CC BY
12ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО СЫРЬЯ
Герке Лариса Николаевна
кандидат тех. наук, доцент, Казанский Национальный Исследовательский Технологический
Университет, г. Казань
STUDY HYDROLYSIS PROCESS CELLULOSIC FEEDSTOCKS
Gerke Larisa, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Kazan State Technological University, Kazan АННОТАЦИЯ
Целью является исследование процесса гидролиза целлюлозного сырья, в том числе влияние кислотного катализатора на протекание этого процесса; также были проведены исследования структуры материала целлюлозного сырья методом просвечивающей электронной микроскопии. Можно сделать вывод о том, что чем выше концентрация кислоты, тем процесс гидролиза протекает интенсивнее. В результате проведения процесса получаются фракции микрофибриллированной целлюлозы. ABSTRACT
The purpose is to study the hydrolysis of cellulosic materials, including the influence of the acid catalyst on the course of the process; studies were also performed cellulosic feedstock material structure by transmission electron microscopy. It can be concluded that the higher the acid concentration, the hydrolysis proceeds readily. As a result of the process, a fraction microfibrillated cellulose.
Ключевые слова: гидролиз. Keywords: hydrolysis.
Древесина представляет собой уникальный, постоянно возобновляемый источник химическою сырья. И квалифицированное комплексное использование всей биомассы является важнейшей задачей с точки зрения экономики и экологической безопасности. Для химической переработки древесина интересна своим комплексом природных органических полимеров - целлюлозы, нецеллюлозных полисахаридов, лигнина, а также разнообразных низкомолекулярных соединений экстрактивных веществ.
Древесина - это ткань древесных и кустарниковых растений, придающая им механическую прочность и участвующая в их питании. Она состоит из клеток (волокон, сосудов) с одревесневшими (пропитанными лигнином) оболочками и составляет основную часть ствола, корней и ветвей растений. Между корой дерева и самой древесиной находится слой живых клеток (камбий), при делении которых, с одной стороны, образуется кора, с другой - новый слой древесины.
По своей природе древесина является клеточным биокомпозитом. Это полукристаллические целлюлозные микрофибриллы, армированные в аморфные матрицы из гемицеллюлозы, лигнина, восков, экстрактивных веществ и микроэлементов.
Среди процессов химической переработки древесины, а также и отходов древесного производства большое распространение получили процессы каталитической переработки [1]. Для ускорения процесса в реакцию вводят различного рода катализаторы. Этим и обуславливается многообразие этих самых каталитических методов. Поиск всё новых катализаторов и новые методы проведения самого процесса представляют научный интерес. В данном случае используется серная кислота. Целью исследования является изучение влияния кислотного катализатора на процесс гидролиза целлюлозного сырья. Для проведения опытов в качестве основного материала использовалась хлопковая целлюлоза - стерильная медицинская вата.
Хлопковая целлюлоза - продукт переработки хлопкового линта. Хлопковая целлюлоза является исходным сырьём для производства пороха, лакокрасочной продук-
ции, микрокристаллической целлюлозы, карбоксиметил-целлюлозы (КМЦ), коллоксилина, пластмасс, высококачественных сортов бумаги и других видов продукции. Это рыхлая масса белого цвета, не содержащая посторонних включений в виде щепы, песка, кусочков резины, металлических включений и других примесей нецеллюлозного характера [2]. Исследования проводились на экспериментальной установке (см. рис. 1).
Экспериментальная установка состоит из трех основных узлов. В данном случае это - реактор (1), в котором протекает реакция; термостат (2) для подачи теплоносителя в рубашку реактора и поддержания тем самым определённого теплового режима и верхнеприводная мешалка (3) для перемешивания содержимого реактора. Теплоноситель из термостата в реактор перемещается по теплоизолированным трубкам. В качестве теплоносителя используется жидкость ПМС-100. Контроль температуры осуществляется при помощи термометра сопротивления (4), подключённого к терморегулятору ТРМ 1. Учёт давления не производится, однако подключен манометр (6) по умолчанию. Реактор необходимо предварительно нагреть до определенной температуры. Нагрев теплоносителя осуществляется термостатом. Температура, поддерживаемая в термостате, должна быть заведомо выше необходимой в реакторе. Эта разница температур между реактором и термостатом составляет около 200С. Макромолекулы целлюлозы построены из элементарных звеньев D-глюкозы, соединённых 1.4-р-гликозидными связями в линейные, неразветвленные цепи. Целлюлоза - типичный аморфно-кристаллический полимер, в котором наряду с аморфными областями существуют упорядоченные области с трехмерным дальним порядком (кристаллиты). Доля кристаллических областей (индекс кристалличности) и размеры кристаллитов зависят от происхождения целлюлозы.
