Научная статья на тему 'Повышение сорбционных свойств технической целлюлозы из недревесного растительно сырья'

Повышение сорбционных свойств технической целлюлозы из недревесного растительно сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
279
103
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦЕЛЛЮЛОЗА / СОРБЦИЯ / SORPTION / КАПИЛЛЯРНАЯ ВПИТЫВАЕМОСТЬ / CAPILLARY ABSORBENCY / СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ОБРАБОТКА / MICROWAVE TREATMENT / ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ОРГАНОСОЛЬВЕНТНАЯ ДЕЛИГНИФИКАЦИЯ / OXIDATION OF ORGANIC SOLVENT DELIGNIFICATION / СELLULOSE

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Вураско А. В., Фролова Е. И., Стоянов О. В.

Исследованы способы повышения сорбционной емкости и капиллярной впитываемости технической целлюлозы из недревесного растительного сырья. Выданы рекомендации по использованию полученных материалов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Вураско А. В., Фролова Е. И., Стоянов О. В.

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

Explored ways to improve the sorption capacity and capillary absorption of non-wood pulp plant materials. Issue drecommendations on the use of the materials received.

Текст научной работы на тему «Повышение сорбционных свойств технической целлюлозы из недревесного растительно сырья»

УДК 676.1.022.1:668.743.54

А. В. Вураско, Е. И. Фролова, О. В. Стоянов

ПОВЫШЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНО СЫРЬЯ

Ключевые слова:целлюлоза, сорбция, капиллярная впитываемость, сверхвысокочастотная обработка, окислительная орга-

носольвентная делигнификация.

Исследованы способы повышения сорбционной емкости и капиллярной впитываемости технической целлюлозы из недревесного растительного сырья. Выданы рекомендации по использованию полученных материалов.

Keywords: сellulose, sorption, capillary absorbency, the microwave treatment, oxidation of organic solvent delignification.

Explored ways to improve the sorption capacity and capillary absorption of non-wood pulp plant materials. Issue dre-commendations on the use of the materials received.

ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Введение

В настоящее время сорбционные материалы применяются в промышленности [1], фармакологии [2], при оценке экологического мониторинга и защите природной среды [3]. В связи с этим, особый интерес представляют природные полимеры растительного происхождения, в частности техническая целлюлоза из недревесного растительного сырья.

Целью данной работы является изучение способов повышения сорбционной емкости и капиллярной впитываемости технической целлюлозы из шелухи риса и соломы овса полученной окислительно-органосольвентным способом.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

- на основе предварительных исследований получена техническая целлюлоза с заданными свойствами [4];

- для повышения сорбционных свойств и капиллярной впитываемости последовательно исследован механический массный размол и сверхчастотная (СВЧ) обработка целлюлозы;

- изучены характеристики полученных материалов и предложены рекомендации по их применению.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования использовали техническую целлюлозу из шелухи риса и соломы овса, следующего состава (табл. 1).

Получение технической целлюлозы проводили в термостатированной колбе, снабженной обратным холодильником, перемешивающим устройством и термометром, при следующих условиях:

- для шелухи риса: расход равновесной пе-руксусной кислоты (рПУК) - 0,8 г/г абсолютно сухого сырья (а.с.с.); подъем температуры до 90 оС - 30 мин; варка при температуре 90 оС - 90 мин; гидромодуль 1:10;

- для соломы овса: расход рПУК -0,4 г/г а.с.с.; подъем температуры до 90 оС - 30 мин; варка при температуре 90 оС - 90 мин; гидромодуль 1:10.

Таблица 1 - Химический состав технической целлюлозы

Компоненты,% Техническая целлюлоза, полученная из:

соломы овса шелухи риса

а - целлюлоза [ГОСТ 6840-78] 77,7±0,2 79,3±0,2

Массовая доля лигнина [ГОСТ 11960-79] 2,1±0,2 3,0±0,2

Минеральные вещества [5] 0,07±0,05 0,05±0,05

рН водной вытяжки [ГОСТ 12523-77] 6,9±0,2 6,9±0,2

После процесса делигнификации техническую целлюлозу промывали дистиллированной водой и анализировали. Результаты физико-химических показателей технической целлюлозы представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Физико-химические показатели технической целлюлозы

