Одержання солом'яної целюлози для хімічної переробки

Одержання солом'яної целюлози для хімічної переробки

Одержання солом'яної целюлози для хімічної переробки

Постановка проблеми. В багатоплановому характері вирішення проблеми сировинної бази світової целюлозно-паперової промисловості важливе місце займає питання використання недеревної рослинної сировини (НДРС) і відходів сільського господарства. Із багаточисельних видів однорічних рослин особливий інтерес представляє солома злакових культур (пшенична, житня, рисова). В даний час використовується лише близько 1,5% загальних запасів недеревної рослинної сировини. Використання лише 10% однорічних рослин та відходів сільського господарства дозволить отримати більш 125 млн. т на рік первинних волокнистих напівфабрикатів (ВНФ) [1]. Основною перевагою подібної рослинної сировини є її щорічна відтворюваність і можливість перероблення як традиційними лужними способами делігніфікації, так і нетрадиційними, наприклад, окисно-органосольвентними [2]. Целюлоза, окрім виробництва паперу та картону, використовується для хімічної переробки на ете - ри та естери целюлози, з яких одержують хімічні волокна, плівки, пластичні маси, лакофарбові матеріали, клеї та ін. Як правило високоякісну целюлозу для хімічної переробки виробляють переважно з деревини як хвойних порід також відомо про одержання целюлози для хімічної переробки з соломи злакових культур та інших представників недеревної рослинної сировини [3]. Целюлоза, яка призначена для хімічної переробки, повинна мати високу хімічну чистоту і молекулярну однорідність.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Складність при використанні недеревної рослинної сировини для отримання технічної целюлози полягає в наявності коротких волокон; неоднорідності макро- і мікроструктури; високому вмісті пентозанів і, особливо, золи (зокрема сполук кремнію); низькій насипній масі сировини. Цю проблему неможливо вирішити тільки за рахунок вдосконалення допоміжних процесів і обладнання (абсорбційного, випарного, содорегенераційного і т.д.), як це відбувається сьогодні. Вихід - це перехід на альтернативні способи варіння, що виключають джерело шкідливих викидів. Серед альтернативних технологій одержання ВНФ вченими пропонується проводити делігніфікацію рослинної сировини в пероксокислотах - окисно - органосольвентні варіння. Вони характеризуються меншою енергоємністю виробництва і більшою вибірковою дією на лігнін [4]. Серед органосольвентних способів одним із найбільш перспективних вважається пероцтовий метод одержання ВНФ із рослинної сировини, застосування якого виключає подальший процес вибілювання технічної целюлози хлормісткими сполуками.

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Проведені попередні дослідження процесу пероцтової делігніфікації стебел пшеничної соломи показали, що одержана целюлоза має високий вихід і білість, але разом з тим і високу зольніть та містить більше 2% залишкового лігніну [5]. Така целюлоза не може бути використана без додаткової обробки для подальшої хімічної переробки.

В зв’язку з тим, що пшенична солома має високу зольність 6,4-6,9%, яка в основному зосереджена в вузлах рослинної сировини і основним компонентом якої є диоксид кремнію, що знаходиться в рослинній сировині у вигляді моно - кремнієвої кислоти, яка накопичується і утворює в результаті процесу полімеризації целюлозно - кремнієву структуру. Так як ця структура добре розчиняється в розчині лугу, тому метою даних досліджень було видалення аморфного диоксиду кремнію з рослинної сировини і руйнування целюлозно-кремнієвої структури.

Мета статті: дослідити вплив лужної екстракції стебел пшеничної соломи на показники якості пероцтової солом’яної целюлози для подальшої її хімічної переробки.

