimsku a OJSC Syassky Pulp and Paper Mill.

Technická CMC se získává z bavlněné celulózy, která má řadu výhod oproti produktům získaným z dřevité celulózy. V bavlněných surovinách dosahuje obsah alfa-celulózy 98 %, což umožňuje získat technické CMC se zvýšenými zahušťovacími a adhezivními vlastnostmi.