ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Герке Лариса Николаевна

кандидат тех. наук, доцент, Казанский Национальный Исследовательский Технологический

Университет, г. Казань

GETTING NANOTSELLYULOZY

Gerke Larisa, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Kazan State Technological University, Kazan АННОТАЦИЯ

Целью является получение наноцеллюлозы. Благодаря своим интересным физическим, механическим и химическим свойствам, численности, малому весу и биологическому разложению наноцеллюлоза имеет потенциал стать важным классом возобновляемых наноматериалов для обширных и разнообразных областей применения. ABSTRACT

The aim is to obtain nanotsellyulozy. Due to its interesting physical, mechanical and chemical properties, strength, light weight and biodegradable nanotsellyuloza has the potential to become an important class of renewable nanomaterials for extensive and diverse range of applications. Ключевые слова: наноцеллюлоза. Keywords: nanotsellyuloza.

Целлюлоза - линейный гомополисахарид, макромолекулы которого построены из мономерных звеньев ангидро-в-Э-глюкопиранозы, линейно соединённых между собой 1^4-глюкозидными связями (см. рис. 1). Это

один из наиболее распространённых природных полимеров, составляющих значительную часть тканей многолетних и однолетних растений, водорослей, бактерий и грибов [1].

Рисунок 1. Участок молекулы целлюлозы.

Наноцеллюлоза — материал, представляющий собой набор наноразмерных волокон целлюлозы с высоким отношением сторон (длины к ширине). Типичная ширина такого волокна — 5-20 нм, а продольный размер варьируется от 10 нм до нескольких микрон. Материал обладает свойством псевдопластичности, т.е. является вязким при обычных условиях и ведёт себя как жидкость при физическом взаимодействии (тряске, взбалтывании и т.п.). Его удивительные свойства позволяют создавать на его основе сверхлёгкие и сверхпрочные материалы, такие, например, как аэрогель.

Выделяют три основных типа нитевидных наноразмерных кристаллов -наноцеллюлозы:

1) микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ) - нитевидные частицы с чередующимися кристаллами и разупорядоченными участками,

2) нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ) - представляет собой нитевидные бездефектные монокристаллы,

3) бактериальная наноцеллюлоза (БНЦ).

Они отличаются по своим размерам, функциям и методам получения.

На рисунке 2 представлены изображения под микроскопом каждого вида наноцеллюлозы [2].

Наноцеллюзные частицы имеют множество преимуществ по отношению к растительной целлюлозе и частично по отношению к синтетически полимерам:

• высокая чистота (не содержит лигнин, гемицеллю-лозу, пектин);

• пластичность;

• высокая степень полимеризуемости и кристаллизации;

• очень большая внутренняя поверхность сети нано-волокон;

• высокая механическая стабильность;

• управляемая способность биодеградации;

• повышенная прочность при сгибах и эластичность синтетических полимеров;

• прочность при растягивании и разрыве;

• высокая гигроскопичность и способность к накапливанию воды.

На рисунке 3 представлены целлюлозные волокна и мелкие структуры внутри них.

Процесс получения наноцеллюлозы из целлюлозы реализуется в три основные стадии: процесс размола, процесс гидролиза и процесс гомогенизации (в промышленном производстве при производительности оборудования 2000 кг/ч из 2000кг хвойной сульфатной небеленой целлюлозы получается 1200 кг наноцеллюлозного геля в течении 10часов).

Рисунок 2. Электронные микрофотографии а) МФЦ, б) НКЦ, и в) БНЦ

На процесс расходуется около 20 м3 воды, 636 кг соляной кислоты (конц.) и 240 кг едкого натра (конц.). Выход побочного продукта - этилового спирта равен 160 кг. Технологический процесс непрерывен. Он имеет достаточное простое в управлении и доступное аппаратурное оформление, состоящее из дисковых рафинеров марок МД25 и МД31, гидролизаппаратов V=12м3 и микрофлюи-дайзера марки М110-ЕН-30. Основным элементом оборудования в производстве наноцеллюлозы является гидро-лизаппарат.

Размол ведется в присутствии воды при концентрации волокнистой массы 2—8% в размалывающих аппаратах периодического и непрерывного действия — роллах, конических мельницах, рафинерах и др. Независимо от типа размалывающего аппарата принцип размола волокна заключается в том, что волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает к ножам рабочего органа аппарата, состоящего из неподвижно закрепленных ножей (статора) и вращающихся ножей, расположенных на барабане, конусе или диске (роторе). Проходя между ножами ротора и статора, зазор между которыми можно регулировать, волокна подвергаются режущему действию кромок ножей и укорачиваются или расщепляются в продольном направлении, раздавливаются торцовыми поверхностями ножей, расчесываются и фибриллируются.

Степень помола массы определяют на приборе Шоппер-Риглера. На этом приборе определяют способность бумажной массы пропускать через себя воду; полученные данные характеризуют степень разработки и измельчения волокон, а также степень их гидратации при размоле.

Процесс обработки измельченной целлюлозной массы гидролизом складывается из двух стадий гидролиза: кислотного гидролиза слабой соляной кислотой и щелочного гидролиза слабым раствором гидроксида натрия.

