EP0165867B1 - Procédé de blanchiment de pâte mécanique par le peroxyde d'hydrogène - Google Patents
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Classifications
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- D—TEXTILES; PAPER
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- D21C9/00—After-treatment of cellulose pulp, e.g. of wood pulp, or cotton linters ; Treatment of dilute or dewatered pulp or process improvement taking place after obtaining the raw cellulosic material and not provided for elsewhere
- D21C9/10—Bleaching ; Apparatus therefor
- D21C9/16—Bleaching ; Apparatus therefor with per compounds
- D21C9/163—Bleaching ; Apparatus therefor with per compounds with peroxides
-
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- D21C9/10—Bleaching ; Apparatus therefor
- D21C9/1057—Multistage, with compounds cited in more than one sub-group D21C9/10, D21C9/12, D21C9/16
Definitions
- the invention relates to a process for bleaching mechanical pulp with hydrogen peroxide.
- the bleaching of a mechanical paper pulp consists in eliminating the colored groups from the pulp by oxidation or by reduction of these groups, without dissolving the constituents of the wood in the bleaching liquor. This operation is carried out industrially with hydrogen peroxide H 2 0 2 (P) or sodium or zinc hydrosulfite.
- the use of hydrogen peroxide (P) makes it possible to reach whiteness levels higher than those obtained with h y drosulfite. It has therefore become widespread, where the objective is to prepare whiteness 80 pasta (ISO standard).
- the bleaching is carried out either in a single stage with hydrogen peroxide, or in two stages, the first stage being a treatment with hydrogen peroxide and the second a treatment with hydrosulfite.
- the medium is made alkaline by the addition of caustic soda.
- the hydrogen peroxide rapidly decomposes into oxygen with transient formation of radical species ineffective in the bleaching process. This decomposition is catalyzed by the cations of transition metals present in the pulp.
- bleaching chemical pulps consists in dissolving the residual lignin (delignification), in order to obtain cellulosic pulps free of lignin. It is therefore no longer a question of carrying out a moderate treatment on the colored groups of the paste, but of depolymerizing and dissolving the macromolecules carrying these colored groups.
- oxygen is used to dissolve the lignin from the plant in order to obtain a chemical paste.
- oxygen is not a bleaching agent for mechanical pulps.
- DH ANDREWS AND RP SINGH indicate in the work entitled “The bleaching of pulp", editor TAPPI Press (1979), page 215, that oxygen in an alkaline medium causes yellowing of the mechanical pulp, which is consistent with what is known about the chemistry of lignin in the presence of oxygen.
- oxygen is capable of enhancing the whitening action of hydrogen peroxide in the bleaching of mechanical pulps, whether the two reagents are used in sequence or simultaneously.
- the process for bleaching mechanical pulp with hydrogen peroxide according to the invention is characterized in that, before or simultaneously to said peroxide treatment, the mechanical pulp is subjected to an oxygen pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
- oxygen pressure is meant both the use of oxygen at atmospheric pressure and under pressure, the latter being able to reach a few bars.
- the action of oxygen can therefore be exerted, either from atmospheric oxygen which then acts on the dough, in particular by sweeping or licking, or from oxygen under pressure, for example that exerted under the effect the height of a column of dough in an ascending whitening tower.
- oxygen can be used as a bleaching agent since, as we saw in the preamble, oxygen used alone in an alkaline medium has no bleaching action on a mechanical pulp.
- the mechanical pulp is bleached with hydrogen peroxide under the usual industrial conditions, that is to say in an alkaline medium in the presence of stabilizing agents which can be sodium silicate, magnesium sulphate, the complexes usually used such as the sodium salts of diethylenetriaminopentacetic acid, at a temperature below 100 ° C. under an oxygen atmosphere.
- stabilizing agents which can be sodium silicate, magnesium sulphate, the complexes usually used such as the sodium salts of diethylenetriaminopentacetic acid, at a temperature below 100 ° C. under an oxygen atmosphere.
