Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс последних десятилетий сталкивается с проблемой истощения природных ресурсов. Один из путей её решения связан с созданием безотходных технологий переработки возобновляемого сырья и получении из него новых видов продуктов. Значительным источником восполняемого природного сырья является биомасса растений, в частности, древесина. При переработке древесины образуется более 11 % отходов, поэтому актуален поиск новых методов химической переработки отходов древесины и другого растительного сырья. Процессы химической переработки древесины являются источником ряда токсичных отходов, поэтому на вновь разрабатываемые технологии накладываются серьезные ограничения с точки зрения охраны окружающей среды. Использование безопасных окислителей и систем вторичной переработки отходов производства является также актуальной задачей.
Среди делигнифицирующих реагентов экологически наиболее безопасными являются производные кислорода, такие, как пероксид водорода, пероксикислоты и озон. Эти соединения находят применение на разных стадиях производства целлюлозы и являются компонентами свободной от элементного хлора и полностью бесхлорной технологии производства целлюлозы. Озон используется в Европе и США для отбелки бумажной массы, удаления остаточного лигнина из бумажной пульпы с содержанием лигнина до 10 %.
Исследование возможностей использования озона в процессах конверсии растительной биомассы для получения низкомолекулярных органических соединений, а также полимерных материалов, содержащих целлюлозу, представляет интерес для различных сфер производства и потребления. Изучение воздействия озона на древесину для получения целлюлозы особенно интересно, так как полученные при озонировании материалы могут соответствовать требованиям по чистоте, предъявляемым в медицине и фармакологии.
Цели и задачи работы. Диссертация соответствует специальности 05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 1 – химия и физико-химия основных компонентов биомассы дерева и некоторых видов растительного сырья).
Основная цель исследования: изучение закономерностей превращений древесины при озонировании.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
– изучить процесс озонирования древесины в зависимости от содержания воды в образце;
– установить связь между содержанием воды в озонируемой древесине, степенью превращения озона, степенью превращения лигнина, выходом и свойствами целлюлозы из озонированной древесины;
– охарактеризовать основные направления превращений лигнина лиственной и хвойной древесины под воздействием озона с использованием методов УФ– и ИК–спектроскопии;
– установить связь между количеством поглощенного озона и содержанием остаточного лигнина в озонированной древесине;
– изучить свойства целлюлозы из озонированной древесины с применением ИК–спектроскопии, вискозиметрии и метода турбидиметрического титрования;
– установить связь между количеством поглощенного озона и выходом целлюлозы из озонированной древесины.
Научная новизна. Автором впервые получены следующие научные результаты:
- показана возможность проведения делигнификации лиственной и хвойной древесины при озонировании до степеней превращения лигнина 93 и 80 %, соответственно. В работе были получены целлюлозосодержащие продукты без использования варочных процессов делигнификации;
-установлены закономерности влияния содержания воды на процесс делигнификации древесины при озонировании, на основе которых было составлено описание протекающих в проточном реакторе физико-химических процессов;
-найдены условия озонирования древесины осины, соответствующие максимальной степени превращения озона, позволяющие использовать этот реагент эффективно;
-установлены основные направления превращений лигнина при озонировании древесины осины и сосны. Непосредственно в древесине лигнин окисляется озоном, проходя стадии образования ароматических карбонил- и карбоксилсодержащих соединений, производных муконовой кислоты и низкомолекулярных карбоновых кислот;
-определены средневязкостная степень полимеризации и молекулярно-массовое распределение целлюлозы, выделенной из озонированной древесины. Установлена взаимосвязь между степенью превращения озона в процессе озонирования древесины и выходом и степенью полимеризации целлюлозы, выделенной из озонированной древесины.
Практическая значимость
Разработан способ получения целлюлозосодержащего материала с содержанием остаточного лигнина 1,7 % и содержанием целлюлозы 46 % относительно а. с. д., отличительной чертой которого является проведение процесса при непосредственном озонировании древесины осины при температуре окружающей среды и атмосферном давлении, а также в отсутствие экологически неблагоприятных соединений.
Целлюлозосодержащий продукт, полученный озонированием древесины осины, может быть использован для получения целлюлозы. Использование методики, предложенной в работе, и варьирование условий озонирования древесины позволяет регулировать выход целлюлозы из озонированной древесины и степень полимеризации.
Материал, полученный озонированием древесины, и его химические модификации могут служить основой для получения адсорбентов.
Результаты изучения озонирования древесины нашли применение при проведении предобработки растительного сырья с целью последующего ферментативного гидролиза углеводов в моносахариды.
Положения, выносимые на защиту
Влияние содержания воды на количество поглощенного озона, степень делигнификации древесины и роль воды в процессе окисления древесины озоном.
Основные направления превращений лигнина при озонировании лиственной и хвойной древесины.
Изменение характеристик целлюлозы (средняя степень полимеризации, молекулярно массовое распределение) из озонированной древесины в зависимости от количества поглощенного озона.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на Международных конференциях: «Физикохимия лигнина» (Архангельск, 2005, 2007, 2009), «Зеленая Химия» (Москва – Санкт-Петербург, 2008), «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine» (Санкт-Петербург, 2011) и на Всероссийских конференциях и семинарах: «Озон и другие экологически безопасные окислители. Наука и технологии» (Москва, 2007), «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2007, 2009), Химия и полная переработка биомассы леса» (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, из которых 4 статьи в рекомендованных ВАК РФ изданиях и 1 патент РФ.
Работа поддержана федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего образования России на 2002 – 2006 годы» в рамках государственного контракта № 30036.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, заключения, выводов, списка цитируемой литературы (116 источников) и изложена на 108 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц и 65 рисунков.
