Научная статья на тему 'Лесохимия – современное состояние и перспективы развития. Часть 1. Целлюлозно-бумажное и гидролизное производство'

Лесохимия – современное состояние и перспективы развития. Часть 1. Целлюлозно-бумажное и гидролизное производство Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
1138
195
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БУМАГА / ДРЕВЕСИНА / ГИДРОЛИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ / ПЕРСПЕКТИВЫ / ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА / ЦЕЛЛЮЛОЗА / A PAPER / WOOD / HYDROLYSIS OF VEGETATIVE RAW MATERIALS / PROSPECTS / CHEMICAL PROCESSING / CELLULOSE

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Вильданов Ф. Ш., Агабеков В. Е., Латыпова Ф. Н., Чанышев Р. Р., Красько С. А.

Изложены основные сведения о современных принципах использования древесины, заложенных в международных договоренностях по управлению лесными ресурсами. Описано современное состояние промышленных целлюлозно-бумажных производств, производств гидролиза древесины и другого растительного сырья. Приведены перспективные процессы переработки древесины и полупродуктов с целью повышения эффективности технологий получения целлюлозы и бумаги. Представлены проблемы и перспективы отечественных гидролизных производств.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Вильданов Ф. Ш., Агабеков В. Е., Латыпова Ф. Н., Чанышев Р. Р., Красько С. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Dendrochemistry: a current state and development prospects. Part 1. Pulp-and-paper and hydrolytic manufacture

The basic data on modern principles of use of the wood put in the international arrangements on management of wood resources are stated. The current state of industrial pulp-and-paper and hydrolytic manufactures is described. Perspective processes of processing of wood and semiproducts for the purpose of increase of efficiency of technologies of reception of cellulose and a paper are resulted. Problems and prospects of domestic hydrolytic manufactures are presented.

Текст научной работы на тему «Лесохимия – современное состояние и перспективы развития. Часть 1. Целлюлозно-бумажное и гидролизное производство»

Ф. Ш. Вильданов (к.т.н., в.н.с.)1, В. Е. Агабеков (д.х.н., проф.)2,

Ф. Н. Латыпова (к.х.н., доц.)1, Р. Р. Чанышев (д.т.н.)1, С. А. Красько (к.т.н., преп.)1,

Ю. А. Булатова (студ.)1

Лесохимия — современное состояние и перспективы развития. Часть 1. Целлюлозно-бумажное и гидролизное производство

1 Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431712, reaktiv2003@mail.ru 2Институт химии новых материалов НАН Беларуси 220141, Республика Беларусь, г. Минск, ул. Ф. Скорины, 36; тел.+375(17) 2376828,

e-mail: mixa@ichnm.basnet.by

F. Sh. Vildanov 1, V. E. Agabekov 2, F. N. Latypova 1,

R. R. Chanyshev 1, S. A. Krasko 1, Yu. A. Bulatova 1

Dendrochemistry: a current state and development prospects. Part 1. Pulp-and-paper and hydrolytic manufacture

1 Ufa State Petroleum Technological University

1, Kosmonavtov str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347)2431712 2Institute of Chemistry of New Materials of the NAS of Belarus 36, F. Scoriny str, 220141, Minsk, Belarus Republic; ph. + 375(17) 2376828, e-mail: mixa@ichnm.basnet.by

Изложены основные сведения о современных принципах использования древесины, заложенных в международных договоренностях по управлению лесными ресурсами. Описано современное состояние промышленных целлюлознобумажных производств, производств гидролиза древесины и другого растительного сырья. Приведены перспективные процессы переработки древесины и полупродуктов с целью повышения эффективности технологий получения целлюлозы и бумаги. Представлены проблемы и перспективы отечественных гидролизных производств.

Ключевые слова: бумага; древесина; гидролиз растительного сырья; перспективы; химическая переработка; целлюлоза.

The basic data on modern principles of use of the wood put in the international arrangements on management of wood resources are stated. The current state of industrial pulp-and-paper and hydrolytic manufactures is described. Perspective processes of processing of wood and semiproducts for the purpose of increase of efficiency of technologies of reception of cellulose and a paper are resulted. Problems and prospects of domestic hydrolytic manufactures are presented.

Key words: a paper; wood; hydrolysis of vegetative raw materials; prospects; chemical processing; cellulose.

