Введение к работе
Актуальность проблемы. Ванилин является одним из наиболее ценных продуктов, получение которых возможно из отходов химической переработки древесины. Он широко используется не только в качестве ароматизатора в пищевой и парфюмернокосметической промышленности, но также для получения медицинских препаратов и синтеза других ценных продуктов.
В процессах получения ванилина окислением лигносульфонатов и другого лигнинсодержащего сырья важнейшей стадией является его экстракционное извлечение из рабочих растворов, содержащих около 10 г/л целевого продукта и на порядок больше различных примесей. По этой причине процесс экстракции преследует достижение двух целей: концентрирование ванилина и отделение его от примесей.
В промышленных масштабах использовали два основных способа экстракции ванилина: бензолом или толуолом из кислых водных растворов и низшими алифатическими спиртами из щелочных. Эти способы обладают своими преимуществами и недостатками. Преимущество первого подхода, применявшегося на Сяськом ЦБК, заключается в относительно высоком коэффициенте распределения ванилина (D = 6,3 для бензола). Основные недостатки первого метода связаны с выпадением осадков лигнокислот при подкислении реакционной массы, что затрудняет расслоение фаз и понижает наблюдаемый коэффициент распределения вследствие сорбции ванилина третьей фазой. Достоинства последнего способа заключаются в отсутствии осадка лигнокислот, а недостаток состоит в малых значениях коэффициентов распределения ванилата натрия, не превышающих единицы.
Несмотря на большое количество других методов экстракции ванилина из растворов продуктов окисления лигнинов, все они обладают серьезными недостатками. Это - низкая селективность или эффективность экстракции для таких простых и доступных экстрагентов, как сложные эфиры или различные углеводороды (бутилацетат, толуол, гексан), сложность или невозможность реэкстракции ванилина или регенерации экстрагентов (тетраалкил-аммоний хлорид), токсичность (бензол), растворимость экстрагентов в воде (бутанол, бутилацетат, бензол). Большие концентрации примесей в рабочем растворе затрудняют выделение и очистку ванилина из реакционной смеси. Экстрагент, сочетающий высокую селективность и эффективность экстракции, ранее подобрать не удавалось. Поэтому поиск эффективных экстрагентов для выделения ванилина из реакционной массы остается актуальной задачей.
Связь темы с планами работы Института. Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" (подпрограммы "Комплексное использование древесного сырья" и "Экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы химии и химической технологии"), а также в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИХХТ СО РАН по темам "Разработка научных основ и исследование процессов каталитического превращения твердого органического сырья в химические продукты и углеродные материалы", "Разработка теоретических основ катализа и новых поколений катализаторов и каталитических процессов" программы фундаментальных исследований СО РАН. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта No 11-03-98032 Российского фонда фундаментальных
исследований и Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности.
Цель исследования. Изучение закономерностей процессов экстракции ванилина двухкомпонентными органическими растворами, состоящими из неполярного углеводорода и эффективных экстрагентов: октиламина, трибутилфосфата (ТБФ) и алифатических спиртов Сб-Cg из водных растворов, а так же реэкстракции ванилина водными растворами гидросульфита натрия и щелочей. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
> оценка коэффициентов распределения ванилина в процессах экстракции
октиламином, трибутилфосфатом, алифатическими спиртами С6-С8;
^ исследование зависимости коэффициентов распределения ванилина от рН среды и концентрации экстрагента в системах ванилин - вода - экстрагент, оценка стехиометрии экстрагируемых комплексов;
> изучение реэкстракции ванилина растворами гидросульфита натрия;
^ исследование возможности экстракционного разделения ванилина и сиреневого альдегида.
Научная новизна. Установлены основные закономерности процессов экстракции ванилина растворами октиламина, трибутилфосфата и спиртов С6-С8.
Показано, что экстракция ванилина октиламином протекает путем взаимодействия экстрагента как с фенольной, так и с карбонильной группой ванилина с образованием основания Шиффа, что обеспечивает уникально высокие коэффициенты распределения ванилина вплоть до 600 в области рН 8-10.
Оценены константы равновесия образования гидросульфитных производных ванилина и сиреневого альдегида: Ку = 350+20, KSA = 450+20.
Оценены возможности разделения ванилина и сиреневого альдегида экстракционными методами.
Практическая значимость. Разработанные методы экстракционного извлечения ванилина при рН, близких к 8 - 9, в отличие от классических методов экстракции бензолом или толуолом, можно использовать для решения проблем, связанных с образованием осадков лигнокислот при подкислении растворов продуктов окисления лигнинов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: «Конференция молодых ученых ИХХТ СО РАН» (Красноярск, 2006, 2007, 2008, 2009); IV, VII Всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2006, 2011); X International conference on the problems of solvation and complex formation in solutions (Suzdal, 2007); Материалы III Всероссийской научной конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2007); Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Пищевые технологии, качество и безопасность продуктов питания» (Иркутск, 2007); XVIII Российская молодёжная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Екатеринбург, 2008); V Всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ» (Уфа, 2008); International solvent extraction conference - ISEC 2008 (USA, Arizona, Tucson, 2008); Международная конференции «Техническая химия: от теории к практике» (Пермь, 2008); XI Международная научно-практическая конференция «Химия - XXI век: новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2008); International Symposium on Sorption and Extraction (Vladivostok, 2008); Всероссийская научно-практическая конференция «Лесной и химический комплексы
- проблемы и решения», СибГТУ, (Красноярск, 2008, 2011, 2012); Международная конференция по химии «Основные тенденции развития химии в начале XXI века» (Санкт-Петербург, 2009); IV Международная конференция «Экстракция органических соединений» ЭОС - 2010 (Воронеж, 2010).
Публикации: По результатам исследования опубликовано 26 научных работ. Основные результаты диссертационной работы изложены в 26 научных публикациях, в том числе в 4 статьях, соответствующих Перечню ВАК. Получен 1 патент РФ.
Автор выносит на защиту:
1. Результаты исследования процессов экстракционного извлечения ванилина в
зависимости от рН среды и концентрации экстрагента растворами октиламина,
трибутилфосфата, спиртами С6-С8 в гептане.
-
Экспериментальное подтверждение образования основания Шиффа в процессе экстракции ванилина октиламином.
-
Закономерности взаимодействия ванилина и сиреневого альдегида с раствором гидросульфита натрия в экстракционной системе.
4. Результаты разделения ванилина и сиреневого альдегида экстракционными
методами.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 109 страницах, включает 19 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 134 наименования.
Похожие диссертации на Закономерности экстракции ванилина октиламином, трибутилфосфатом и алифатическими спиртами C6-C8
