CC BY
55
Химия растительного сырья. 2011. №1. С. 17-20.
Биополимеры растений
УДК 676.164.3:676.022.6
СРАВНЕНИЕ СТЕПЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ВЯЗКОСТЬ ЛИСТВЕННОЙ И ХВОЙНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ. СООБЩЕНИЕ 3. ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА КАППА НА ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
© Т.Е. Карманова, В.И. Комаров, JI.A. Миловидова
Архангельский государственный технический университет, наб. Северной Двины, 17, Архангельск (Россия) e-mail: y-sevastyanova@yanex.ru
Изучены влияние числа Каппа и содержание лигнина на выход и вязкость лиственной и хвойной сульфатной целлюлозы, Установлено, что наиболее высокие коэффициенты корреляции существуют между величиной выхода и содержанием лигнина,
Ключевые слова: хвойная сульфатная целлюлоза, лиственная сульфатная целлюлоза, вязкость, число Каппа, содержание лигнина группы гексенуроновых кислот (ГУК),
Введение
В работах [1, 2] показано, что в выбранных интервалах условий варки изменение основных характеристик лиственной и хвойной целлюлозы (выход, вязкость целлюлозы, содержание лигнина и групп гексену-роновых кислот) определяет число Каппа. Конечной целью нашей работы является установление взаимосвязи между вязкостью и основными характеристиками целлюлозы, для этого необходимо было установить более точную корреляцию ме^ду характеристиками целлюлозы и числом Каппа. Нами получены образцы лиственной целлюлозы в диапазоне значений числа Каппа 10-26 и хвойной целлюлозы в диапазоне 20-48 (табл. 1, 2), для которых определены все вышеперечисленные характеристики.
Экспериментальная часть
Варки щепы проводились в стационарных автоклавах, условия варки были следующие: гидромодуль - 4, концентрация активной щелочи изменялась от 49 до 61 г/л, продолжительность стоянки на конечной температуре составляла 60-150 мин с интервалом 30 мин. Температура варки для лиственной целлюлозы изменялась от 152 до 160 °С, для хвойной - от 164 до 172 °С.
Обсуждениерезультатов
Поскольку число Каппа косвенно характеризует содержание лигнина в целлюлозе, то по имеющимся данным рассчитаны коэффициенты для зависимости лигнин - число Каппа. Эти коэффициенты были рассчитаны в двух вариантах: лигнин / непосредственно определенное число Каппа и лигнин / число Каппа с поправкой на содержание групп гексенуроновых кислот (ГУК). Средние значения полученных коэффициентов для лиственной и хвойной целлюлозы даны в таблице 3, интервалы изменения этих коэффициентов -в таблицах 1 и 2.
Как видно из представленных в таблицах 1 и 2 данных, для лиственной целлюлозы соотношение лигнин / число Каппа изменяется от 0,16 до 0,19 при среднем значении 0,17; для хвойной целлюлозы это соотношение изменяется от 0,14 до 0,17 при среднем значении 0,15.
* Автор, с которым следует вести переписку,
Таблица 1. Условия проведения варок и показатели лиственной целлюлозы
Температура, °С Продолжительность, мин Расход щелочи, г/л Общий выход, % Содержание ГУК, ммоль/кг Содержание лигнина, % Число Каппа Лигнин / число Каппа Вязкость, мл/г
непосредственно определенное с учетом содержания групп ГУК по определенному значению с учетом содержания групп ГУК
156 60 49 54,4 40,19 3,22 20,1 16,1 0,16 0,20 1120
156 90 49 57,9 38,36 3,03 17,7 13,9 0,17 0,22 1100
156 120 49 53,4 36,94 2,93 17,3 13,6 0,17 0,22 1030
156 60 55 54,4 39,80 2,66 15,3 11,3 0,17 0,24 1100