Гидролиз целлюлозы может осуществляться с использованием минеральных кислот. При обработке целлюлозы при 20—40°С концентрированной серной или сверхконцентрированной (41 %-ной) соляной кислотой происходит распад макромолекул полисахаридов на растворимые фрагменты и растворение последних в кислоте.

Основным аппаратом гидролизного производства является гидролизаппарат. В него загружают измельченную целлюлозу и одновременно закачивают разбавленную соляную кислоту. Затем закрывают верхнюю горловину, постепенно нагревают содержимое аппарата острым паром и производят сдувку для удаления воздуха и летучих продуктов. Температуру содержимого аппарата в

течение 30—40 мин доводят до 50°С, а давление до 0,5— 0,7 МПа. За это время значительная часть гемицеллюлоз гидролизуется и переходит в раствор. Потом начинают непрерывную перколяцию, т. е. сверху непрерывно подают в гидролизаппарат разбавленную соляную кислоту, нагретую до 70 °С, а снизу непрерывно выводят из него гидро-лизат.

В процессе непрерывной перколяции температуру в аппарате постепенно доводят до80 - 90 °С, давление при этом составляет 0,9—1,2 МПа. В этот период гидролизуется целлюлоза и трудногидролизуемая часть гемицеллюлоз. Макромолекулы полисахаридов при гидролизе последовательно укорачиваются. Так, из целлюлозы сначала образуется гидроцеллюлоза, затем целлодекстрины (состоящие из 10— 60 остатков глюкозы), олигосахариды (3—10 остатков глюкозы), целлобиоза (дисахарид С12Н22О11) и, наконец, глюкоза. Образующиеся моносахариды при непрерывной перколяции быстрее удаляются из реакционного пространства и тем самым уменьшается их разрушение.

Подачу пара, воды, кислоты и отбор гидролизата ведут по заданной программе, составленной с учетом того факта, что по мере гидролиза происходит усадка сырья и снижается содержание полисахаридов в нем. Ход процесса контролируют по массе веществ, содержащихся в аппарате; ее определяют по показаниям весомера, на шкале которого ноль соответствует пустому аппарату.

Когда в гидролизаппарат подано установленное программой количество кислоты, а также воды для промывки остающегося в аппарате лигнина в конце процесса, и из него выведено заданное количество гидролизата, процесс заканчивается. После этого снижают давление до 0,6—0,7 МПа, открывают быстродействующий клапан, и гидролизованная целлюлоза за 0,5—1 мин выдувается в циклон, откуда он выгружается через отверстия в днище циклона с помощью вращающегося выгребного механизма.

Гомогенизация - это механический процесс, предназначенный для уменьшения мелких частиц, присутствующих в жидкости таким образом, чтобы они стали одинакового маленького размера и распределялись равномерно. Уменьшение среднего диаметра частиц увеличивает количество отдельных частиц. Это приводит к уменьшению среднего расстояния между частицами и увеличивает их площадь поверхности. В данном процессе ис-польуется гомогенизатор высокого давления микрофлюи-дайзер М-110-ЕН (см.рис. 4). Втягивающий поршень засасывает целлюлозную массу вниз из контейнера в небольшую камеру, затем поршень движется вперед, толкая

массу в петлю образца. Две камеры (см.рис.5) установ- называемая камера взаимодействия. Необходимое давлены на петле последовательно: первая, так называемая ление примерно 1600-1700 бар нужно для того, чтобы вспомогательная камера, больше, чем вторая так подтолкнуть материал через узкую камеру.

Рисунок 3. Целлюлозные волокна и мелкие структуры внутри них: а) волокно из целлюлозы, Ь) микрокристаллическая целлюлоза, с) микрофибрилл целлюлозы, d) нанофибрилл целлюлозы, е) нанокристалл целлюлозы из древесной массы, А микрофибрилл целлюлозы животного (морских животных) происхождения, g), ^ нанофибрилл целлюлозы из других источников.

Внутри камеры специально разработаны микроканалы с фиксированной геометрией, через которые поток продукта будет разгоняться до высоких скоростей, создавая высокие скорости сдвига и воздействия сил, которые

приносят желаемые результаты, как потока продукта с высокой скоростью столкновения потока на себя износостойких поверхностей.

Как усилитель насос завершает свой ход давления, это меняет направление и привлекает новый объем продукта. В конце такта впуска, он меняет направление и снова приводит в действие продукт при постоянном давлении, повторяя процесс. После выхода из камеры взаимодействия, продукт течет через бортовой теплообменника, который регулирует продукцию до желаемой температуры перед выходом в бассейн готового продукта.

Существенная проблема, с которой сталкивается современная промышленность - это разработка энергетически экономной и экологически чистой технологии производства уникальных наноматериалов из доступного дешевого воспроизводимого сырья. В настоящее время ведутся исследования и разработки в использовании целлю-лозосодержащего сырья, результатами которых становятся новые виды наноматериалов. Одним из таких уникальных материалов является наноцеллюлоза.

Сырьем для производства наноцеллюлозы могут служить отходы сельского хозяйства, водоросли, бактерии, но самым доступным сырьем является целлюлоза из древесины [3].

