Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ПОЛУЧЕННОЙ КОМБИНИРОВАННЫМ СПОСОБОМ ИЗ МИСКАНТУСА УРОЖАЯ 2013 ГОДА

Гисматулина Ю.А. 1
1 ФГБУН «Институт проблем химико-энергетических технологий» Сибирского отделения Российской академии наук
В настоящей работе представлен комбинированный способ получения целлюлозы из российского мискантуса урожая 2013 года. Суть данного способа заключается в обработке сырья разбавленным раствором гидроксида натрия, а затем раствором азотной кислоты. Целлюлоза, выделенная таким способом, характеризуется следующими показателями качества: зольность – 0,34 %, массовая доля кислотонерастворимого лигнина – 1,45 %, массовая доля пентозанов – 9,4 %, массовая доля α-целлюлозы – 89,4 %, степень полимеризации составила 990. Кроме того, полученная целлюлоза характеризуется высоким выходом – на уровне 42 % в пересчете на сырье или 88 % в пересчете на нативную целлюлозу. Учитывая соответствие физико-химических показателей качества целлюлозы из российского мискантуса свойствам сульфатных целлюлоз из хвойных и лиственных пород древесины можно сделать вывод о возможности применения ее в композиции с древесной целлюлозой для выработки многих видов бумаги.
мискантус сорта Сорановский
целлюлоза
комбинированный способ
зольность
пентозаны
остаточный лигнин
альфа-целлюлоза
степень полимеризации
1. Будаева В.В., Гисматулина Ю.А., Золотухин В.Н., Роговой М.С., Мельников А.В. Физико-химические свойства целлюлозы из соломы льна-межеумка // Ползуновский вестник. – 2013. – № 3. – С. 168–173.
2. Вураско А.В., Дрикер Б.Н., Мозырева Е.А., Земнухова Л.А., Галимова А.Р., Гулемина Н.Н. Ресурсосберегающая технология получения целлюлозных материалов при переработке отходов сельскохозяйственных культур // Химия растительного сырья. – 2006. – № 4. – С. 5–10.
3. Гисматулина Ю.А. Исследование химического состава мискантуса сорта Сорановский урожая 2013 года // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 1. – С. 47–50.
4. ГОСТ 28172-89. Целлюлоза сульфатная беленая из смеси лиственных пород древесины. Издание официальное. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 6 с.
5. ГОСТ 9571-89. Целлюлоза сульфатная беленая из хвойной древесины. Издание официальное. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 5 с.
6. Демин В.А. Теоретические основы отбелки целлюлозы. – СПб.: СПбГЛТУ, 2013. – 100 с.
7. Золотухин В.Н., Будаева В.В. Сравнительная характеристика целлюлоз, полученных щелочной делигнификацией из нетрадиционного сырья / Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы V Всерос. конф., Барнаул, 24–26 апреля 2012 г. / под ред. Н.Г. Базарновой, В.И. Маркина. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2012. – С. 75–77.
8. Иванов С.Н. Технология бумаги. – 2-е изд. – М.: Школа бумаги, 2006. – С. 33–35.
9. Кроткевич П.Г., Шумейко К.И., Волошина Л.А., Нестерчук Е.Н., Петрунь И.И. Морфологические особенности и химический состав Miscanthus sinensis Anderss. как сырья для целлюлозно-бумажной промышленности // Растительные ресурсы. – 1983. – Т. XIX, вып. 3. – С. 321–323.
10. Нугманов О.К., Григорьева Н.П., Лебедев Н.А. Структурный анализ травяной целлюлозы // Химия растительного сырья. – 2013. – № 1. – С. 29–37.
11. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: Учебное пособие для вузов. – М.: Экология, 1991. – 320 с.
12. Пен Р.З., Каретникова Н.В., Вшивкова И.А., Пен В.Р. Делигнификация пшеничной соломы пероксосоединениями // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6. – С. 855–858.
13. Торгашов В.И., Герт Е.В., Зубец О.В., Капуцкий Ф.Н. Сравнительное исследование условий выделения, морфологии и свойств целлюлозы из стеблей злаковых и масличных культур // Химия растительного сырья. – 2009. – № 4. – С. 45–54.
14. Iglesias G., Bao M., Lamas J., Vega A. Soda pulping of Miscanthys sinensis. Effect of operational variables on pulp yield and lignin solubilization // Bioresource Technology. – 1996. – № 58. – P. 17–23.
15. Michael B. Jones, Mary Walsh. Miscanthus: For Energy and Fibre. Published by Earthscan, 2001. – 192 p.

Легковозобновляемое растительное сырье (в основном отходы сельскохозяйственной переработки) в последнее время привлекает все большее внимание в качестве сырья для производства целлюлозы, а именно: солома и шелуха риса [2], рапсовая солома, соя, озимая рожь [13], солома льна-межеумка [1], пшеничная солома [13], травянистые растения (лен, мискантус, рапс, камыш) [10]. Энергетическое растение мискантус является за рубежом признанной сырьевой базой для производства целлюлозы [15], в бывшем Советском Союзе данная культура была исследована украинским ученым Кроткевичем П.Г. с коллегами [9].