На территории Российской Федерации расположено 20% мировых запасов леса, при этом общие промышленные ресурсы древесины в России достигают 30 млрд м3. Лесной фонд РФ занимает около 69% территории страны. Этот фактор является ключевым для развития встране процессов химической переработки древесины. Между тем, на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио де Жанейро, прошедшей в 1992 г., особое

Дата поступления 5.11.12

внимание было обращено на необходимость устойчивого управления лесами. Странами-участниками конференции были разработаны и утверждены так называемые «Лесные принципы». Согласно этому документу «лесные ресурсы и лесные земли следует использовать так, чтобы удовлетворять социальные, экономические, экологические, культурные и духовные потребности современного и будущего поколений». С конца 1990-х гг. Россия является участником Межправительственной рабочей

группы по критериям и индикаторам сохранения и устойчивого управления бореальными и умеренными лесами (Монреальского процесса) и Панъевропейского (Хельсинского) процесса по защите лесов Европы, устанавливающих нормы добычи и переработки древесного сырья с целью устойчивого развития и восполнения лесных ресурсов. Основные критерии и принципы устойчивого управления лесами, заложенные в Монреальском и Хельсинском процессе, отражены в Лесном кодексе РФ и

соответствующих законодательных и норма-1

тивных актах .

На сегодняшний день средняя стоимость продукции в экономически развитых странах на 1 м3 заготовленной древесины составляет около $350, в России — не превышает $70 2. Очевидно, что важнейшим фактором развития лесопромышленного комплекса Российской Федерации является углубление переработки древесины и повышение эффективности существующих производств. Одним из основных путей достижения этих задач является развитие методов глубокой химической переработки древесины и отходов лесопромышленных комплексов.

Химическая переработка древесины предусмотрена в промышленных целлюлозно-бумажных, гидролизных и лесохимических производствах. Целлюлозно-бумажные производства основаны на переработке волокнистых древесных материалов в бумагу, картон, целлюлозу. Продукция гидролизных производств

— этанол, фурфурол, белково-витаминные концентраты, ксилит, сорбит и др. Собственно лесохимические производства включают термохимическую и экстрактивную переработку древесины с получением угля, смолы, канифоли, скипидара, уксусной, пропионовой, масляной кислот, метанола, дубильных веществ, фармацевтических и парфюмерных препара-

3

тов и др. .

Основные принципы производства бумаги, заложенные в Китае в начале прошлого тысячелетия, послужили основой для организации современного целлюлозно-бумажного производства 4. Древесину подвергают механическому измельчению, затем обрабатывают ее варочным раствором (раствором химических реагентов), в результате чего клетки древесины разъединяются, лигнин растворяется, и получается волокнистая целлюлоза, пригодная для дальнейшей переработки в бумагу, картон и другие изделия.

В промышленности распространены сульфатный (рис. 1) и сульфитный методы варки древесной массы, также используются бисуль-фитный, нейтрально-сульфитный методы и их комбинации 5,6.

Все эти способы связаны с использованием агрессивных реагентов, и несмотря на современные установки регенерации, часть их неизбежно попадает в окружающую среду, нанося ей непоправимый вред.Еще один этап, связанный с применением агрессивных сред, — отбеливание целлюлозы с применением хлор-

Древесина

Подготовка

древесины

Газообразные отходы, скипидар

щепа

і'

Варка

Целлюлоза

+

черный щелок

Черный

щелок

Отходы на утилизацию

Промывка,

очистка,

сортировка

Отбелка

Обезвоживание и сушка

Шлам

СаСОз

Регенерация

извести

ж.''

Белый щелок

Разбавленный черный щелок

Целлюлоза

Каустизация

......11.......

Зеленый щелок

Сжигание

......> к......... ы

Упаренный

черный щелок

Выпарка

-----і------

Сульфатное

Сульфат

натрия

Рис. 1. Общая схема производства сульфатной целлюлозы

содержащих реагентов7. Однако с середины 1990-х гг. наблюдается тенденция к практически полном отказу предприятий от хлорсодержащих реагентов и переход на более экологичные отбеливатели 8,9.

В настоящее время для снижения объемов использования агрессивных химреагентовпри-меняется дополнительная стадия кислородной делигнификации (рис. 2) 10, применяемая в качестве отдельного технологического процесса предварительной отбелки либо в сочетании с этапом варки целлюлозы 11. Для ее осуществления используются кислород и щелочь, при этом отработанный фильтрат после делигни-фикации может использоваться для промывки небеленной целлюлозы. Перспектива использования такого процесса не вызывает сомнений и уже сейчас используется на многих предприятиях.

