Получение микрокристаллической целлюлозы из отходов льнопроизводства Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

мообработку для изготовления колонн и винтов и смазку их. Модернизация опытного пресса и введение смазочного материала в зоны трения показала, что долговечность его в целом увеличилась в 3 раза за счет повышения надежности работы основных узлов. Замена старых прессов в масштабе всего цеха БКО (Боровичский комбинат огнеупоров) на модернизированные фрикционные прессы позволила увеличить долговечность работы оборудования в среднем в 2,6 раза.

Результат данной работы, проделанной кафедрой «Механика» ИГХТУ, позволил значительно сократить затраты на замену вышедших из

Кафедра механики

строя дорогостоящих деталей пресса. В конечном счете это резко снизило затраты всего технологического процесса изготовления периклазоуглеро-дистых огнеупорных изделий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стрелов К.К., Мамыкин П. С. Технология огнеупоров. М.: Металлургия. 1978.

2. Краклит А.К. и др. Производство огнеупоров полусухим способом. М.: Металлургия. 1981.

3. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение. 1972.

4. Мельников В.Г. и др. Смазочная композиция. Патент РФ № 2021348. 1997.

УДК 678.4.076

М.И. БАРМИН, А.Н. ГРЕБЕНКИН, А.И. БОЙКО, Е.Е. ИВАНОВА, В.П. КАРТАВЫХ, В.П. КОНОНЕНКО, В.В. МЕЛЬНИКОВ

ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ОТХОДОВ ЛЬНОПРОИЗВОДСТВА

(Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна)

Описана оптимизация метода получения микрокристаллической целлюлозы из костры и коротких непрядомых льняных волокон.

Из всей льносоломы, собираемой на полях, после переработки на заводах только около 20% от общей массы составляет длинное льняное волокно. Остальная часть представляет собой отходы производства в виде костры (остатков стебеля) и очень коротких непрядомых волокон. В ряде случаев эту массу перерабатывают в теплоизоляционные материалы, но чаще сжигают. В то же время, эти отходы представляют собой ценное органическое сырье, т. к. содержат до 70-80% целлюлозы, которая может быть переработана, как и целлюлоза, полученная из хлопка, в микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ).

Процесс получения хлопковой МКЦ состоит из двух стадий:

1) кислотный гидролиз целлюлозы (с образованием порошковой целлюлозы);

2) размол продуктов гидролиза в жидкой фазе [1].

Обычно применяемые способы размола в жидкой фазе требуют дорогостоящего оборудования [1], кроме того приводят к полному разрушению структуры целлюлозного волокна. При дис-

пергировании же ультразвуком происходит более тонкое разделение волокон, причем структура отдельных элементов волокон практически полностью сохраняется [2]. Это позволило нам предположить, что вторую стадию получения МКЦ можно заменить ультразвуковым диспергированием, а возможно, и совместить обе стадии.

Целью настоящей работы является изучение возможности получения МКЦ из отходов льнопроизводства.

Трудность настоящей работы заключается в том, что, в отличие от хлопка, лен в достаточно больших количествах (до 35%) содержит инкрустирующие вещества: лигнин, гемицеллюлозу, пектины и другие. Причем, структурная формула лигнина, содержание которого в разных частях стебля льна колеблется от 3 до 10%, неизвестна.

Кроме того, содержание веществ, сопутствующих целлюлозе, в волокнах льна (лигнин, воскообразные вещества, пектин) выше, чем в волокнах хлопка (табл. 1). Поэтому технология переработки льна имеет свои особенности.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика содержания основных компонентов строения хлопкового и льняного волокна [1].

Как показывают проведенные нами исследования переработка отходов льнопроизводства в МКЦ по предложенной схеме осуществима. Действительно, размолотые в сухом состоянии костра и короткое непрядомое волокно после жесткого гидролиза в присутствии соляной, азотной или серной кислоты образуют порошковую целлюлозу [3]. Последняя после обработки в водной среде ультразвуком с частотой от 20 кГц и выше расщепляется на отдельные фибриллы и переходит в гелеобразное микрокристаллическое состояние точно также, как и отходы хлопкового волокна. Это, во-первых, согласуется с литературными данными, что лигнин и другие сопутствующие вещества в основной массе находятся в межфибриллярном пространстве. И, во-вторых, подтверждает известный из литературы [4] вывод об отсутствии химических лигнин-углеводных связей.

