CC BY
14
УДК 677.11.021
1.О. МеНЯЙЛО-БАСИСТА, Л.А. ЧУРС1НА
Херсонський нацiональний технiчний ушверситет
НАУКОВ1 ОСНОВИ 1ННОВАЩЙНО1 ТЕХНОЛОГИ ВИРОБНИЦТВА ЦЕЛЮЛОЗНО-ПАПЕРОВО1 ПРОДУКЦП
У po6omi теоретично обтрунтовано, експериментально пiдтверджено та розроблено тновацтну технологт переробки стебел соломи льону олшного з метою одержання целюлозовмiсних напiвфа6рикатiв. У результатi анал1зу отриманих експериментальних даних встановлено, що при застосуванш спещальних прийомiв для видалення супутниюв целюлози на кожнш стадИ обробки стебел та волокна льону олшного можливо одержати целюлозовмiсний напiвфа6рикат у бшьш простiший споаб та зменшити енерговитрати на здшснення даного процесу, на вiдмiну вiд довготривалого вартня целюлози. На основi яюсного анализу целюлозовмкних напiвфа6рикатiв iз льону олшного доведено, що дану сировину можливо використовувати для одержання фшьтрувального паперу.
Ключовi слова: треста льону олшного, композицтний хiмiчний препарат, iнтенсифiкацiя розкладу iнкрустiв.
I.O. MIENIAILO-BASYSTA, L.A.CHURSINA Kherson National Technical University
SCIENTIFIC BASIS OF INNOVATIVE MANUFACTURING PULP AND PAPER PRODUCTS
Abstract
The absence in Ukraine of its own production of primary semi-finished products put the enterprises of branch in full dependence on importers of raw material resources. In terms of reserves and the possibility of development in the coming years the most important for operating and under construction of enterprises is of this type of raw materials as straw of oilseed flax.
The article contains the results of theoretical and experimental studies aimed at developing technologies for processing of oilseed flax retted straw to produce cellulosic semi-finished products to expanding the scope of oilseed flax fiber in the production of cellulosic consumer goods.
Based on the determination of changes in the chemical composition of the stalks of straw, retted straw and flax fibers are invited to intensify the process of removing satellites pulp flax stalks through the use of artificial hydration with the use of new chemical composition of preparations on the stage of preparation of retted straw spreading. Found that the most suitable raw material for cellulosic fiber is semi on 100 % cleared of timber. Scientifically substantiated a new method for producing cellulose semi-finished products wet method of processing flax fiber. Feasibility of implementing proposed the technology is economically justified.
Keywords: oilseed flax, retted straw, chemical composition, mechanical processing, wet processing, cellulose semi-finished products.
Постановка проблеми
Свгговий обсяг виробництва целюлози щор1чно зб1льшуеться. Подальше зростання обсяпв И виробництва можливе за рахунок нарощування потужностей з випуску, насамперед, первинних волокнистих нашвфабрикалв, основною сировиною для виготовлення яких на бшьшосп тдприемствах е деревина [1]. Проте, й одержання целюлозних матер1ал1в i3 недеревно! рослинно! сировини завжди займало пдне мюце у виробнищга волокнистих нашвфабрикапв. Останшм часом це питання знову тд пильною увагою фахiвцiв рiзних галузей промисловосп, особливо в тих кра!нах, для яких ввдходи сшьського господарства е практично единим джерелом сировини для одержання целюлози. Головною перевагою дано! сировини е И щорiчна ввдновлюванють.
На територи Укра!ни тшьки шд поави техшчних культур щорiчно выводиться понад 7 млн. га сшьськогосподарських площ, з них, станом на 2012 рж, 60 тис. га було зааяно льоном олшним. Стебла ще! культури можна розглядати як одне з альтернативних джерел сировини для одержання целюлози, оскшьки вони дають достатню шльшсть рослинно! маси всього за 3 мюящ вегетацшного перiоду. Крiм того, використання волокна льону олшного в рiзних галузях промисловостi не тiльки зменшить iмпортозалежнiсть кра!ни, а й забезпечить збереження лiсiв.
Таким чином, актуальним на сьогодш е розроблення наукових основ ефективно! технологi! поглиблено! переробки стебел ще! культури з метою одержання целюлозовмюних напiвфабрикатiв.
Аналiз останшх дослщжень i публшацш
Пошуку шляхiв рацiонального використання вiдходiв сiльського господарства для отримання целюлозовмюних напiвфабрикатiв присвяченi роботи багатьох вчених [2-7]. Однак, систематичш комплекснi дослщження з розроблення технологiй переробки стебел льону олiйного для виробництва целюлозно-паперово! продукци широкого асортименту, практично вщсутш.