156 90 55 52,1 37,35 2,46 13,6 9,9 0,18 0,25 1020
156 120 55 52,7 36,64 2,39 13,3 9,6 0,18 0,25 1010
156 150 55 51,6 35,97 2,14 12,1 8,5 0,18 0,25 950
156 60 58 50,8 37,96 2,34 13,5 9,7 0,17 0,24 1020
156 90 58 50,9 36,19 2,15 12,1 8,5 0,18 0,25 980
156 120 58 50,0 33,63 2,01 10,4 7,0 0,19 0,29 920
156 150 58 49,8 33,67 1,98 10,3 6,9 0,19 0,29 880
156 60 61 49,5 36,68 2,21 12,4 8,7 0,18 0,25 930
156 90 61 49,4 36,68 2,09 11,6 7,9 0,18 0,26 930
156 120 61 48,9 32,90 1,60 10,0 6,7 0,16 0,24 900
156 150 61 49,7 30,93 1,53 9,7 6,6 0,16 0,23 860
152 60 49 59,5 49,94 4,39 25,7 20,7 0,17 0,21 1180
152 90 49 57,5 38,78 3,60 20,6 16,7 0,17 0,22 1180
152 120 49 54,0 36,47 3,46 20,4 16,7 0,17 0,21 1100
152 150 49 52,9 35,80 3,15 18,3 14,7 0,17 0,21 1040
160 60 49 59,2 27,61 3,92 21,4 18,6 0,18 0,21 1060
160 90 49 52,2 25,99 2,76 15,5 12,9 0,18 0,21 990
160 120 49 57,1 19,05 2,84 14,3 16,1 0,16 0,20 990
160 150 49 52,1 19,01 2,63 15,0 13,9 0,17 0,22 880
Таблица 2. Условия проведения варок и показатели хвойной целлюлозы
Температура, °С Продолжительность, мин Расход щелочи, г/л Общий выход, % Содержание ГУК, ммоль/кг Содержание лигнина, % Число Каппа Лигнин / число Каппа Вязкость, мл/г
непосредственно определенное с учетом содержания групп ГУК по определенному значению с учетом содержания групп ГУК
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
168 60 49 53,7 36,18 6,21 45,4 41,8 0,14 0,15 960
168 90 49 48,8 32,00 4,68 33,1 29,9 0,14 0,16 950
168 120 49 47,6 31,32 4,32 30,4 27,3 0,14 0,16 860
168 150 49 46,7 30,56 3,69 25,7 22,6 0,14 0,16 820
168 60 55 50,0 31,97 5,41 36,3 33,1 0,15 0,16 870
168 90 55 46,8 30,68 4,56 30,8 27,7 0,15 0,16 760
168 120 55 45,7 27,52 3,60 26,2 23,4 0,14 0,15 800
168 150 55 44,1 22,00 3,68 22,7 20,5 0,16 0,18 750
168 60 58 45,5 31,77 4,80 34,5 31,3 0,14 0,15 880
168 90 58 44,2 31,16 4,16 28,2 25,1 0,15 0,16 820
168 120 58 44,4 30,33 3,61 25,1 22,1 0,14 0,16 800
168 150 58 42,9 27,92 3,44 23,0 20,2 0,15 0,17 730
168 60 61 47,8 31,84 4,75 33,3 30,1 0,14 0,16 850
168 90 61 43,8 29.02 3,64 26,6 23,7 0,14 0,15 780
168 120 61 43,5 27,01 3,54 24,2 21,5 0,15 0,16 790
168 150 61 42,0 19,37 3,31 20,8 18,9 0,16 0,18 680
164 60 58 56,8 37,13 6,78 47,5 43,8 0,14 0,15 960
164 90 58 50,7 35,02 5,78 38,4 34,9 0,15 0,16 920
164 120 58 49,8 31,02 4,37 29,3 26,2 0,15 0,17 840
164 150 58 46,4 30,60 4,00 27,5 24,4 0,14 0,16 820
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
172 60 58 47,4 31,49 4,36 31,5 28,4 0,14 0,15 750
172 90 58 43,2 27,00 3,49 24,0 21,3 0,14 0,16 650
172 120 58 46,2 22,49 3,77 22,5 20,2 0,17 0,19 590
172 150 58 41,1 18,89 3,02 20,0 18,1 0,15 0,17 570
Таблица 3. Средние значения коэффициентов лигнин / число Каппа для лиственной и хвойной целлюлозы
Лигнин / непосредст- Лигнин / исправ-
Целлюлоза венно определенное ленное
число Каппа число Каппа
Лиственная 0,17 0,23
Хвойная 0,15 0,16
После перерасчета значений числа Каппа с учетом содержания групп ГУК соотношение лигнин / число Каппа для хвойной целлюлозы изменилось незначительно (среднее значение
0,16). Для лиственной целлюлозы увеличение было значительным: средний коэффициент составил 0,23. Полученный результат свидетельствует о более высокой реакционной способности хвойного лигнина по отношению к окислителю, что согласуется с результатами, полученными для кислородно-щелочных обработок в производственных условиях.