№ОИ пар О2 завы

Вода для промывки

Небеленная ,

Смесители и реакторы

Промывные

аппараты

Масса на ^ дальнейшую отбелку

Рис. 2. Блок-схема процесса кислородной делигни-фикации

Среди перспективных промышленных процессов для целлюлозно-бумажного производства необходимо отметить также отбеливание озоном, отбеливание смесью 02+Н20212, УФ-сушка и др. 2.Современные технологии позволяют использовать в производстве бумаги и картона до 50% вторичного сырья (макулатуры) 13, а также недревесные растительные виды сырья, включая солому и травы (например, лен, рис), жмых сахарного тростника (сахарный тростник), коноплю, лен, рами, кенаф, хлопок, лиственные волокна14,что, в свою очередь, также создает благоприятные предпосылки для снижения нагрузки на окружающую среду. Безусловно, для скорейшей модернизации отечественной целлюлозно-бумажной промышленности необходимо внедрение новых видов технологического оборудования. Так, по некоторым данным, более 80% варочных установок непрерывного действия на российских предприятиях отрасли находятся в эксплуатации более 25 лет, 50% варочных котлов периодического действия — более 50 лет 15. Техническое и технологическое перевооружение, снижение экспорта древесного сы-

рья, наращивание объемов производства импортозамещающей бумажно-картонной продукции позволят в обозримом будущем полностью обеспечить растущие темпы внутреннего потребления и стабилизировать развитие целлюлозно-бумажной отрасли в России.

Гидролизная переработка растительного сырья основана на свойстве полисахаридов растений подвергаться гидролитическому расщеплению до моносахаридов под действием воды в присутствии минеральных кислот. Гидролизное производство на сегодняшний день считается одним из наиболее перспективных промышленных способов химической переработки древесины и позволяет получать широкий спектр химической и биотехнологической продукции с внедрением современных безотходных технологий.

Промышленные гидролизные производства основаны на гидролизе древесины концентрированными и разбавленными кислотами (рис. 3) 16.

Один из основных продуктов гилролиза — этиловый спирт. Сегодня во всем мире наблюдается тенденция к развитию производства биоэтанола, в том числе, из древесных отходов, что указывает на необходимость скорейшего восстановления гидролизных производств в стране и организации на их базе выпуска ценных химических продуктов. Вполне вероятно, что именно гидролизный этанол в ближайшее время может стать одним из главных видов альтернативного химического сырья и топлив и послужить основой для повсеме-

17

стного развития гидролизных производств .

Побочные продукты гидролиза древесины — фурфурол и гидроксиметилфурфурол,в свою очередь распадающиеся с образованием левулиновой и муравьиной кислот. Фурфурол имеет высокую ценность на мировом рынке в качестве растворителя в производстве синтетической резины, для очистки масел в нефтепереработке, является исходным сырьем для получения фурфурилового спирта, используемого в производстве синтетических смол, антикоррозийных лаков; в синтезе тетрагидрофурана — растворителя, сырья для получения полиуретановых каучуков, компонента при производстве полиэфиров, графена. Фурфурол имеет также важное значение в производстве фармацевтических антимикробных препаратов 18. На сегодняшний день крупнейшими производителями фурфурола и фурфурилового спирта являются Китай (более 70% мирового рынка), страны Евросоюза, Турция. Следует отметить, что производители Китая и стран Карибского

Рис. 3. Схема получения гидролизатаперколяционным гидролизом: 1 — ленточный конвейер; 2 — загрузочная воронка; 3 — гидролизаппарат; 4 — мерник кислоты; 5 — плунжерный насос; 6 — смеситель; 7 — клапан; 8 — выдувная труба; 9 — циклон; 10 — скребковый конвейер; 11 — ленточный конвейер; 12 — струйный водоподогреватель; 13 — испарители; 14 — инвертор; 15 — сборник гидролизата; 16, 21 — конденсаторы; 17 — трубчатый решофер; 18 — пластинчатые решоферы; 19 — испаритель конденсата; 20 — сборник фурфуролсодержащего конденсата; 22 — сборник оборотной воды.

Древесина

т

Измельчение Пр е дв ар ите ль н ая Обработка паром Удаление лигнина из растворимых веществ

Ферментация Не йтр ал из ац ия Кислый гидролиз

1 Фурфурол

Дистилляция —► 95%-ный этанол

Перегонка из куба

Рис. 4. Схема ферментативного гидролиза древесной целлюлозы

Липнин И растворимые в воде вещества

региона получают фурфурол из сельскохозяйственных отходов (стержни початков кукурузы, багасса — отход переработки сахарного тростника)19.

Твердый остаток после гидролиза — гидролизный лигнин (ароматическая часть древесины) в последнее время нашел применение в производстве эффективных энтеросорбентов, имеющих широкое медицинское применение. Кроме того, лигнин используется в производстве пористого кирпича, наполнителей, удобрений, биопластиков и др. Из гидролизного лигнина пиролизом могут быть получены активные угли, древесные смолы. Сухой лигнин

может использоваться в качестве котельного

20

топлива 20.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Из гидролизатов также могут быть получены пищевая глюкоза и техническая ксилоза; многоатомные спирты с последующим превращением в глицерин, этиленгликоль, пропилен-гликоль; органические кислоты (глюконовая, тригидроксиглутаровая и др.); бутиловый спирт, кормовые дрожжи 21,22.