Формулювання мети досл1дження Основною метою дослщжень е розроблення наукових основ шновацшно! технологи поглиблено! переробки стебел соломи льону олшного, спрямовано! на одержання целюлозовмiсних напiвфабрикатiв для виробництва целюлозно-паперово! продукци рiзноманiтного призначення.
Викладення основного матерiалу дослiдження На основi хiмiчного аналiзу нами було встановлено, що у соломi льону олшного метиться 47-53 % целюлози, у волокш И мiститься 72-81 %, а у кострищ даний показник становить 38-46 %. Таким чином, за хiмiчним складом соломи, трести, волокна та кострищ льону олшного виявлено, що найб№ший вмют целюлозного компонента мае волокно, видiлене з трести ще! культури. Виходячи з цього, можна стверджувати, що для одержання целюлозовмюних нашвфабрикапв доцiльно використовувати тшьки волокнисту частину льону олшного.
На сучасних целюлозно-паперових пiдприемствах Укра!ни найбiльш поширеними технологiями отримання целюлози е делпшфшащя рослинно! сировини сульфатним i сульфiтним способами. Проте, при використаш сульфатного способу навколишне середовище забруднюеться токсичними леткими сiрковмiсними сполуками (сiрководень, меркаптани), а при сульфитному способi вiдбуваеться забруднення водоймищ лпншовмюними продуктами, що утворюються пiд час обробки [8, 9].
Властивостi техшчно! целюлози змiнюються в широких межах залежно вiд того, наск1льки повно у процес хiмiчно! обробки було видалено супутники целюлози. Тому дуже важливим е розроблення наукових основ шновацшно! технологи одержання целюлозовмюних нашвфабрикапв, яка б мiнiмiзувала нанесення шкоди навколишньому середовищу та при цьому забезпечувала звiльнення целюлози льону олшного вщ iнкрустiв.
Для вирiшення цього завдання було розроблено алгоритм проведення експериментальних дослiджень з метою видалення iнкрустiв iз волокна льону олшного найбшьш дешевим та екологiчним способом. Алгоритм дослщжень подано на рис. 1.
Рис. 1. Загальний алгоритм проведення дослщжень
Для штенсифшацп процесу зв№нення волокна у соломi вщ шкрустуючих речовин запропоновано пiд час розстилання соломи на льонищi обробляти стебла хiмiчними композицiйними препаратами Í3 застосуванням штучного зволоження.
Для забезпечення нормального перебну процесу приготування трести потрiбно створювати умови азотного живлення пектиноруйшвно! мшрофлори - мiкроорганiзмiв Cladosporium herbarum Link та Alternaría linicola - за рахунок азотовмiсних хiмiчних сполук. Тому було запропоновано ввести до складу першо! xiмiчно! композицй' азотовмiсну речовину карбамiд - CO(NH2)2. Також вщомо, що фосфоровмiснi сполуки повнiстю шпбують розвиток гнильних мiкроорганiзмiв та не пригтчують розвиток пектиноруйшвно! мiкрофлори. Таким чином, було запропоновано ввести до складу друго! xiмiчно! композицй фосфоровмюну речовину натрiю гiдрофосфат - Na2HPO4.
Для збiльшення проникно! дй' азотовмюно! та фосфоровмюно! сполук у стебла льоносоломи було запропоновано застосовувати !х у композицй' з неiоногенними поверхнево-активними речовинами, яш п1двищують капiлярнiсть та змочуванють луб'яних волокон i будуть сприяти розчиненню супутник1в целюлози у процеа розстилання.
Виходячи з результапв дослвджень впливу рiзниx ПАР та азотовмюно! i фосфоровмюно! сполук на зм^ xiмiчного складу стебел у процеа розстилання iз застосуванням штучного зволоження була розроблена рецептура двох xiмiчниx композицшних препаратiв. До складу цих xiмiчниx композицiйниx препаратiв входять так компоненти:
- варiант № 1 - карбамщ - 20 %, Cottoclarin - 20 %, вода - 60 %;
- варiант № 2 - натрш гiдрофосфат - 20 %, Cottoclarin - 20 %, вода - 60 %.
Для вивiльнення волокна ввд кострицi стебла трести льону олiйного пiддають меxанiчнiй обробцi. На стадп мехашчно! обробки не вщбуваеться повного очищення волокна льону олшного вiд супутник1в целюлози - пектинових речовин i лигану, тому волокно тсля мехашчно! обробки пiддають вологш обробцi на зволожувальнiй установцi технолопчно! лшп.
