Введение к работе
Актуальность проблемы.
Проблема устойчивости дисперсных систем до сих пор является одной из центральных в коллоидной химии. Несмотря на огромное число работ в этой области, обсуждающих природу агрегативной устойчивости (теория ДЛФО и ее дальнейшее развитие) и закономерностей, связанных с ее потерей – коагуляцией (кинетика быстрой, медленной и обратимой коагуляции), многие вопросы остаются еще недостаточно исследованными.
Помимо общенаучного (фундаментального) значения решение этих вопросов имеет большое прикладное значение. Так, исследование агрегативной и седиментационной устойчивости водных дисперсий сульфатного лигнина, образующегося при сульфатном способе варки древесины, является важным для решения широкого круга вопросов химической технологии переработки древесины, а также охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
В настоящее время этот способ варки древесины является наиболее распространенным и водоемким. В результате делигнификации древесины получают два продукта: сульфатную целлюлозу и черный щелок. Теоретически этот способ должен быть практически безотходным, так как черные щелока перерабатываются и при их регенерации получают химические компоненты, которые используются вновь в варочных процессах в основной технологии. Однако, как показывает практика, не весь объем черных щелоков извлекается и направляется на регенерацию. В результате обслуживания технологического оборудования и переливов образуются сточные воды, основным загрязняющим компонентом которых является сульфатный лигнин.
Большой объем загрязнений, сбрасываемых в водные объекты целлюлозно-бумажными предприятиями, связан с низкой эффективностью, а нередко и отсутствием локальных систем очистки, основное назначение которых – максимальное замыкание водооборота в конкретном технологическом процессе, очистка от специфических загрязнений.
Как было отмечено выше, специфическим загрязнением сточных вод сульфатного производства целлюлозы является сульфатный лигнин, который наиболее целесообразно удалять на стадии образования и выделения щелокосодержащего потока сточных вод до системы централизованной биологической очистки, так как существующие методы биологической очистки практически его не удаляют. В связи с этим требуется применение и детальная разработка физико-химических, и в частности, коагуляционных методов. Поэтому для проектирования и обоснования систем локальной очистки и доочистки сточных вод от этого специфического компонента необходимо иметь информацию о коллоидно-химических свойствах водных растворов сульфатного лигнина. Выбор и обоснование методов физико-химической очистки, нахождение оптимальных условий удаления лигносодержащих компонентов представляет важную для практики задачу.
Кроме того, в целлюлозно-бумажной промышленности для получения полезных продуктов используется только 50 – 60 % древесного сырья, в основном его полисахаридные компоненты, остальная часть, главным образом технические лигнины (щелочные лигнины, гидролизный лигнин, лигносульфонаты и др.), используется, в основном, в качестве топлива: 99,9% сульфатного лигнина сжигается при регенерации варочного щелока, также сжигается 35% гидролизного лигнина при общем коэффициенте полезного использования менее 40%. Одним из путей увеличения коэффициента полезного использования древесины в целлюлозно-бумажной промышленности является расширение производства полезных продуктов на основе технических лигнинов и прежде всего щелочного сульфатного лигнина. Целенаправленное решение этой задачи требует детального изучения физико-химических свойств лигнинов.
Таким образом, получение новой информации об агрегативной устойчивости водных дисперсий сульфатного лигнина, который в зависимости от рН водной среды может обладать как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами представляет интерес, как для фундаментальной науки – коллоидной химии, так и для решения прикладных задач, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов.
Цель и задачи исследования.
Целью работы являлось исследование агрегативной и седиментационной устойчивости разбавленных (10 мг/л) водных дисперсий сульфатного лигнина при различных значениях рН.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать агрегативную и седиментационную устойчивость водных дисперсий сульфатного лигнина в широком диапазоне рН (12.0 – 2.3) при концентрации сульфатного лигнина 10 мг/л методами поточной ультрамикроскопии и спектрофотометрии.
2. Исследовать зависимость размеров частиц водных дисперсий сульфатного лигнина от рН (9.4 – 2.1) при концентрации сульфатного лигнина 10 мг/л методом фильтрации на трековых мембранах.
Научная новизна.
В ходе данной работы впервые:
– Для исследования данной системы были применены методы поточной ультрамикроскопии и мембранной фильтрации
– Показано, что низкоконцентрированная (10 мг/л) дисперсия сульфатного лигнина во всем исследованном диапазоне рН (12.0 – 2.1) является полидисперсной системой.
– Показано, что процесс агрегации частиц сульфатного лигнина «начинается» уже при рН 11.0 и интенсивно протекает при рН 4.5, в то время как по данным, полученным методом спектрофотометрии, обнаружить это ранее не представлялось возможным.
– Метод фильтрации исследуемых дисперсий через трековые мембраны позволил определить их массовый фракционный состав (% масс.) для следующих интервалов размеров частиц: <30 нм, 30 – 50 нм, 50 – 70 нм, 70 – 100 нм, 100 – 200 нм и >200 нм. Показано, что в области рН 9.4 – 5.7 преобладающая масса частиц имеет размер 30 – 50 нм, максимальное содержание частиц размером 100 – 200 нм находится в области рН 4.6 – 3.8. При рН 2.1 95 % частиц имеют размер >200 нм.
Практическая ценность.
Полученные данные могут представлять значительный интерес для практики, так как позволяют оптимизировать существующий процесс выделения сульфатного лигнина из щелокосодержащих потоков и разрабатывать системы локальной очистки этих стоков.
На защиту выносятся:
– результаты исследования процесса агрегации низкоконцентрированных (10 мг/л) водных дисперсий сульфатного лигнина в широком интервале рН (12.0 – 2.3), полученные методами поточной ультрамикроскопии и спектрофотометрии;
– массовый фракционный состав дисперсий сульфатного лигнина в интервале рН 9.4 – 2.1, определенный методом мембранной фильтрации.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции «Физико-химия лигнина» (Архангельск, 2005) и на всероссийском семинаре заведующих кафедрами экологии и охраны окружающей среды (Пермь, 2006). Основные результаты работы опубликованы в виде 2 статей и 3 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, включает 30 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы – 120 наименований.
Похожие диссертации на Исследование агрегативной и седиментационной устойчивости дисперсий сульфатного лигнина в водных растворах электролитов