По мнению авторов книги, посвященной выращиванию и переработке мискантуса [15], в настоящее время 2/3 мирового производства целлюлозы для бумаги осуществляется с использованием сульфатного и сульфитного методов производства целлюлозного продукта. Текущие научно-исследовательские работы по системам варки целлюлозы сфокусированы на сокращении использования загрязняющих химических соединений. Основными методами варки целлюлозы, которые уже изучены, являются химическая и термомеханическая обработки. Самыми перспективными из химических методов, которые исследуются в настоящее время, являются натронная варка целлюлозы, использование органических катализаторов (в том числе антрахинона) и обработка органическими растворителями и разбавленными водными кислотами (органосолв-процессы) [15]. В работе [14] описано, что с использованием NaOH в качестве агента делигнификации можно получить целлюлозные массы из мискантуса при умеренных температурах (80–100 °С) с выходом делигнификации около 80 % с одновременным достижением содержания лигнина Класона 7 %.

В ИПХЭТ СО РАН для получения целлюлозы из плодовых оболочек овса и биомассы российского мискантуса был применен способ с поочередной обработкой разбавленными растворами гидроксида натрия и азотной кислоты в указанной последовательности (условно названный «комбинированный способ») [7].

Целью данной работы является анализ качества целлюлозы, полученной комбинированным способом из российского мискантуса урожая 2013 года.

Материалы и методы исследования

Сырье – российский мискантус урожая 2013 года со следующим химическим составом: массовая доля (м.д.) целлюлозы по Кюршнеру 47,84 %, м.д. пентозанов 25,10 %, м.д. кислотонерастворимого лигнина 22,11 %, зольность 4,62 %, м.д. жиро-восковой фракции 2,81 %, представленным на рисунке (первый столбик). Более подробная информация о химическом составе приведена в работе [3].

Целлюлозу из мискантуса получали комбинированным способом следующим образом: обработка 2–6 %-м раствором гидроксида натрия, затем обработка в 2–6 %-м растворе азотной кислоты при кипении. После фильтрации непосредственно на воронке целлюлозу для удаления лигнина промывали дважды 1–2 %-м раствором гидроксида натрия, затем 1–2 %-м раствором азотной кислоты, затем водой. При загрузке воздушно-сухого сырья массой 200 г получали 84 г технической целлюлозы с влажностью 4 % (выход 42 %).

Сульфатная беленая целлюлоза из смеси лиственных пород древесины (марка ЛС-1) [4] и сульфатная беленая целлюлоза из хвойной древесины (марка ХБ-2) [5] (производитель – Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат) были проанализированы по методикам, приведенным ниже.

Анализ зольности, м.д. остаточного (кислотонерастворимого) лигнина, м.д. α-целлюлозы как в целлюлозе мискантуса, так и в древесных целлюлозах проводили по стандартным методикам для целлюлозы [11], м.д. пентозанов с использованием Fe-орсинового реактива по [11] и степени полимеризации (СП) вискозиметрическим методом в кадоксене [11].

Результаты исследования и их обсуждение

В химико-технологических процессах получения целлюлозы из растительного сырья лигнин и целлюлоза участвуют во множестве окислительно-восстановительных превращений, выступая как единый комплекс (техническая целлюлоза) [6]. Во время первого этапа комбинированного способа – щелочной делигнификации мискантуса – последовательно проходят процессы гидролиза лигнин-углеводной матрицы сырья с освобождением как лигнина, так и гемицеллюлоз, затем растворения лигнина и гемицеллюлоз в щелочном растворе с образованием технической целлюлозы, содержание остаточного лигнина в которой достигает 7–10 % [14]. Во время второго этапа – окислительной делигнификации технической целлюлозы обработкой азотной кислотой при кипении – происходят реакции нитрования лигнина с последующей частичной деструкцией остаточного лигнина [6]. В результате получена целлюлоза, характеристики которой приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика целлюлозы, полученной комбинированным способом из мискантуса

Показатель качества

α-целлюлоза*, %

Зольность*, %

Лигнин*, %

Пентозаны*, %

СП

Значение

89,4 ± 0,5

0,34 ± 0,05

1,45 ± 0,05

9,4 ± 0,5

990 ± 10

Примечание. * – в пересчете на а.с.с.

Химический состав полученной целлюлозы включает в себя: м.д. α-целлюлозы – 89,4 %, зольность – 0,34 %, м.д. кислотонерастворимого лигнина – 1,45 %, м.д. пентозанов – 9,4 %, СП составила 990. На рис. 1 представлен химический состав исходного сырья и готовой целлюлозы.

Из мискантуса с массовой долей целлюлозы до 50 % может быть получена техническая целлюлоза с высоким выходом 88 % (в пересчете на нативную целлюлозу).