Виклад основного матеріалу. Експериментальна частина. Для проведення досліджень з отримання пероцтової целюлози використано висушені на повітрі стебла пшеничної соломи, яку було заготовлено після закінчення вегетативного періоду в сільськогосподарських підприємствах Черкаської області. Хімічний аналіз стебел пшеничної соломи було виконано у відповідності зі стандартними методиками [6]. В результаті визначень було одержано наступний хімічний склад стебел соломи: вміст целюлози - 45,6%; лігніну - 17,1%; смоли, жири, воски - 5,4%; пентозани - 25,8%; розчинність у воді - 10,6%; розчинність у МаОН - 37,2%; зола - 4,2% від маси абс. сух. сировини.

Стебла пшеничної соломи відсортовувалися від сторонніх домішок (листя, колосків, трави), подрібнювалися до розмірів 3-5 мм і зберігались в ексикаторах для підтримання постійної вологості та хімічного складу.

Для зниження вмісту мінеральних речовин проводили попередню екстракцію подрібнених стебел пшеничної соломи розчинами МаОН різної концентрації. Для цього наважки подрібнених стебел соломи поміщали в термостійкі конічні колби, додавали розчин лугу необхідної концентрації і з’єднували колби зі зворотними холодильниками. Для забезпечення температури процесу 90±2°С колби встановлювали на водяних банях. Екстракцію лугом проводили протягом 20-80 хв., за концентрації розчину МаОН 20, 30, 40 та 50 г./л та гідромодуля 10:1. Після закінчення обробки ВНФ промили дистильованою водою до нейтрального середовища, висушували на повітрі і визначили показники якості за стандартними методиками [7].

Наступним етапом обробки солом’яних ВНФ було проведення процесу варіння целюлози сумішшю льодяної оцтової кислоти і 35%-го Н₂О₂ у співвідношеннях 30:70 об’ємних% за гідромодуля 10:1, температури 90±2°С, тривалістю 90 хв. Процес варіння проводили у термостійких конічних колбах, встановлених на азбестових сітках і з’єднаних зі зворотними холодильниками. Після закінчення варіння целюлозу промили дистильованою водою до нейтральної реакції, висушували на повітрі та визначили її показники якості.

Результати та обговорення. Виходячи з аналізу літературних даних лужну обробку рослинної сировини зазвичай проводять за концентрації ИаОН 40 г./л, тривалістю 120 хв [8]. В роботі було розширено діапазон концентрацій лугу від 10 до 50 г./л. Результати екстракції стебел пшеничної соломи розчином ИаОН за різної концентрації лугу на показники якості солом’яних ВНФ наведено на рис. 1.

целюлоза пшеничний солома хімічний

Залежність показників якості солом'яних ВНФ від тривалості екстракції лугом за різної концентрації NaOH: а - зольність, %; б - вміст залишкового лігніну, %; в - вихід, %

З наведених на рис. даних видно, що зі збільшенням тривалості екстракції відбувається зниження вмісту золи у солом’яних ВНФ порівняно із вихідною рослинною сировиною на 2,9-3,3%. Це пояснюється тим, що під час даного процесу відбувається переведення у розчин мінеральних речовин, які містяться у стеблі соломи. Слід зауважити, що зменшується і вміст залишкового лігніну, основна його кількість переходить до варильного розчину вже за концентрації лугу ЗО г/л і тривалості обробки 60 хв. Подальше збільшення концентрації лугу не призводить до значних змін вмісту мінеральних речовин та залишкового лігніну в одержаному солом’яному ВНФ. Крім того, відбувається часткове видалення геміцелюлоз у результаті гідролізу низькомолекулярних фракцій целюлози, що призводить до зниження виходу ВНФ на 10-12%.

З метою зменшення вмісту мінеральних речовин та залишкового лігніну проводили процес варіння целюлози розчином пероцтової кислоти (табл.).