З метою визначення оптимально! тривалосп волого! обробки волокна було проведено серш дослiдiв. Для проведення процесу волого! обробки використовують попередньо подрiбнене волокно льону олiйного з вмютом кострицi 0,01-0,05 %. Волога обробка волокна здшснювалась при температурi 100 °С в розчинах композицшних препарапв (модуль М = 20), яш застосовувалися на стадп штенсифшацп бiологiчного видалення iнкрустiв iз стебел льону олшного зпдно варiантiв дослщу. Слiд зазначити, що при цьому мiнiмiзують додавання пдроксиду натрiю до 0,0007 г/л, а для кращого проникнення iнтенсифiкатора додають карбонат натрш. Шсля волого! обробки одержаний целюлозний напiвфабрикат промивають гарячою та холодною водою з подальшим сушiнням [10].
Графiчне зображення залежностi xiмiчного складу волокна ввд тривалостi волого! обробки наведено на рис. 2- 4.
Результата дослвджень впливу волого! обробки волокна льону олшного на зм^ його xiмiчного складу, поданi на рис. 2-4, свщчать, що оптимальною тривалютю обробки е 60 хв. Подальша волога обробка е економiчно невигiдною, тому що при цьому не вщбуваеться змiн у xiмiчному складi волокна.
L20 1 ^ L00
| 80 =
-
40 20 0
О 10 20 30 +0 50 60 70 80 90
ТриЕалзстъ оороокн,1Е
Рис. 2. Залежшсть BMicTy целюлозного компонента у волокнi льону олшного вщ тривалостi вологоТ обробки: а - Bapiam 1, б - Bapiam 2, в - контрольний
Рис. 3. Залежнкть вмкту л^ншу у волоки льону олшного вщ тривалост вологоТ обробки: а - варiант 1, б - варiант 2, в - контрольний
Рис. 4. Залежнкть вмкту пектинових речовин у волокш льону олшного вщ тривалосп вологоТ обробки: а - варiант 1, б - варiант 2, в - контрольний
Для оцшки показникiв якостi одержаних тсля волого! обробки зразк1в волокна за трьома варiантами було дослiджено його хiмiчний склад. За результат випробування приймали середне арифметичне п'яти паралельних визначень. Результати дослижснь подано на рис. 5.
. 1пнш
0,56%,
ПеминовЯ
-мм
V
щ
(a)
(б)
V
\
(В)
Рис. 5. Хiмiчний склад волокна льону олшного, одержаного пкля вологоТ обробки за рiзними вариантами: а - перший варiант, б - другий 1шр1ант, в - контрольний варiант
Аналiз результапв визначення хiмiчного складу волокна, одержаного шсля волого! обробки (рис. 5), свiдчить, що найкращ результати отримано зпдно першому варiанту дослвду, з використанням хiмiчноl композицп на основi карбамвду та Cottoclarin. Це волокно характеризуеться високим вмютом целюлозного компонента - 98,54 % та низьким вмiстом лiгнiну - 0,56 %, а пектиновi речовини знаходяться в залишку. Слад зазначити, що волокно з такими технолопчними характеристиками можна застосовувати для виготовлення рiзних видiв паперу та картону.
Таким чином, на основi експериментальних дослiджень хiмiчного складу стебел i волокна льону олiйного було розроблено технолопю переробки стебел льону олшного з метою одержання целюлозовмiсних нашвфабрикалв, придатних для виготовлення картонно-паперово! продукци рiзноманiтного призначення, представлену на рис. 6.
Рис. 6. Технолопчна схема процесу одержання целюлозовмкних мам1вфабрикач1в i3 стебел соломи льону олiймого: а - варiант 1, б - варiант 2, в - контрольний
На вiдмiну ввд традицiйних довготривалих i трудомiстких cnoco6iB одержання целюлозовмкних нашвфабрикапв методом варiння, розроблена технолопя дае можливiсть зменшити енерговитрати та за менший промiжок часу отримати целюлозовмiсну сировину, технологiчнi властивостi яко! забезпечили б можливiсть розширення сфери И застосування при збереженнi яшсних характеристик целюлози, що було пвдтверджено виробничими випробуваннями.