Полученный в результате диспергирования продукт имел темно-серую окраску. Причем наименьшая интенсивность окраски наблюдалась при использовании азотной кислоты. С учетом этого, а также меньшей стоимости азотной кислоты, по сравнению с серной или соляной, дальнейшее исследование проводили только с ней. При этом частота ультразвуковых колебаний ограничивалась пределом 20-21 кГц с целью снижения воздействия излучения на человека.

Как показывают проведенные исследования, время ультразвукового диспергирования, достаточное для переработки порошковой целлюлозы в микрокристаллическую, зависит от условий, в которых была получена порошковая целлюлоза. Так, согласно экспериментальным данным (рис. 1), оно существенно уменьшается, если при гидролизе костры и коротких непрядомых волокон использовать более концентрированную кислоту. Однако следует иметь в виду, что при этом возрастает коррозийная усталость оборудования. Поэтому в качестве оптимальной величины для дальнейших опытов нами была

выбрана концентрация 1.5 моль/л. В работе установлено, что минимальная концентрация азотной кислоты, при которой образуется порошкообразная целлюлоза, способная в дальнейшем перерабатываться в микроцеллюлозу, - 0.9 моль/л.

С, моль/л

Рис. 1. Зависимость времени ультразвуковой обработки (т) льняной порошковой целлюлозы от концентрации азотной кислоты (С), используемой при ее получении.

Более тщательное измельчение костры и коротких непрядомых волокон перед гидролизом тоже сокращает время последующей переработки порошковой целлюлозы (рис. 2). Наименьшей интенсивностью окрашивания в этом случае, как оказалось, обладает МКЦ, соответствующая фрак-

1_, мкм

Рис. 2. Зависимость времени ультразвуковой обработки (т) льняной порошковой целлюлозы от размера фракции костры (Ь), используемой при ее получении.

В табл. 2 показаны сравнительные параметры микрокристаллической целлюлозы, полученной из отходов хлопка и льна с размерами фракций по 250 мкм.

Таблица 2.

Сравнительные свойства МКЦ из отходов хлопка и льна.

Измеряемая величина МКЦ из хлопка МКЦ из льна

1. Степень полимеризации 150-200 120-250

2. Удельная поверхность, см2/г Более 7 8-9

3. Содержание карбонильных групп, % 0,45-0,65 0,42

4. Насыпная плотность, г/см3 0,25 0,2

5. Средний размер частицы, А До 2000 4000-5000

Компонент Содержание компонента, %, в абсолютно сухом

хлопковом льняном

волокне волокне

1. Целлюлоза 94 65-89

2 Пектиновые вещества 0,9 15-25

3. Лигнин - 1-5

4.Воскообразные вещества 0.6 2.9-4.2

5. Зольные вещества 1,2 0,5-1,3

И в том, и в другом случае в результате обработки порошковой целлюлозы в воде ультразвуком нами был получен устойчивый гель.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Льняную костру после отделения длинных волокон размалывали на дисковой мельнице, рассеивали на фракции необходимого размера и подвергали кислотному гидролизу при следующих условиях: навеску в 10 г короткого льняного волокна в течение 50-60 мин обрабатывали кислотой при температуре 95-100°С в ванне с модулем 1:(8-10), промывали водой (3:1 по массе) и отжимали на воронке Бюхнера, после чего сушили в вакуумном шкафу при 90-100°С в течение 4-6 час. Выход порошкообразной целлюлозы составлял 85-91%.

К 10 г сухой порошкообразной целлюлозы добавляли 50 мл воды, после чего подвергали ультразвуковой обработке на диспергаторе типа УЗД - 0,1/22 с пьезоэлектрическим преобразователем интенсивностью 60 Вт/см2 при частоте 20-21 кГц до момента получения устойчивого геля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Целлюлоза и ее производные // Под ред. Н. Байклза и Л. Сегала. М.: Мир. 1974. 416 с.

2. Аликин В.В. Физико-механические свойства природных целлюлозных волокон. М.: Лесная пром-сть. 1969. 140 с.

3. Патент 2186071. Россия. 2000.

4. Королев Е.А. и др. // Тез. докл. Конференции студентов и молодых ученых. СПГУТД. 1998. С. 126.

Кафедра химии