Низкотемпературная окислительная делигнификация древесины. 6. Растворение окисленного лигнина Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 49-51

УДК 676.022.62.954

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕЛИГНИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ. 6. РАСТВОРЕНИЕ ОКИСЛЕННОГО ЛИГНИНА

© Н.В. Каретникова, Р.З. Пен, В.Р. Пен

Сибирский государственный технологический университет, Красноярск (Россия) E-mail: repyakh@pop3.kts.ru

Рассмотрена ступенчатая делигнификация древесины, включающая генерирование перуксусной кислоты в варочном растворе, окисление компонентов древесины, экстракцию продуктов окисления. Установлена высокая эффективность щелочной экстракции.

Окислительная делигнификация древесины в системе «пероксид водорода-уксусная кислота-перуксусная кислота-вода-катализатор» включает три основных стадии: генерирование перуксусной кислоты; окисление лигнина перуксусной кислотой; растворение окисленного лигнина.

При одноступенчатой варке древесины все компоненты реакции смешиваются, нагреваются до заданной температуры и выдерживаются при этой температуре до достижения необходимой степени делигнификации. Такой варочный процесс имеет очевидное достоинство - простоту практической реализации. Вместе с тем он имеет ряд недостатков. Отметим два наиболее существенных:

а) оптимальные параметры каждой стадии различаются, вследствие чего при одноступенчатой варке невозможно подобрать условия, одинаково оптимальные для каждой стадии;

б) переходящие в раствор продукты окислительной деградации лигнина продолжают окисляться, бесполезно потребляя активный кислород.

В предыдущих сообщениях [1, 2] рассмотрена возможность оптимизации двух первых стадий -генерирования перуксусной кислоты и окисления лигнина (с одновременным растворением продуктов деградации лигнина).

Дальнейшие исследования показали, что водный раствор уксусной кислоты - далеко не лучший растворитель окисленного лигнина. Значительно легче продукты деградации лигнина растворяются в щелочах. Вследствие этого может оказаться целесообразным выделение стадии растворения окисленного лигнина в самостоятельную ступень обработки со своими оптимальными условиями, отличными от условий предыдущих ступеней.

Экспериментальная часть

Древесину ели делигнифицировали по трехступенчатому режиму.

В первой ступени готовили варочный раствор для окислительной стадии. Ледяную уксусную кислоту и 30%-ный водный раствор пероксида водорода смешивали в отношении 70:30 (по объему), прибавляли катализатор (вольфрамат натрия) до концентрации 0.1 %, смесь оставляли на 2 ч при температуре 80°С. К концу реакции концентрация перуксусной кислоты в растворе составляла 7.6%, пероксида водорода - 4.9%.

Во второй ступени еловые опилки с крупностью 1...2 мм окисляли приготовленной смесью при жидкостном модуле 3 и температуре 80°С. Расход окислителя выбирали таким образом, что-

бы древесный остаток получился «недоваренным», с невысокой степенью окисления лигнина. Продукт промывали холодной водой и высушивали на воздухе. Выход окисленной древесины составил 71.5%.

Третью ступень - растворение продуктов окислительной деградации компонентов древесины - осуществляли по двум вариантам. В первом варианте порции окисленной древесины нагревали с водой, ледяной уксусной кислотой и их смесями в разных соотношениях при жидкостном модуле 6 и температуре 80°С в течение 3 ч. Во втором варианте окисленную древесину нагревали с водными растворами гидроксида натрия при гидромодуле 6. При этом варьировали условия обработки: концентрацию гидроксида натрия - от 20 до 40 г/л, температуру - от 40 до 80°С, продолжительность - от 0.5 до 3 ч. Твердые остатки промывали водой, высушивали и определяли выход по отношению к окисленной древесине.

Опыты дублировались. Относительная среднеквадратичная погрешность средних значений выхода 1.12%.

Обсуждение результатов

На рисунке 1 показано изменение выхода твердого древесного остатка после третьей ступени варки с водными растворами уксусной кислоты в зависимости от концентрации кислоты. Во всех случаях третью ступень продолжали до полного растворения веществ, способных растворяться в заданных условиях. Из рисунка видно, что хуже всего продукты окисления экстрагируются концентрированной кислотой. Разбавление водой несколько улучшает растворимость, но эффект невелик. Степени извлечения окисленных продуктов водой и растворами уксусной кислоты с концентрацией до 50% различаются несущественно. В целом делигнификация слабо окисленной древесины в кислой среде прошла неудовлетворительно, точка сепарирования не достигнута ни в одном из опытов.

^ 96

ч 94 о

х 92 ш Э0 88 -I

0 50 100

Концентрация АсОН, %

Рис. 1. Зависимость растворимости продуктов окисления от концентрации уксусной кислоты

Та же окисленная древесина значительно эффективнее делигнифицируется водными растворами гидроксида натрия. Динамика растворения при разных температурах и концентрациях щелочи показана на рисунке 2. При всех режимах основная масса окисленных продуктов извлекается из древесного остатка в течение первых 30 мин. Повышение как концентрации щелочи с 20 до 40 г/л, так и температуры от 40 до 80°С несколько увеличивает скорость и глубину процесса, однако величина этого эффекта сравнительно невелика. Во всех случаях при щелочной экстракции древесный остаток частично или полностью разделился на волокна.

0х

О

й

Л

70

0

- ¿ь о—-нор—Ы—

- —0—1

- -□—2

- -^6— 3

1111 —х—4 —1 1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Продолжительность, ч Рис. 2. Зависимость растворимости продуктов окисления от температуры (Т, °С) и концентрации гидроксида натрия (С, г/л): 1 - Т 40, С 40; 2 - Т 60, С 40; 3 - Т 80, С 40; 4 - Т 80, С 20

Выводы

Выделение стадии щелочной экстракции продуктов окислительной деградации лигнина в са-

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕЛИГНИФИКАЦИЯ ДРЕВЕСИНЫ

51

мостоятельную ступень позволяет снизить расход пероксида водорода на стадии окисления древесины перуксусной кислотой.

Отрицательным последствием щелочной экстракции окисленных продуктов является снижение выхода технической целлюлозы из-за удаления части полисахаридов лигноуглеводного комплекса древесины.

Список литературы

1. Каретникова Н.В., Пен Р.З., Пен В.Р. Низкотемпературная окислительная делигнификация древесины.

4. Оптимизация состава варочного раствора // Химия растительного сырья. 1999. №2. С. 41-44.

2. Каретникова Н.В., Пен Р.З., Пен В.Р. Низкотемпературная окислительная делигнификация древесины.

5. Оптимизация пероксидной варки. // Химия растительного сырья. 1 999. №2. С. 45-47.

Поступило в редакцию 28.05.1999.