- the mechanical pulp containing the bleaching agents can be mixed with gaseous oxygen in a suitable mixer before being sent to the bleaching tower, preferably upward.
- the pulp containing bleaching products is sent to an oxygen-containing tower or to any other type of reactor containing oxygen and where the bleaching of the pulp will take place or will continue. It is therefore a process which will be called P / O (sequence: peroxide hydrogen / oxygen) according to the usual internationally accepted codification.
- the mechanical pulp made alkaline by the addition of sodium hydroxide or silicate is mixed with oxygen, then left under oxygen pressure at a temperature below 100 ° C. for the necessary time, which should not exceed four hours.
- This operation is carried out in a suitable reactor which can be a tower.
- the actual bleaching reagents are then added, in particular hydrogen peroxide.
- the dough is placed under the usual bleaching conditions with hydrogen peroxide. This process will therefore be referenced O P according to the accepted codification.
- test No. 1 the pulp is bleached in a single stage with an alkaline liquor of hydrogen peroxide under the following conditions (the reactant levels being expressed by weight of pure product relative to the weight of pulp counted in dry):
- the paste and the alkaline liquor are introduced into an enclosure at the processing temperature. After this treatment, the dough is washed. Its whiteness is 72.2%. The consumption of hydrogen peroxide is 1.75%.
- This test No. 1 corresponds to the sequence P.
- test No. 2 the same unbleached mechanical pulp is treated with oxygen under the following conditions:
- This test No. 2 therefore corresponds to the OP sequence.
- test No. 4 The whiteness obtained after this P / O treatment is 72.3%, a gain of 1.7 points compared to test No. 3, in which no oxygen was introduced.
- test No. 6 The same test is then repeated, this time subjecting the paste to a pressure of 2 bars throughout the treatment with hydrogen peroxide (test No. 6). After this P / O treatment, the whiteness obtained is 75.2%, a gain of 1.2 points compared to test no. 5 which does not include oxygen.
- the reference 1 designates the paste which is sent to the mixer 2 where it simultaneously receives oxygen 3 and hydrogen peroxide 4 brought into the mixer 2 by the three-way valve 5.
- the pasty mixture produced is sent through line 6 to reach the rising tower 7 where this mixture of paste and reagents remains for the time necessary for the reaction.
- the bleached dough is collected in 8.
- the height of the column of dough in tower 7 ensures sufficient oxygen pressure.
- the method according to the invention can be used successfully for bleaching mechanical pulps.
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Description
- L'invention concerne un procédé de blanchiment de pâte mécanique par le peroxyde d'hydrogène.
- Le blanchiment d'une pâte papetière mécanique consiste à éliminer les groupements colorés de la pâte par oxydation ou par réduction de ces groupements, sans solubiliser les constituants du bois dans la liqueur de blanchiment. Cette opération est réalisée industriellement par le peroxyde d'hydrogène H202 (P) ou l'hydrosulfite de sodium ou de zinc.
- L'utilisation du peroxyde d'hydrogène (P) permet d'atteindre des niveaux de blancheur supérieur à ceux obtenus avec l'hydrosulfite. Elle s'est donc généralisée, là où l'objectif est de préparer des pâtes de blancheur 80 (norme ISO). Dans ce cas, le blanchiment est réalisé, soit en un seul stade avec du peroxyde d'hydrogène, soit en deux stades, le premier stade étant un traitement au peroxyde d'hydrogène et le second un traitement à l'hydrosulfite. Dans les conditions optimals d'utilisation du peroxyde d'hydrogène, le milieu est rendu alcalin par addition de soude caustique. Dans ce milieu, le peroxyde d'hydrogène se décompose rapidement en oxygène avec formation transitoire d'espèces radicalaires inopérantes dans le processus de blanchiment. Cette décomposition est catalysée par les cations des métaux de transition présents dans la pâte. Il en résulte une perte en peroxyde d'hydrogène, présent dans ce milieu sous la forme de l'anion HOO-, et donc une diminution de l'efficacité du blanchiment. Dans la pratique, la solution alcaline de peroxyde d'hydrogène est stabilisée par addition de silicate de sodium, de sel de magnesium et souvent de seques- trants des cations métalliques. Malgré ces précautions, la décomposition du peroxyde n'est pas tola- lement supprimée et l'on estime à 10% environ la quantité de peroxyde ainsi perdue.