На рисунках 1-4 представлены графические зависимости выхода и вязкости лиственной и хвойной целлюлозы от числа Каппа и содержания лигнина.
Характер зависимостей выхода лиственной и хвойной целлюлозы от числа Каппа и содержания лигнина, как и следовало ожидать, практически одинаков, т.е. при повышении числа Каппа и содержания лигнина выход целлюлозы увеличивается. Однако значение коэффициентов корреляции для зависимости выход / содержание лигнина значительно выше, чем для зависимости выход / число Каппа. Так, для лиственной целлюлозы эти значения составили 0,80 и 0,88 соответственно, а для хвойной - 0,75 и 0,86. Подобное изменение значений коэффициентов корреляции объясняется присутствием групп ГУК, которые влияют на величину числа Каппа и таким образом приводят к снижению коэффициента корреляции ме^ду непосредственно определенным значением числа Каппа и выходом.
Рис. 1. Зависимость общего выхода от числа Каппа: а - лиственная целлюлоза, у = 48,764 + 0,2793 х + + 0,0078х2, Я2 = 0,7989; б - хвойная целлюлоза, у = 43,043 + 0,0148 х + 0,0187х2, Я2 = 0,7542
Рис. 2. Зависимость общего выхода от содержания лигнина: а - лиственная целлюлоза, у = 44,449 + + 2,3848 х + 0,2876х2, Я2 = 0,8751; б - хвойная целлюлоза, у = 35,11+ 1,962 х + 0,1626х2, Я2 = 0,8550
Рис. 3. Зависимость вязкости от числа Каппа: а - лиственная целлюлоза, у = 853,9 + 15,288 х + 0,0932х Я2 = 0,7689; б - хвойная целлюлоза, у = 565,69х0,1508, Я2 = 0,7772
б)
♦... ♦
♦
♦ ♦ у
*
ф
♦ : ♦
2,5 3,5 4,5 5,5 6,5
Содержание лигнина, %
Рис. 4. Зависимость вязкости от содержания лигнина: а - лиственная целлюлоза, у = 570,5 + 218,23 х +
+ 419,274х2, Я2 = 0,7693; б - хвойная целлюлоза, у = - 184,65 + 356,68 х + 28,162х2, Я2 = 0,7271
График изменения вязкости лиственной целлюлозы от числа Каппа (рис. 3а) имеет близкий к линейному характер при коэффициенте корреляции 0,77. Зависимость вязкости от содержания лигнина (рис. 4а) при коэффициенте корреляции 0,77 носит затухающий характер, при содержании лигнина ниже 3,5% начинается заметное снижение вязкости, т.е. при содержании лигнина менее 3,5% углеводная часть становится более доступной к воздействию химических реагентов.
Характер изменения вязкости от числа Каппа для хвойной целлюлозы (рис. 36) также близок к линейному при значениях числа Каппа свыше 24-25. При снижении числа Каппа до 20 характер зависимости также близок к линейному, но резко изменяется угол наклона линии графика к оси X. Зависимость вязкости от содержания лигнина (рис. 46) так же, как и для лиственной целлюлозы, имеет затухающий характер, т.е. после снижения содержания лигнина до 5,0% и менее вязкость снижается более заметно, что свидетельствует о меньшей устойчивости полисахаридов хвойной целлюлозы к действию варочного раствора.
Выводы
1. Выполненный эксперимент показал, что наиболее тесная корреляционная зависимость как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы существует между величиной выхода и содержанием лигнина, а не числом Каппа.
2. Значения коэффициентов корреляции для зависимостей вязкости от числа Каппа и содержания лигнина практически одинаковы как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы. Наиболее заметное снижение вязкости лиственной целлюлозы происходит при снижении содержания лигнина до 3,5%, хвойной - до 5,0%.
Список литературы
1. Карманова Т.Е., Комаров В.И., Миловидова Л.А. Сравнение степени воздействия факторов сульфатной варки на химический состав и вязкость лиственной и хвойной целлюлозы. Сообщение 1. Влияние температуры и продолжительности варки // Химия растительного сырья. 2010. №4. С. 37-40.
2. Карманова Т.Е., Комаров В.И., Миловидова Л.А. Сравнение степени воздействия факторов сульфатной варки на химический состав и вязкость лиственной и хвойной целлюлозы. Сообщение 2. Влияние расхода активной щелочи // Химия растительного сырья. 2010. №4. С. 41-44.
Поступило в редакцию 23 ноября 2009 г.