Суть проводимого процесса гидролиза заключается в воздействии на целлюлозу сильной кислоты в контролируемых условиях процесса, таких как: концентрация кислоты, температура, скорость перемешивания и время реакции [3]. Для проведения процесса берутся несколько образцов исследуемой серной кислоты различной кислотности (см.табл.).
Рисунок. 1. Экспериментальная установка.
Таблица
_Исследуемые образцы_
Номер образца Вес образца, г Количество р-ра кислоты, мл
Образец 1 (20%) 9,35 187,5
Образец 2 (30%) 6,75 135
Образец 3 (40%) 6,13 122
Образец 4 (60%) 4,85 97
Процесс проходит следующим образом. В реактор загружается навеска целлюлозы и после заливается раствор кислоты. Начинается процесс набухания. Ректор закрывается крышкой. Привод мешалки устанавливается на значение 56~112 об/мин, и через определённые промежутки времени это значение увеличивается. Таким образом, в начале опыта обороты делаются минимальными, чтобы процесс набухания протекал более полно. С переходом целлюлозы в раствор обороты поднимаются, пока не установятся на одном определённом значении - 198 об/мин. Общее время реакции для каждого опыта отличается. Сам же процесс гидролиза для каждого опыта длится порядка 30 минут. Потом в реактор заливается 100200 мл воды, чтобы нейтрализовать реакцию. И в оставшееся время получающаяся при этом смесь перемешивается. Затем содержимое реактора сливается и промывается дистиллированной водой. Так как в смеси остаётся кислота, её необходимо промыть. Поэтому суспензию неоднократно промывают водой при помощи процесса центрифугирования. Надосадочная жидкость отбирается, и добавляется новая порция воды. После каждого цикла замеряется рН жидкости и смеси. Центрифугирование прекращается после 10-15 промывок. Каждый цикл длится 20
минут при 5000 об/мин. Результаты проведения исследования и анализ четырех взятых образцов показывают, что наиболее быстро процесс гидролиза целлюлозного сырья проходит при концентрации серной кислоты 60% (образец № 4). Также можно сделать вывод о том, что чем выше концентрация кислоты, тем процесс гидролиза протекает интенсивнее. Кислотный катализатор способствует разрушению надмолекулярной структуры целлюлозного волокна за достаточно короткий промежуток времени (порядка 30 минут). В том числе, это дополнительно доказывает эффективность применения кислотных катализаторов в процессах гидролиза.
Также были проведены исследования структуры материала целлюлозного сырья методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (см.рис. 2).
Судя по полученным снимкам процесс гидролиза приводит к получению фракции микрофибриллирован-ной целлюлозы. Этот результат также подтверждается данными гранулометрического анализа. Больше всего в образце содержится частиц размерами порядка 50 - 100 мкм, а наноразмерные частицы (порядка 200 пт) отсутствуют.
Рисунок 2. Структура материала целлюлозного сырья.
Литература
1. Мосягин В. И. Вторичные ресурсы целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности. -Москва: Наука, 1987.
2. ГОСТ 595-79 «Целлюлоза хлопковая. Технические условия»
3. Роговин З. А. Химия целлюлозы. - Москва: Наука, 1978.
БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Герке Лариса Николаевна
кандидат тех. наук, доцент, Казанский Национальный Исследовательский Технологический
Университет, г. Казань
BIOCHEMICAL METHODS OF WOOD PROCESSING
Gerke Larisa, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Kazan State Technological University, Kazan АННОТАЦИЯ
Ферментативная делигнификация древесной биомассы, биологический метод воздействия на древесину сосны грибом P.gigantea, который может принести существенную выгоду в процессе целлюлозно-бумажного производства. Раскрыта разработка в области глубокой переработки древесины, направленная на изготовление высококачественной клееной продукции на основе нанотехнологий, а также технология биохимической переработки отработанных щелоков. ABSTRACT
Enzymatic delignification of wood biomass, the biological method of influence on the wood of pine fungus P. gigantea, which can bring substantial benefits in the process of pulp and paper production. Disclosed the development in the field of deep