Показатели Техническая целлюлоза из

соломы овса шелухи риса

Степень помола, оШР 16 60 14 30

Адсорбционная способность, мг/г [5] 35,4±0,3 38,4±0,3 46,6±0,3 58,0±0,3

Сорбционная способность по йоду, мг/г [4] 10,5±0,2 20,7±0,2 45,5±0,2 64,2±0,2

Набухание в растворе 17,5% ШОИ [ГОСТ 300±20 300±20 350±20 500±20

7516-75]

Водоудержание, % [4] 150±10 220±10 190±10 280±10

Капиллярная впитываемость воды, мм 18,0±1 13,0±1 27,0±1 18,0±1

[ГОСТ 12602-93]

Длина волокна, мм [4] 1,6 1,4 0,8 0,5

Впитываемость при

одностороннем смачивании, г/м2 [ГОСТ 95±1 99±1 100±1 150±1

12605-97]

На сорбционные свойства волокнистых материалов значительное влияние оказывает степень помола. Исходная степень помола представлена в таблице 2.Изменение степени помола достигается размолом. При размоле волокон, как правило, протекает два процесса:внешнее и внутреннее фибриллирование, что приводит к повышению сорбционных свойств и укорачивание волокон, что является нежелательным явлением.Внешнее и внутреннее фибриллирование это процесс расщепления волокон на фибриллы в продольном направлении. При этом происходит значительное увеличение наружной поверхности волокон, усиление адсорбции воды, набухание волокон и повышение их гибкости.Освобождающиеся на наружной поверхности гидроксильные группы позволяют повышать механическую прочность, впитывающую способность и другие показатели. При сближении волокон на расстояние 2,4...2,7 А возможно образование водородных связей[6, 7].

Размол технической целлюлозы проводили в лабораторном роллепри следующих условиях: концентрация массы - 1%, температура - 20оС.

Динамика размола представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Динамика размола технической целлюлозы из недревесного растительного сырья

Из рисунка 1 видно, что начальная степень помола для целлюлозы из соломы овса составляет 16оШР, а для целлюлозы из шелухи риса - 14оШР.

Размол целлюлозы из соломы овса можно описать тремя периодами:

- первый период наиболее медленный, продолжительность его составляет до 4 минут, это обусловлено большими затратами энергии на разрушение внутренних связей клеточной стенки волокна;

- второй период, характеризуется более интенсивным размолом и обусловлен внутренней фибрилляцией волокон;

- третий период начинается с 7 минуты, характеризуется достижением максимальной степени помола 60оШР, дальнейшее продолжение процесса не приводит к изменению степени помола.

Целлюлоза из шелухи риса размалывается равномерно и достигает максимальной степени помола - 30°ШР за 6 минут. В данном случае такая степень

помола является предельной, что связано с шириной ножей размалывающей гарнитуры ролла, которая соизмерима с длинной волокна целлюлозы из шелухи риса (0,08.0,1 мм).

Из полученных образцов технической целлюлозы с максимальной степенью помола в лаборатории на листоотливном аппарате «ЛОА-1» получали бумажные отливки массой 100г/м2.

Для образцов были определены физико-химические показатели, представленные в таблице 2. Из полученных результатов видно, что при увеличении степени помола происходит ростпоказателей адсорбционной способности, водоудержания, набухания в растворе щелочи, впитываемости при одностороннем смачивании. Следует отметить существенное увеличениепоказателя сорбционной емкости по йоду: в 1,5 и 2 раза для целлюлозы из шелухи риса и соломы овса, соответственно. Следствием процесса размола является укорочение длины волокон на 12,5 %(для целлюлозы из соломы) и 37,0 % (для целлюлозы из шелухи риса).

При увеличении степени помола волокна становятся гибкими и эластичными, способствуя при отливе, получению более плотной бумажной отливки. Следствием этого, является снижение показателя капиллярной впитываемости для целлюлозы из соломы овса и шелухи риса в 1,3 и 1,5 раза соответственно.

Следующим этапомповышения сорбционных свойствтехнической целлюлозы (в виде бумажных отливок) былоизучение влияния СВЧ обработки. Обработку проводили при условиях: мощность - 800 Ватт, влажность исходных образцов - для целлюлозы из шелухи риса - 5,3%, для целлюлозы из соломы овса - 3,5 %. Интервал отбора проб - 10 секунд[8].