Методы производства наноцеллюлозы делятся на химические и механические, но чаще всего используются комбинированные. Одним из самых эффективных методов получения наноцеллюлозы в промышленном масштабе является комбинированный метод кислотного гидролиза с рафинированием и гомогенизацией под высоким давлением.

Наноцеллюлоза по ряду показателей превосходит кевлар и углеродные нанотрубки, которые занимают первое место на рынке среди самых прочных наноматериа-лов. Ведь она прочнее кевлара, который, в свою очередь, по прочности в 5 раз превосходит сталь, и при этом наноцеллюлоза может быть тоньше бумаги. Также наноцеллюлоза обладает уникальными свойствами псевдопластичности. Одними из наиболее важных структурных и моле-

кулярных свойств целлюлозных наночастиц являются геометрические размеры, средняя кристалличность и средняя степень полимеризации, которые зависят от источника целлюлозных материалов и механические свойства, также зависящие от целлюлозосодержащего сырья. Нано-целлюлозные суспензии являются разжижающими после сдвига, и они обладают отличной водопоглотительной способностью. Такие свойства позволяют создавать из на-ноцеллюлозы сверхлегкие и сверхпрочные материалы.

Благодаря своим интересным физическим, механическим и химическим свойствам, численности, малому весу и биологическому разложению, наноцеллюлоза имеет потенциал стать важным классом возобновляемых

наноматериалов для обширных и разнообразных областей применения. Она может применяться как в медицине и пищевой промышленности, так в строительстве и автомобилестроении. Наноцеллюлоза находит эффективное применение во многих областях промышленности.

Литература

1. Азаров В. И. Химия древесины и синтетических полимеров.-СПб: СПбЛТА, 1999.

2. Mikael Ankerfors, Microfibrillated cellulose. -Stockholm: Energy efficient preparation techniques and key properties, 2012

3. Гордон Л. В. Технология и оборудование лесохимических производств. - Москва: Лесн. пром-ть, 1988.

РАСЧЕТ АГРЕГАТОВ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ ВАКУУМНО-ДИСТИЛЛЯЦИОННОЙ

УСТАНОВКИ

Горшкалёв Алексей Александрович Шиманов Артём Андреевич Цапкова Александра Борисовна

Аспиранты, СГАУ, г. Самара

CALCULATION AGGREGATES FOR MOBILE VACUUM DISTILLATION PLANT Gorshkalev Aleksey A., postgraduate student, SSAU, Samara Shimanov Artem A., postgraduate student, SSAU, Samara Tsapkova Aleksandra B., postgraduate student, SSAU, Samara

АННОТАЦИЯ

Актуальной темой ближайшего времени будет потребность в пресной воде, которая неуклонно растёт. Основными причинами увеличения потребления пресной воды является рост народонаселения, развитие промышленности и земледелия. Решить проблему недостатка пресной воды можно с помощью вакуумно-дистилляционных установок. Для создания таких установок требуется разработка и создание необходимых агрегатов, систем и подбор комплектующих. В статье представлен проектировочный расчет теплообменного аппарата и центробежного компрессора для вакуумно-дистилляционной установки.

ABSTRACT

Hot topic next time there is a need for fresh water, which is steadily growing. The main reasons for increasing the consumption of fresh water is population growth, development of industry and agriculture. Solve the problem of shortage of fresh water by using the vacuum distillation units. To create such systems requires the development and creation of the necessary assemblies, systems and selection of components. The paper presents the calculation of projecting heat exchanger and a centrifugal compressor for vacuum distillation unit.

Ключевые слова: Пресная вода, опреснение воды, вакуумно-дистилляционная установка, теплообменник-испаритель, центробежный парокомпрессор

Keywords: Fresh water, desalination of water, vacuum distillation unitheat exchanger, evaporator, centrifugal compressor steam

Потребность в пресной воде неуклонно растёт. Основными причинами увеличения потребления пресной воды является рост народонаселения, развитие промышленности и земледелия. Так же большой проблемой является неравномерность запасов пресной воды, что делает доставку в засушливые регионы очень дорогостоящей. Решить данную проблему можно с помощью установок для опреснения воды, среди которых наиболее перспективной является вакуумно-дистилляционная.

Принцип работы опреснительной установки предлагаемой в данной работе основывается на вакуумной дистилляции (рисунок 1). Исходная вода из водозаборного устройства с помощью дополнительного насоса, который входит в состав водозаборного устройства, подаётся че-

рез фильтр к устройству, в котором в исходную воду в незначительных количествах добавляют антинакипин, препятствующий отложению накипи на поверхности трубок ступеней испарителя. После этого обработанная вода по трубопроводу подаётся к пластинчато-ребристым теплообменникам. Перед её подачей в указанные теплообменники происходит разделение общего потока воды на два, приблизительно равных количественно, из которых первый проходит через охладитель дистиллята, а второй - через охладитель рассола [7, с.56].

Пройдя через пластинчато-ребристые теплообменники, два потока исходной морской воды нагреваются и вновь объединяются в один общий поток, который дальше подаётся к распылителям всех ступеней испарителя.