- On a également proposé d'utiliser l'oxygène en tant qu'agent de blanchiment des pâtes chimiques. Contrairement au blanchiment des pâtes mécaniques, le blanchiment des pâtes chimiques consiste à dissoudre la lignine résiduelle (délignification), afin d'obtenir des pâtes cellulosiques exemptes de lignine. Il ne s'agit donc plus d'effectuer un traitement modéré sur les groupements colorés de la pâte, mais de dépolymériser et de dissoudre les macromolécules portant ces groupements colorés.
- On a proposé, dans le document FR 2 301 630, d'utiliser de l'air comprimé pour réguler la température de la matière à l'entrée d'un défibreur sous pression. Avant son introduction dans le défibreur, la matière est traitée par un peroxyde et une substance alcaline.
- On a aussi suggéré d'utiliser l'oxygène comme agent de cuisson de certaines plantes annuelles. Dans cette application, l'oxygène sert à dissoudre la lignine du végétal dans le but d'obtenir une pâte chimique.
- En revanche, l'oxygène n'est pas un agent de blanchiment des pâtes mécaniques. D'ailleurs, D.H. ANDREWS ET R.P. SINGH indiquent dans l'ouvrage intitulé «The bleaching of pulp», éditeur TAPPI Press (1979), page 215, que l'oxygène en milieu alcalin provoque un jaunissement de la pâte mécanique, ce qui est conforme à ce que l'on sait de la chimie de la lignine en présence d'oxygène.
- Il a été démontré qu'au cours du traitement des végétaux ou des pâtes chimiques par l'oxygène, la dissolution de la lignine s'accompagnait de la formation de petites quantités de peroxyde d'hydrogène ainsi formé dans le mécanisme du blanchiment à l'oxygène des pâtes chimiques. Sans doute a-t-il lui aussi une action propre dans le blanchiment et la pâte chimique ainsi traitée. C'est la raison pour laquelle il a été proposé dans les procédés de délignification à l'oxygène, qu'il s'agisse de la cuisson des végétaux ou du blanchiment des pâtes chimiques, d'introduire du peroxyde d'hydrogène dans la liqueur. L'efficacité de la délignification s'en trouve améliorée. Il ressort donc de ces travaux que le peroxyde d'hydrogène peur renforcer l'action délignifiante de l'oxygène.
- Contrairement à l'enseignement de l'art antérieur exposé ci-dessus, l'oxygène est capable de renforcer l'action blanchissante du peroxyde d'hydrogène dans le blanchiment des pâtes mécaniques, que les deux réactifs soient utilisées en séquence ou simultanément.
- Le procédé de blanchiment de pâte mécanique par le peroxyde d'hydrogène conforme à l'invention se caractérise en ce que, préalablement ou simultanément audit traitement peroxyde, la pâte mécanique est soumise à une pression d'oxygène supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
- Dans la suite du texte, par «pression d'oxygène», on entend aussi bien l'utilisation de l'oxygène à pression atmosphérique que sous pression, celle-ci pouvant atteindre quelques bars. L'action de l'oxygène peut donc s'exercer, soit à partir d'oxygène atmosphérique qui alors agit sur la pâte, notamment par balayage ou lèchage, soit à partir d'oxygène sous pression, par exemple celle exercée sous l'effet de la hauteur d'une colonne de pâte dans une tour ascendante de blanchiment.
- Il est tout à fait inattendu que l'oxygène puisse être utilisé comme agent de blanchiment puisque, comme on l'a vu dans le préambule, l'oxygène utilisé seul en milieu alcalin n'a aucune action blanchissante sur une pâte mécanique.
