Научная статья на тему 'Получение и свойства окислительно- органосольвентной целлюлозы из недревесного растительного сырья'

Получение и свойства окислительно- органосольвентной целлюлозы из недревесного растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
455
137
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Дрикер Б. Н., Вураско А. В., Галимова А. Р.

Дрикер Б.Н., Вураско А.В., Галимова А.Р. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ОКИСЛИТЕЛЬНО-ОРГАНОСОЛЬВЕНТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. Изучены свойства целлюлозы из однолетних растений и даны рекомендации по ее дальнейшему применению в различных отраслях промышленности.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Дрикер Б. Н., Вураско А. В., Галимова А. Р.

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

Driker B.N., Vurasko A.V., Galimova A.R. RECEPTION AND PROPERTIES OXIDATIONORGANOSOLVENT OF CELLULOSE FROM AGRICULTURAL CULTURES. Properties of cellulose from agricultural cultures are studied and recommendations about its further application in various industries are given.

Текст научной работы на тему «Получение и свойства окислительно- органосольвентной целлюлозы из недревесного растительного сырья»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

на варку в систему циркуляции щелока варочного котла (10, 11, 12). Избыток дисперсии перекачивается в буферную мешалку 6, где хранится при слабом перемешивании на случай простоя размольного оборудования.

После щелочной варки АХ или продукты его превращения частично уносятся со сдувочными газами и сточными водами, частично остаются в таловом масле и товарных продуктах, однако основная часть остается в черном щелоке и направляется на выпарку [5, 6]. По окончании варки отработанный варочный щелок направляется на вакуум-выпарную установку 13, где осаждаемый при выпарке АХ, отбирается, регенерируется и вновь направляется на варку. Упаренный черный щелок направляется на сжигание в содорегенерационную установку 14.

Возможность регенерации катализатора после варки из отработанных щелоков имеет большое значение. Для регенерации катализатора предложены способы: сублимация из отработанных щелоков [7], осаждение при выпарке щелоков [5, 8].

Таким образом, предлагаемые решения позволяют применять механический размол и УЗ обработку в среде белого или черных щелоков. Получаемые дисперсные системы остаются устойчивыми к расслоению и агрегации при их разбавлении и транспортировке.

Установлено, что при УЗ обработке частиц АХ, наряду с решением технологической задачи - доставки катализатора в варочный процесс, - происходит повышение

каталитической активности за счет увеличения дисперсности и модификации поверхности частиц (удаление микропузырьков кислорода) и удаления растворенных газов и особенно кислорода из дисперсионного объема. Такая подготовка дисперсии снижает расход катализатора и повышает экономичность производства целлюлозы.

Библиографический список

1. Непенин, Ю.Н. Производство сульфатной целлюлозы / Ю.Н. Непенин. - М.: Лесная пром-сть, 1990.

- Т. 2. - 597 с.

2. Иванова, И.С. Разработка технологии сульфатной варки с использованием антрахинона / И.С. Иванова, Л.А. Василенко, А.И. Александрович и др. // Экс-пресс-информ. Сер. Целлюлоза, бумага и картон. -М.: ВНИПИЭИлеспром, 1990. - Вып. 20. - С. 2-17.

3. Решение о выдаче пат. РФ по заявке №

2005106559/12(008003) Вураско А.В. Способ получения целлюлозосодержащего материала. МПК D 21С3/02, 2005./ А.В. Вураско, А.Я. Агеев.

4. Решение о выдаче пат. РФ по заявке №

2005106558/12(008002). Вураско А.В. Способ получения целлюлозы. МПК D 21С3/02 / А.В. Вураско, Б.Н. Дрикер, М.А. Головкин. Заявл. 09.03.05.

5. Пат. 4.561.935 U.S. D 21 C 11/10; C 23G 1/14. Process for removing anthraquinone type scale / Kazuaki Sakai // Заявл. 18.07.84; Опубл. 31.12.85.

6. Werthemann D.P. The xylophility/hydrophility balance of quinoid pulping additives [Текст]/ TAPPI.

- 1981. - Vol. 64. - № 3. - P. 140-142.

7. Furuya J. 9 % Production gain with quinine-additive kraft pulping in batch digester / TAPPI J. 1984, vol. 67, № 6, p. 82-85.

8. Заявка 56-427000. Яп. Тада Юкки, Моримуэ То-сио, Ниси Осаму / Регенерация соединений антра-хинона. 1982. Цит. По РЖХим, 1984, № 1. ч. III.

ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ОКИСЛИТЕЛЬНО-

органосольвентной целлюлозы ИЗ

НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Б.Н. ДРИКЕР, проф. каф. общей и неорганической химии УГЛТУ, д-р техн. наук,

А.В. ВУРАСКО, доц. каф. химии древесины и технологии целлюлозно-бумажных производств УГЛТУ, канд. техн. наук,

А.Р ГАЛИМОВА, асп. каф. химии древесины и технологии целлюлозно-бумажных

производств УГЛТУ

Технологические и экологические проблемы при производстве целлюлозы требуют новых технических решений, включающих и расширение сырьевой базы. Одним из перс-

пективных направлений при получении новых эффективных материалов является делигни-фикация недревесного растительного сырья окислительно-органосольвентным способом.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

153

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Анатомические элементы соломы риса (а) и овса(б)

Таблица 1

Содержание основных компонентов в недревесном растительном сырье

Компоненты Содержание компонентов в соломе, %

риса овса

Целлюлоза (по Кюшнеру) 43,6 47,0

Лигнин (по Классону) 22,3 18,0

Экстрактивные вещества: - в спиртобензольной смеси 5,1 12,5

- в воде 3,7 4,0

Зола 13,7 3,0

В качестве объектов исследования используется солома риса и овса, которые

являются крупнотоннажными отходами переработки злаковых культур. Ежегодная возобновляемость, экологическая чистота, невысокая стоимость отходов переработки делают их неисчерпаемым сырьевым источником для производства не только продукции цБП, но и для нужд медицины, пищевой промышленности, косметологии, ветеринарии [1].

Солома риса и овса мало отличаются друг от друга по анатомическим элементам и морфологическому строению (рис. 1). Ткани растительного сырья состоят в основном из клеток прозенхимного характера, имеющих волокнистую структуру, разной длины и большого количества сосудов. С учетом этого можно предположить перспективность их использования для производства не только бумаги, но и некоторых видов целлюлозы различного технического назначения.

Основные отличия соломы риса от соломы овса в химическом составе (табл. 1). Солома овса содержит большое количество экстрактивных веществ, а солома риса - минеральных компонентов, что создает существенные проблемы при их переработке.

С этой целью из соломы риса и овса перед процессом делигнификации предварительно были извлечены органические (жировосковая фракция, водорастворимая фракция) и неорганические (диоксид кремния) компоненты [2]. Это позволяет при комплексной переработке соломы получить ряд ценных компонентов (пектины, крахмал, жировосковая фракция), а также широко используемый в парфюмерной и косметической промышленности диоксид кремния. Это позволяет сделать экономически целесообразным получение целлюлозы из соломы органосольвент-ным способом.

После выделения перечисленных компонентов из подготовленного растительного сырья получают целлюлозосодержащий волокнистый полуфабрикат окислительно-ор-ганосольвентным способом [3].

Окислительно-органосольвентные варки лигноуглеводного материала проводят композицией, содержащей пероксиуксусную, уксусную кислоты и пероксид водорода при оптимальных соотношениях [4].

154

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 2

Содержание основных компонентов технической целлюлозы из соломы овса и риса

Показатели целлюлозы Органосольвент-ная целлюлоза

солома риса солома овса

Выход технической целлюлозы, % 87,7 87,3

Массовая доля в целлюлозе, %: - лигнина 2,5 2,09

- экстрактивных веществ 0,05 0,05

- золы 0,05 0,07

При окислительно-органосольвент-

ном способе делигнификации углеводный комплекс разрушается незначительно и позволяет сохранить целлюлозу и гемицеллюлозы при практически полном удалении лигнина. Результаты делигнификации соломы овса и риса представлены в табл. 2.

Для полученной технической целлюлозы определяли показатели, имеющие практическое значение при ее дальнейшем использовании. Указанные параметры сравнивались с аналогичными показателями для целлюлозы сульфитной беленой и хлопковой.

Адсорбционную способность технической целлюлозы оценивали по наличию в ней карбоксильных групп, не связанных водородными связями, которые являются основными центрами сорбции в целлюлозных материалах. Метод основан на обратном титровании карбоксильных групп гидрокарбонатом натрия [5]. Сорбционную способность оценивали по количеству йода, мг J2A целлюлозы, сорбированного образцом целлюлозы

[6]. Степень набухания целлюлозы характеризует способность ее к набуханию, условно определяемую по приращению массы целлюлозы в 17,5 % растворе щелочи [5]. Данный показатель отражает соотношение между аморфными и кристаллическими участками технической целлюлозы. а-целлюлоза представляет собой фракцию технической целлюлозы, не растворимую в 17,5 % NaOH [5]. Этот показатель характеризует степень деструкции и количество освобожденной от гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракций целлюлозы. Водоудержание оценивалось по методи-