На базi ТОВ «Цюрупинський паперовий комбшат» виготовили фшьтрувальний папiр-основу з композицil, до складу яко! входило 50 % хвойно! целюлози ХБ-Екстра та 50 % целюлози з одержаного за розробленою технолопею волокна льону олшного. Процес виготовлення здшснювали на лабораторному листовиливному апаратi за стандартною методикою. Одержаний патр порiвнювали зi стандартним папером-основою, для виробництва якого використовують iмпортну бавовняну целюлозу. Якiснi показники зразшв паперу наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Яккчп показники ( ильтрувального мамеру-основи
Показники Папiр-основа (50% целюлоза ХБ-Екстра / 50 % целюлоза бавовняна) Патр-основа (50 % целюлоза ХБ-Екстра / 50 % волокно льону олшного)
№ 1 кислотне варшня № 2 ввдбшювання № 3 повний цикл
Маса 1 м2, г 102 111 106 107
Повiтропроникнiсть, л / м2 сек 920 930 920 950
Продовження табл. 1
Показники Пашр-основа (50% целюлоза ХБ-Екстра / 50 % целюлоза бавовняна) Пашр-основа (50 % целюлоза ХБ-Екстра / 50 % волокно льону олшного)
№ 1 кислотне варшня № 2 вiдбiлювання № 3 повний цикл
Отр продавлюванню, кПа 48 56 56 65
Розмiр максимальних пор, мкм 95 95 90 95
Товщина, мм 0,46 0,47 0,47 0,47
Вихвд целюлози, % - 69,3 70,3 69,0
Ан^з даних табл. 1 сввдчить, що одержане волокно льону олiйного мае необхвдш папероутворюючi властивостi, а його використання дае можливiсть отримати папiр, близький за якiстю до стандартно! волокнисто! композици. Важливо вiдзначити, що технолопя виготовлення фiльтрувального паперу з використанням волокна льону олiйного не потребуе розширення або реконструкцп наявно! техшчно! бази виробництва.
Висновки
На основi узагальнення результатiв дослiджень теоретично обгрунтовано та експериментально пiдтверджено можливiсть широкого застосування шновацшно! технологй' одержання целюлозовмюних напiвфабрикатiв iз стебел соломи льону олшного, за якою у б№ш зручний та дешевший спосiб можливо отримати целюлозовмiснi напiвфабрикати для розширення сировинно! бази вггчизняно! промисловостi.
Переробка стебел соломи льону олшного з метою одержання целюлозовмюних нашвфабрикапв рiзного призначення дозволить зменшити iмпортозалежнiсть Укра!ни при виробництвi стратегiчно важливо! продукцп та забезпечить захист навколишнього середовища ввд вирубування лiсiв.
Список використаноТ лiтератури
1. Экономические известия. Агрорынок. [Електронний ресурс]. - Режим доступу.: http://mgutm.ru/iurnal/tehnologii 21veka/eni 6 chat2/section 3/eni6 chast2 article 14.pdf.
2. Чурсина Л.А. Ресурсосберегающие технологии заводов по переработке текстильного сырья: [учеб. пособ. для студентов высших учебных заведений] / под ред. Чурсиной Л.А. - К.: ИСМО. 2000. -76 с.
3. Ресурсосберегающая технология получения целлюлозных материалов при переработке отходов сельскохозяйственных культур / [А.В. Вураско, Б.Н. Дрикер, Е.А. Мозырева, и др.] // Химия растительного сырья. - 2006. - № 4. - С. 5-10.
4. Барбаш В.А. Органосольвентная делигнификация стеблей кукурузы / В.А. Барбаш, С.Ф. Примаков, И.В. Трембус // Химия растительного сырья - 2012. - № 1. - С. 45-50.
5. Дейкун 1.М. Розробка технологй' одержання лляно! целюлози для хiмiчно!' переробки: дис.... канд. техн. наук.: 05.18.2005 /Дейкун 1рина Михайлiвна. - К., 2005. - 171с.
6. Кочаров С.А., Захаров А.П., Яруллин Р.Н. Основные вопросы получения и использования целлюлозы лубяных культур //Высокоэффективные технологии производства и переработки льна. Материалы Международной научно-практической конференции, Вологда, 2002. - С. 29.
7. Галашина В.Н., Морыганов А.П. Изменение свойств льноволокон и структуры целлюлозы при щелочных и щелочно-окислительных обработках //Высокоэффективные технологии производства и переработки льна. Материалы Международной научно-практической конференции, Вологда, 2002, стр. 136.
8. Шипина О.Т. Современные проблемные вопросы получения эфиров целлюлозы / О.Т. Шипина, А.В. Косточко, В.А. Петров. - Казань, 2001. - С. 69-89.
9. Непенин Н.Н. Технология целлюлозы: в 3 т. - Т. 1. Производство сульфитной целлюлозы / Ю.Н. Непенин. - М., 1978. - 624 с.
10. Пат. № 87049 Укра!на, Б01В 1/00. Споаб одержання целюлози iз волокна льону олшного / Меняйло-Басиста 1.О. ^хосова Г.А.; заявник та патентовласник Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет. - № и 2013 06466; заявл. 24.05.2013; опубл. 27.01.2014, Бюл. №2. - 4 с.