Экспериментально установлено, что максимальное значение капиллярной впитываемости достигается за 40 секунд СВЧ обработки и составляет для целлюлозы из соломы овса - 23 мм, из шелухи риса -35 мм (рис. 2). Увеличение продолжительности обработки не приводит к изменению показателей.

40

5

35

.0

и о 30

О) та 25

И

3 1- 20

^

с а 15

СЕ

та X 10

а.

СЕ

^ 5

С

та 0

До размола Шелуха риса

После ПослеСВЧ размола обработки Солома овса

Рис. 2 - Зависимость капиллярной впитываемости от степени помола целлюлозы и времени обработки СВЧ

Для сорбционной емкости по йоду максимальные значения достигаются при продолжительности СВЧ обработки 30 секунд и составляют для целлюлозы из соломы овса - 30,6 мг/г, из шелухи риса -71,4 мг/г (рис. 3). Дальнейшее увеличение продолжительности обработки не приводит к изменению показателя.

Полученные значения после СВЧ обработки остаются неизменными более 60 суток и можно считать их необратимыми.

Рис. 3 - Зависимость сорбционной емкости по йоду от степени помола целлюлозы и времени обработки СВЧ

Выводы

1. Изучены способы повышения сорбционной емкости и капиллярной впитываемости технической целлюлозы из шелухи риса и соломы овса путем массного размола и СВЧ обработкой материалов. Установлено, что:

- сорбционные свойства при механическом массном размоле увеличивается для целлюлозы из соломы овса в 2 раза, для целлюлозы из шелухи риса в 1,5 раза;

- капиллярная впитываемость снижается для целлюлозы из соломы овса и шелухи риса в 1,3 и 1,5 раза соответственно;

2. Выявлено, что последующая сверхчастотная обработка приводит к повышению сорбционной емкости для целлюлозы из соломы овса в 1,4 раза, для целлюлозы из шелухи риса в 1,2 раза. Капиллярная впитываемость при этом также увеличиваетсяи несколько превышает первоначальные значения;

3. Обнаружено, что полученные материалы обладают высокими значениями сорбционной емкости и капиллярной впитываемости, одновременно, что позволяет рекомендовать их в качестве твердофазных матрицдля изготовления тест-средствпри определении загрязнений воды.

Литература

1. А.В. Вураско Получение и применение полимеров из недревесного растительного сырья// Дрикер Б.Н., Э.В. Мертин, В.П. Сиваков, А.Ф. Никифоров, Т.И. Маслакова, Е.И. Близнякова // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2012. -№6. - С. 128-132

2. А.В. Вураско Получение пищевых волокон из шелухи и соломы риса и овса. /Б.Н. Дрикер, Э.В. Мертин, А.Р. Ми-накова, Е.И. Близнякова // Фармация и общественное здоровье. Материалы УМеждунар. конф. - Екатеринбург, 2012. - С. 118-120

3. А.В. Вураско Исследование свойств полимерных материалов из соломы и шелухи овса// Б.Н. Дрикер, Э.В. Мертин, Е.И. Близнякова, А.Ф. Никифоров, О.В. Стоянов// Вестник Каз. технол. ун-та. - 2012. - №20. - С.155-158

4. А.Р. Минакова Получение целлюлозы окислительно-органосольвентным способом при переработке недревесного растительного сырья: Дисс. канд. техн. наук: 05.21.03/А.Р. Минакова/ - Архангельск.-2008-151с.

5. А.В. Оболенская Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы/ З.П. Ельницкая, А.А. Леонович. - М.: 1991. - 320 с.

6. Фляте Д.М. Технология бумаги / Д.М. Фляте. - М.: Лесная промышленность, 1988. - 440 с.

7. Технология целлюлозно-бумажного производства в III томах. Том II. Сырье и производство полуфабрикатов. Часть 2. Производство полуфабрикатов. СПб: Политехника, 2003. 633 с.

8. Побединский В.С. Активирование процессов отделки текстильных материалов энергией электромагнитных волн ВЧ, СВЧ и УФ диапазонов / В.С. Побединский.Иваново : ИХР РАН, 2000. - 128 с.

© А. В. Вураско - зав. каф. химии древесины и технологии целлюлозно-бумажного производства УГЛТУ; Е. И. Фролова -аспирант той же кафедры; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии полимерных материалов КНИТУ, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.