CC BY
107
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, ov_stoyanov@mail.ru.