Гидролизные производства составляли одну из основ микробиологической промышле-ности СССР, однако сегодня эта отрасль в России представлена фактически единственным действующим предприятием — ООО «Кировский биохимический завод». Остальные гидролизные производства находятся в критическом состоянии и остановлены. Тем не менее, Россия обладает огромным опытом в обла-

сти организации гидролизных производств на базе не только сельскохозяйственных, но и древесных отходов. Кроме того, в России, в отличие от других стран, есть опыт производства фурфурола и других продуктов по «полному циклу», начиная с измельчения древесины и заканчивая готовой продукцией, в пределах одного предприятия 23. Немаловажна и тенденция к замене процессов с применением кислот на инновационные методы ферментативного гидролиза (рис. 4) и повышению их эффективности, что значительно снижает вред от гидролизного производства и делает его практически безотходным 17.

Несомненно, развитию процессов углубленной химической переработки древесины на базе современных целлюлозно-бумажных и гидролизных производств необходимо уделить пристальное внимание, поскольку продукция этих отраслей имеет стратегическое значение для развития отечественной экономики и играет важнейшую роль в процессе устойчивого развития России.

Литература

1. Бескищенко В. В., Мартемьянова Е. С. О лесной сертификации в России // Вестник МГТУ.- 2006.- Т.9, №3.- С.468.

2. Ковалева О. Новейшие бумажные технологии // Леспроминформ.- 2006.- №9(40).- С. 68.

3. Ковернинский И. Н. Основы технологии химической переработки древесины.- М.: Лесная промышленность, 1984.- 184 с.

4. Агабеков В. Е., Вильданов Ф. Ш., Латыпова Ф. Н. Чанышев Р. Р., Мамлиева А. В. // История науки и техники.- 2012.- №11, спецвыпуск №3.- С.93.

5. Иванов Ю. С. Современные способы варки сульфатной целлюлозы.- Спб.: СПбГТУРП,

2005.- 63 с.

6. Боголицын К. Г., Резников В. М. Химия сульфитных методов делигнификации древесины.-М: Экология, 1994.- 288 с.

7. Карманов А. П., Демин В. А. // Химия в интересах устойчивого развития.- 1996.- №4.- С.289.

8. Шубаков А. А., Елькина Е. А., Федорова Э. И. // Химия растительного сырья.— 2002.— №2.-С.29.

9. Медведева Е. Н., Вершаль В. В., Бабкин В. А. // Химия в интересах устойчивого развития.-1996.- №4.- С.343.

10. Кузнецов Б. Н. // Соросовский образовательный журнал.- 1996.- №12.- С.47.

11. Дейнеко И. П. Научные основы современных методов делигнификации // Материалы II международной конференции «Физикохимия лигнина».- Архангельск, 2007.- С. 26.

12. Миловидова Л. А., Комарова Г. В., Королева Т. А. Отбелка целлюлозы.- Архангельск: Изд-во АГТУ, 2005.- 130 с.

13. Пузырев С. С.// Леспроминформ.- 2006.-№3(34).- С.104.

14. Барбаш В. А. // Научные вести НТУУ «КПИ».-2011.- №6.- С.148.

15. Прогноз социально-экономического развития Российской федерации на 2012 год и плановый период 2013-2014 гг. Минэкономразвития России.- сентябрь 2011.- С.148.

16. Холькин Ю. И. Технология гидролизных производств.- М.: Лесн. пром-сть, 1989.- 496 с.

17. Вильданов Ф. Ш., Латыпова Ф. Н., Чанышев Р. Р., Николаева С. В. // Баш.хим.ж.-2011, №2.- С.128.

18. Кузнецов Б. Н., Кузнецова С. А., Тарабань-ко В. Е. // Рос.хим.ж.- 2004.- Т. XLVIII, №3.- С.4.

19. Письмо Государственного таможенного комите-

та РФ от 13.05.2003 N 01-06/19654 «О контроле таможенной стоимости товара “Спирт фурфу-риловый”, классифицируемого кодом ТН ВЭД России 2932 13 000 0» / http://

base.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req= doc;base=LAW;n=42455.

20. Карманов А. П., Деркачева О. Ю. // Химия растительного сырья.- 2012.- №1.- С.61.

21. Яковенко А. З. Гидролиз древесины концентрированной соляной кислотой.- М.: ВИНИТИ, 1958.- 60 с.

22. Бондалетова Л. И., Бондалетов В. Г. Процессы переработки сырья и рациональное использование природных ресурсов. - Томск: Изд-во ТПУ,

2006.- 160 с.

23. Суходолов А. П., Хаматаев В. А. // Известия ИГЭА.- 2009.- №3(65).- С. 49.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг.» (Соглашение № 14.В37.21.0917)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.