- Dans une première forme de réalisation de l'invention, on réalise le blanchiment de la pâte mécanique par un peroxyde d'hydrogène dans les conditions industrielles habituelles, c'est-à-dire en milieu alcalin en présence d'agents stabilisants qui peuvent être le silicate de sodium, le sulfate de magnésium, les com- plexants habituellement utilisés comme les sels de sodium de l'acide diéthylènetriaminopentacétique, à température inférieure à 100°C sous atmosphère d'oxygène. Dans cette forme de réalisation, la pâte mécanique contenant les agents de blanchiment peut être mélangée avec de l'oxygène gazeux dans un mélangeur approprié avant d'être envoyé dans la tour de blanchiment, ascendante de préférence.
- Dans une variante, la pâte contenant des produits de blanchiment est envoyée dans une tour contenant de l'oxygène ou dans tout autre type de réacteur contenant de l'oxygène et où se déroulera ou se poursuivra le blanchiment de la pâte. Il s'agit donc d'un procédé qui sera dénommé P/O (séquence: peroxyde d'hydrogène/oxygène) selon la codification usuelle internationalement admise.
- Dans une deuxième forme de réalisation, la pâte mécanique rendue alcaline par addition de soude ou de silicate, est mélangée avec de l'oxygène, puis laissée ainsi sous pression d'oxygène à une température inférieure à 100°C pendant le temps nécessaire, qui ne devrait pas excéder quatre heures. Cette opération s'effectue dans un réacteur approprié qui peut être une tour. On additionne ensuite les réactifs du blanchiment proprement dit, notamment le peroxyde d'hydrogène. Enfin, on place la pâte dans les conditions habituelles de blanchiment au peroxyde d'hydrogène. Ce procédé sera donc référencé O P selon la codification admise.
- D'autres combinaisons sont envisageables, par exemple la combinaison O P/O dans lequel le deuxième stade de traitement est réalisé également sous atmosphère d'oxygène.
- Il va de soi qu'il peut être également utile d'effectuer dans le procédé selon l'invention des stades de lavage et/ou de pressage et de réaliser des recyclages partiels d'effluents contenant du peroxyde résiduel ou des produits d'oxydation de la pâte par l'oxygène ou le peroxyde d'hydrogène.
- Avantageusement, en pratique:
- - la pression d'oxygène est inférieure à cinq bars et est notamment comprise entre deux et trois bars, ce qui permet d'utiliser des appareillages usuels; le procédé ne fait donc pas appel à un investissement coûteux;
- - lorsque la pression d'oxygène est appliquée, le pH de la pâte est compris entre neuf et douze, et de préférence entre dix et onze, c'est-à-dire entre les chiffres usuellement appliqués pour le blanchiment des peroxydes mécaniques;
- - de même, lorsque cette pression d'oxygène est appliquée, la température est comprise entre 40 et 100°C, et de préférence 50 à 60°C; en effet, si la température excède 100°C, l'oxygène risque de délignifier la pâte;
- - la consistance de la pâte est comprise entre 8 et 30%, et de préférence entre 10 et 20%;
- - enfin, la liqueur de blanchiment au peroxyde d'hydrogène est une liqueur conventionnelle comprenant outre le peroxyde d'hydrogène, du silicate de sodium, et autres agents séquestrants habituellement utilisés.
- La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif.
- Dans ces exemples, à l'exception de l'exemple 4, chaque fois, on soumet l'échantillon de la pâte à deux essais, à savoir:
- - le premier essai (essais 1, 3 et 5) à un traitement classique au peroxyde (P);
- - puis ensuite, à un traitement selon l'invention (essais 2, 4, 6), c'est-à-dire (P/O ou OP).
- Dans tous ces exemples, on utilise une pâte mécanique de meule de sapin épicéa ayant une blancheur écrue de 56% mesurée selon la norme ISO sur l'appareil Elrepho.
-
- Pour ce faire, la pâte et la liqueur alcaline sont introduites dans une enceinte à la température de traitement. Après ce traitement, la pâte est lavée. Son degré de blancheur est de 72,2%. La consommation de peroxyde d'hydrogène est de 1,75%.