Показники якості пероцтової солом’яної целюлози

Як видно із даних табл., підвищення тривалості лужної екстракції з подальшим варінням розчином пероцтової кислоти знижує вміст золи у солом’яній целюлозі. Зменшення виходу целюлози зумовлене деструкцією вуглеводної частини та переходом до розчину лігніну, екстрактивних речовин, золи і низькомолекулярних вуглеводних сполук. Також спостерігається зміна забарвлення соломяної целюлози із золотаво-жовтого на білий. Це зумовлено тим, що пероцтова кислота не тільки руйнує молекулу лігніну, діючи на ароматичні кільця його молекул, а й спричиняє деструкцію хромофорних груп. При цьому, як видно з даних табл. 1, зі зростанням концентрації КаОН від 30 до 50 г./л під час лужної екстракції рослинної сировини з подальшим пероцтовим варінням целюлози не призводить до значного зменьшення зольності целюлози і вмісту вній залишкового лігніну. Тому процес екстракції стебел пшеничної соломи доцільно проводити за концентрації КаОН не більше 30 г./л.

Отримана за таких умов соломґяна целюлоза має зольність 0,37% і вміст залишкового лігніну 0,42%. Отримані данні свідчать про те, що дана целюлоза придатна не лише для виробництва вибілених видів картонно-паперової продукції, а і для хімічного перероблення [9, 10].

Висновки і пропозиції. Досліджено вплив лужної екстракції стебел пшеничної соломи на показники якості органосольвентної солом’яної целюлози. Встановлено, що підвищення концентрації розчину гідроксиду натрію і тривалості стадії лужної екстракції зменшує вміст мінеральних речовин та залишкового лігніну в солом'яних волокнистих напівфабрикатах. Показано, що застосування пе - роцтового варіння сприяє подальшому зменшенню мінеральних речовин у соломяній целюлозі.

Запропонована технологія одержання соломя - ної целюлози із застосуванням органічних речовин не містить шкідливих сірко- і хлорвмістних сполук і тому є екологічно більш чистою та дозволить одержати целюлозу, яка буде придатна не лише для виробництва картонно-паперової продукції, а і для хімічної переробки. Перспективи подальших досліджень полягають в одержанні мікрокристалічної целюлози на основі розробленої технології.

Список літератури

1. Вураско А.В. Ресурсосберегающая технология получения целюлозного материала при комплексной переработке сельскохозяйственных культур / А.В. Вураско, Б.Н. Дрикер, А.Р. Галимова, Е.А. Мозырева, Н.Н. Гуле - мина, Л.А. Земнухова // Химия растительного сырья, 2006. - №4. - С. 5-10.

2.       Невмываный С., Кай-Эрик Волюмари Возможности переработки соломы для производства целлюлозы в Украине. - Киев. - 2013. - С. 20.

3.       Хинчич О.А., Сокаррас А., Релли Б.О. Перспективы формования волокон и пленок из растворов производных багассной целлюлозы // Тез. докл. Всес. научно-техн. конф. «Химия, технол. и применение целлюлозы и ее производных» - Черкассы, 1990. - С. 239-240.

.        Примаков С.П., Барбаш В.А., Черьопкіна Р.І. Виробництво сульфітної та органосольвентної целюлози. Навчальний посібник - Київ: ЕКМО. - 2009. - 279 с.

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

.        Барбаш В.А., Трембус І. В., Гапон О.С., Шевченко В.М. Одержання солом’яних волокнистих напівфабрикатів пероцтовим способом делігніфікації // Наукові вісті НТУУ «КПІ». - 2010. - №3. - С. 42-49.

7.       Примаков С.Ф., Милосердов В.П., Кухникова М.С. Лабораторный практикум по целлюлозно-бумажному производству. - М.: Лесн. пром-сть, - 1980. - 168 с.

.        Москалева В.Е. Диагностические признаки недревесных растительных и химических волокон / В.Е. Москалева, З.Е. Брянцева, Е.В. Гончаров и др. - М.: Лесная пром-сть, 1981. - 120 с.

9.       Барабаш В.А., Трембус И.В. Органосольвентные способы получения волокнистых полуфабрикатов из пшеничной соломы // Энерготехнология и ресурсосбержение. - 2009. - №1. - С. 37-41.