ке, изложенной в источнике [7]. Капиллярная впитываемость определяется по ГОСТ 12602. Впитываемость при одностороннем смачивании по методу Кобба определяется согласно ГОСТ 112605 ИСО 535. Результаты анализа, характеризующие впитывающие и сорбционные свойства технических целлюлоз, представлены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что по сорбционным свойствам целлюлоза, полученная из соломы риса, превосходит целлюлозу из соломы овса, целлюлозу сульфитную беленую и хлопковую. Следует также отметить, что целлюлоза из соломы риса характеризуется высокой способностью к набуханию. Это обусловлено тем, что целлюлоза из соломы риса содержит больше аморфных участков, так как способность к набуханию в растворах щелочей определенной концентрации (17,5-18 % NaOH) связана с проникновением раствора щелочи в аморфные участки целлюлозы, не затрагивая кристаллические. Это согласуется с результатами расчета степени кристалличности на основании рентгенографических исследований (рис. 2). Так, степень кристалличности целлюлозы из соломы риса равна 0,33; овса - 0,45; для сульфитной целлюлозы этот показатель равен 0,63, а для хлопковой - 0,68.

Высокое содержание аморфных участков в технической целлюлозе из соломы риса связано с морфологическим строением. В период вегетации в клетках и особенно клеточных тканях соломины риса откладываются неорганические вещества, которые нарушают формирование кристаллических участков в кристаллитах целлюлозы и приводят к снижению степени ее кристалличности. Большое количество аморфных областей способствует более легкому проникновению и удержанию жидкостей. Поэтому лучшей водоудерживающей способностью обладает техническая целлюлоза из соломы риса. Для повышения сорбционных свойств и водоудерживающей способности техническую целлюлозу подвергают фибриллированию, что позволяет увеличить удельную поверхность волокон без их значительного укорочения. Из данных, представленных в табл. 3, видно, что после фибриллирования показатели сорбционной емкости и водоудержания возрастают.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

155

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 3

Впитывающие и сорбционные свойства целлюлозы из соломы риса и овса

Показатели Рис Овес Целлюлоза

исходная фибрилли- рованная исходная фибрилли- рованная сульфит- ная хлопковая

Адсорбционная способность, мг/г 63,8 72,3 38,4 47,5 20,9 42,0

Сорбционная способность по йоду, % 37,9 86,4 20,7 34,5 41,5 45,0

Набухание в растворе NaOH (17,5 %), % 550 700 300 500 550 500

Водоудержание, % 220 300 220 240 220 250

Капиллярная впитываемость воды, мм - 25 12 - -

Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2 - 127 99 - -

Таблица 4

Физико-механические показатели целлюлозы

Показатель Из соломы риса Из соломы овса Сульфитная по ГОСТ 3914

Масса бумаги площадью 1 м2, г 76,7 75,3 75,0

Плотность г/см3 0,65 0,91 -

Массовая доля а-целлюлозы, % 89,6 77,2 98,0

Разрывная длина, м 4200 8500 6500

Абсолютное сопротивление раздиранию, мН 120 160 -

Предел прочности при растяжении, МПа (кгс/мм2) 30,0 80,0 -

Относительное сопротивление продавливанию, кПа 160 470 -

рН холодного экстрагирования водной вытяжки 6,65 6,98 6,0-7,0

Белизна, % 89,6 85,0 85,0

Рис. 2. Рентгенограмма целлюлозы из соломы риса

Для оценки возможности дальнейшего использования полученной целлюлозы орга-носольвентным способом определены физико-механические показатели. Результаты физико-механических испытаний волокнистого полуфабриката представлены в табл. 4.

Невысокие значения содержания а-целлюлозы в целлюлозе из недревесного растительного сырья подтверждают наличие гемицеллюлозных фракций за счет практически полного их сохранения при данном

способе варки, и это улучшает физико-механические свойства технической целлюлозы.

Предлагаемая технология окислитель-но-органосольвентного способа варки позволяет получить целлюлозу, соответствующую по ряду показателей требованиям ГОСТ 3914 (Целлюлоза сульфитная беленая из хвойной древесины). Высокие поверхностная и капиллярная впитываемость и набухание целлюлозы из соломы риса позволяют рассматривать ее как перспективное сырье для использования в композиции бумаги-основы для санитарно-бытового и гигиенического назначения. Относительно высокие показатели разрушающего усилия, разрывной длины и относительного сопротивления продавлива-нию отливок целлюлозы из соломы овса являются предпосылками для изготовления из целлюлозы бумаги оберточной, писчей цветной и других видов бумаг.

Библиографический список

1. Кочева, Л.С. Структурно-химическая характеристика недревесных видов целлюлозы / Л.С. Кочева,

156

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

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2008

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.