- Cet essai n° 1 correspond à la séquence P.
-
- Après ce traitement à l'oxygène (O), la pâte est lavée, puis est traitée par la liqueur contenant du peroxyde d'hydrogène (P) et ce, dans les mêmes conditions que dans l'essai n 1. La blancheur obtenue est de 73,2%. Cela représente un gain de 1 point par rapport à l'essai n° 1. La consommation du peroxyde d'hydrogène est de 1,5%, soit inférieure de 0,25% à celle du premier essai.
- Cet essai n ° 2 correspond donc à la séquence OP.
- La même pâte que précédemment est traitée par la liqueur alcaline de peroxyde d'hydrogène de l'exemple 1 dans un autoclave métallique plongé dans le thermofluide d'un réacteur rotatif de laboratoire (essai n 3). Les conditions de traitement sont identiques à celles de l'essai n° 1. Après cette séquence P, la blancheur obtenue est de 70,6%, probablement du fait d'un malaxage insuffisant.
- On reprend le même essai en soumettant la pâte à une pression d'oxygène de 3 bars et ce, pendant tout le long du traitement par le peroxyde d'hydrogène (essai n° 4). La blancheur obtenue après ce traitement P/O, est de 72,3%, soit un gain de 1,7 points par rapport à l'essai n° 3, dans lequel on n'a pas introduit d'oxygène.
- La même pâte mécanique de sapin épicéa que précédemment est traitée cette fois dans un réacteur horizontal agité intérieurement par des palettes fixées sur un arbre rotatif horizontal (essai n° 5) par la même liqueur alcaline de peroxyde d'hydrogène et ce, dans les conditions de l'essai n° 1. Après traitement (P), la blancheur est nettement améliorée puisqu'elle passe à 74%.
- On reprend ensuite le même essai en soumettant cette fois la pâte à une pression de 2 bars tout au long du traitement par le peroxyde d'hydrogène (essai n 6). Après ce traitement P/O, la blancheur obtenue est de 75,2%, soit un gain de 1,2 points par rapport à l'essai n° 5 qui ne comprend pas d'oxygène.
- La même pâte mécanique écrue de sapin épicéa, c'est-à-dire de blancheur 56% est traitée par une liqueur alcaline sous une pression d'oxygène de 3 bars. Cette liqueur ne contient pas de peroxyde d'hydrogène. Les conditions de traitement sont identiques à celles de l'essai n° 4, c'est-à-dire avec utilisation d'un autoclave métallique. On soumet donc la pâte à une pression de 3 bars d'oxygène pendant toute la durée du traitement. Après ce traitement O, la blancheur obtenue est de 54,5% contre 72,3% selon l'invention.
- Dans cet exemple, on traite, conformément au procédé selon l'invention, la même pâte mécanique de sapin épicéa que dans les autres exemples dans une tour montante schématisée à la figure unique annexée d'usage courant pour le blanchiment en papeterie.
- Dans cette figure, la référence 1 désigne la pâte qui est envoyée au mélangeur 2 où elle reçoit simultanément de l'oxygène 3 et du peroxyde d'hydrogène 4 amené dans le mélangeur 2 par la vanne trois voies 5.
- Le mélange pâteux réalisé est envoyé dans la conduite 6 pour arriver à la tour montante 7 où ce mélange pâte et réactifs séjourne le temps nécessaire pour la réaction. La pâte blanchie est récupérée en 8.
- La hauteur de la colonne de pâte dans la tour 7, assure une pression d'oxygène suffisante.
- Ces résultats montrent bien que dans le procédé selon l'invention, l'oxygène n'est pas en soi un agent de blanchiment de pâte mécanique (voir exemple 4), mais qu'en revanche, la combinaison de l'oxygène avec le peroxyde d'hydrogène agissant soit simultanément ou préalablement, renforce le pouvoir blanchissant du peroxyde d'hydrogène.
- De la sorte, le procédé selon l'invention peut être utilisé avec succès pour le blanchiment des pâtes mécaniques.
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