Известно, что сульфатную беленую целлюлозу из смеси лиственных пород древесины [4] и сульфатную беленую целлюлозу из хвойной древесины [5] используют для производства различных видов бумаги и картона, применяемых для нужд народного хозяйства и для экспорта. При этом нормируются следующие основные показатели: разрывная длина, прочность на излом при многократных перегибах, белизна и сорность. Для рассмотрения возможности получения бумаги из целлюлозы, полученной комбинированным способом из мискантуса, сравним ее с вышеперечисленными целлюлозами по физико-химическим свойствам, определённым по стандартным методикам. Следует отметить, что в соответствии с действующей нормативно-технической документацией на промышленные целлюлозы [4, 5] отсутствуют показатели, приведенные в табл. 2.

pic_32.wmf

Химический состав исходного сырья и готовой целлюлозы, %

В табл. 2 приведен анализ качества целлюлозы из мискантуса, сульфатной беленой целлюлозы из смеси лиственных пород древесины [4] и сульфатной беленой целлюлозы из хвойной древесины [5].

Из табл. 2 следует, что целлюлоза, выделенная из мискантуса комбинированным способом, близка по показателям качества к сульфатным целлюлозам [4, 5] и, следовательно, может найти применение в бумажной промышленности, так как она обладает достаточно высоким выходом, высоким содержанием целлюлозы и низким содержанием нецеллюлозных компонентов. Содержание пентозанов на уровне 9,4 % не препятствует использованию данной целлюлозы в бумажной промышленности и даже наоборот улучшает бумагообразующие свойства волокон: они способствуют процессу размола волокон, облегчая диспергирование и фибрилляцию, формированию межволоконных связей в бумаге и повышению прочности листа. Однако имеется определенный оптимум в содержании гемицеллюлоз в волокне (до 10 %), выше которого бумага начинает приобретать уже нежелательные свойства: повышенную жесткость, прозрачность и ломкость, особенно при низкой относительной влажности воздуха. Такую целлюлозу можно применять в композиции с древесной целлюлозой для выработки многих видов бумаги: писчей, для печати, офсетной, рисовальной, машинописной и высокосортных картонов. Особенно пригодна соломенная целлюлоза для производства жиронепроницаемых видов бумаги [8].

Таблица 2

Анализ качества целлюлозы из мискантуса, сульфатной беленой целлюлозы из смеси лиственных пород древесины [4] и сульфатной беленой целлюлозы из хвойной древесины [5]

Вид целлюлозы

α-целлюлоза*, %

Зольность*, %

Лигнин*, %

Пентозаны*, %

СП

ЦЗ из мискантуса

89,4 ± 0,5

0,34 ± 0,05

1,45 ± 0,05

9,4 ± 0,5

990 ± 10

ЦЗ ГОСТ 9571-89 [4]

88,4 ± 0,5

0,04 ± 0,05

0,44 ± 0,05

6,0 ± 0,5

1040 ± 10

ЦЗ ГОСТ 28172-89 [5]

81,6 ± 0,5

0,18 ± 0,05

0,58 ± 0,05

20,85 ± 0,5

1270 ± 10

Примечание. * – в пересчете на а.с.с.; ЦЗ – целлюлоза.

Следующим этапом исследований целлюлозы из мискантуса планируется изучение структурно-размерных характеристик волокон и основных показателей прочности образцов отливок.

Выводы

Целлюлоза, полученная комбинированным способом из мискантуса с выходом 42 % в пересчете на сырье или 88 % в пересчете на нативную целлюлозу, характеризуется следующими показателями качества: зольность – 0,34 %, м.д. кислотонерастворимого лигнина – 1,45 %, м.д. пентозанов – 9,4 %, м.д. α-целлюлозы – 89,4 %, СП составила 990. В результате сравнения значений физико-химических свойств целлюлозы мискантуса с показателями сульфатных целлюлоз из лиственных и хвойных пород древесины показано сходство, что позволяет сделать выводы о возможности использования целлюлозы из российского мискантуса в бумажной промышленности в композиции с древесными для выработки многих видов бумаги.

Выражаю благодарность заведующей лабораторией биоконверсии, к.х.н. Будаевой В.В., и с.н.с. лаборатории биоконверсии, к.т.н. Золотухину В.Н., за помощь в организации работ и методическое руководство при обобщении полученных результатов.

Рецензенты:

Ильясов С.Г., д.х.н., заместитель директора по научной работе, ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск;

Верещагин А.Л., д.х.н., профессор, Бийский технологический институт, (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Бийск.

Работа поступила в редакцию 30.04.2014.


Библиографическая ссылка

Гисматулина Ю.А. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ПОЛУЧЕННОЙ КОМБИНИРОВАННЫМ СПОСОБОМ ИЗ МИСКАНТУСА УРОЖАЯ 2013 ГОДА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-6. – С. 1195-1198;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34312 (дата обращения: 07.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074