Введение к работе
Актуальность темы. Современная целлюлозно-бумажная промышленность широко использует природные ресурсы. К ним относятся: условно возобновляемое растительное сырьё, главным образом древесина; водные ресурсы -пресная вода; атмосфера - воздух и содержащийся в нём кислород; относительно возобновляемая почва - целлюлозные заводы располагаются на значительных территориях; не возобновляемые минеральные ресурсы - в сульфатном производстве Na2S04 и СаС03.
Рост народонаселения в мире приводит к расширению экстенсивного аграрного производства за счёт площадей, занятых лесами, и одновременно способствует развитию производства целлюлозы и бумаги для культуры и образования, что сопровождается возрастающим потреблением природных ресурсов, усилению антропогенного воздействия на многие природные системы и может привести к их разрушению. В связи с этим комплексное и рациональное использование природных ресурсов приобретает всё более и более важное значение для сохранения биосферы.
Применяемый на практике более 100 лет сульфатный способ производства целлюлозы в результате многочисленных усовершенствований достиг определённого совершенства и к настоящему времени практически исчерпал свои возможности. Однако щелочная варка древесины может получить дальнейшее развитие при переходе на другой вид основания - гидроксид калия.
Основным потребителем соединений калия является аграрное производство. Применение КОН для полуяения целлюлозы имеет перспективу, если отработанные растворы возвращать аграрному производству. Из литературы известно, что лигнин в виде отходов от производства целлюлозы повышает агрохимическую эффективность минеральных удобрений. Следовательно, калий может быть использован последовательно в трёх технологиях: производство целлюлозы -производство органоминеральных продуктов - аграрное производство. Особый интерес представляет применение гидроксида калия в системе ограниченно смешивающихся между собой жидкостей - изобутиловый спирт-вода. Ранее выполненными исследованиями было показано, что система изобутанол-вода благоприятно сказывается на делигнификации древесины гидроксидом натрия.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является определение условий делигнификации древесины сосны гидроксидом калия в системе изобутанол-вода, характеристика выделенных волокон целлюлозы и разработка принципиальной технологической схемы получения целлюлозы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
научно и экспериментально обосновать режим пропитки древесины сосны раствором гидроксида калия и последующей варки;
провести сравнительные исследования ступенчатой калийной и натронной варки древесины сосны в водной среде, в том числе в присутствии антра-хинона, и в системе изобутанол-вода;
исследовать влияние антрахинона и гидразина на делигнификацию древесины сосны ступенчатой калийной варкой в системе изобутанол-вода;
изучить влияние технологических факторов делигнификации древесины сосны гидроксидом калия в системе изобутанол-вода;
исследовать физико-химический механизм делигнификации и установить структурные и компонентные изменения древесины сосны в процессе калийной варки в системе изобутанол-вода;
охарактеризовать волокна целлюлозы, выделенные из древесины сосны калийной варкой в системе изобутанол-вода;
разработать и обосновать принципиальную технологическую схему получения целлюлозы калийной варкой древесины сосны в системе изобутанол-вода.
Научная новизна. Впервые изучен процесс делигнификации древесины гидроксидом калия в системе изобутанол-вода. Установлено, что КОН в одинаковых условиях варки удаляет равное количество лигнина, но обеспечивает более высокий выход целлюлозы по сравнению с NaOH. Это преимущество сохраняется при использовании на варку антрахинона и гидразина. Выявлено, что основным достоинством гидразина по сравнению с антрахиноном является растворимость его в воде и щелочных растворах и отсутствие растворимости в изобутаноле. Определены закономерности растворения отдельных компонентов и древесины в целом в процессе варки. Экспериментально установлен низкий расход КОН на химические реакции при пропитке и калийно-гидразинной варке древесины сосны в системе изобутанол-вода. Теоретически обоснован и экспериментально подтверждён механизм раннего разрушения структуры древесины в процессе калийной варки газообразными продуктами разложения гидразина. Показано, что разрушение древесины происходит по годичным слоям с последующим разделением на отдельные пучки трахеид поздней и ранней древесины и далее на отдельные трахеиды без повреждения их внешней поверхности. Обнаружено, что трахеиды поздней и ранней древесины различаются по внешнему виду и форме. Выявлено, что в процессе делигнификации в системе гидроксид калия-гидразин-изобутанол-вода изменяется фракционный состав, геометрические размеры и форма волокон целлюлозы.
Практическая значимость. Разработан способ калийно-гидразинной варки древесины в системе изобутанол-вода с получением целлюлозы с широким набором выходов и разной степенью делигнификации и органоминерального продукта. Определены условия пропитки и варки древесины сосны. Охарактеризованы волокна получаемой целлюлозы. Разработана принципиальная технологическая схема получения целлюлозы с максимально замкнутым циклом по использованию изобутанола и воды.
Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном практическом семинаре "Научно-технические решения актуальных проблем на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности (Р. Беларусь, Минск, 2008 г.); IV Всесоюзной конференции "Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья" (Барнаул, 2009 г.); 2-ой Международной научно-практической конференции "Леса России в XXI веке" (Интернет-конференция, 2009 г.); Всесоюзная конференция "Химия и полная переработка биомассы леса" (п. Репино, Ленинградская обл., 2010 г.); на научно-технических конферен-
циях по результатам НИР Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии 2008-2011 гг. Получен диплом победителя конкурса для аспирантов и молодых учёных г. Санкт-Петербурга (2009 г.) и грант правительства г. Санкт-Петербурга (№3.6/24-04/002).
Публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической и экспериментальной частей, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 17 таблиц и библиографию из 209 наименований.
Автор выносит на защиту:
условия делигнификации древесины сосны КОН в системе изобутанол-вода;
результаты исследований по воздействию антрахинона и гидразина на де-лигнификацию древесины сосны КОН в системе изобутанол-вода;
закономерности растворения лигнина и углеводов древесины сосны в условиях варки в системе гидразин-изобутанол-вода;
механизм раннего разрушения структуры древесины сосны при делигнификации в системе КОН-гидразин-изобутанол-вода;
характеристику волокон целлюлозы, полученных калийной варкой древесины сосны в системе гидразин-изобутанол-вода;
принципиальную технологическую схему получения целлюлозы и органоми-нерального продукта калийной варкой древесины в системе гидразин-изобутанол-вода с максимально замкнутым циклом по использованию изобутанола и воды.
