Введение к работе
Актуальность темы. Сульфатный метод варки древесины является одним из наиболее распространенных и крупномасштабных способов производства целлюлозы, в результате которого в виде побочного продукта ежегодно в мире образуется в составе чёрного щелока более 35 млн. т сульфатного лигнина (СЛ). На предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности лигнины используют в основном в качестве топлива, сульфатный лигнин сжигается при регенерации варочного щелока. Однако в результате технологических операций часть сульфатного лигнина в составе чёрного щелока попадает в сточные воды.
СЛ, поступающий в водные объекты со сточными водами, представляет серьезную угрозу для водных экосистем за счет роста цветности воды и уменьшения концентрации растворенного в ней кислорода. Растворенный в воде лигнин может образовывать агрегаты, способные седиментировать и образовывать донные отложения в водоемах при изменении рН среды и под действием различных электролитов. Существующие системы биологической очистки не позволяют достаточно полно выделить СЛ из сточных вод, что приводит к его поступлению в водоемы. В связи с этим крайне важным является исследование свойств разбавленных дисперсий СЛ и, в первую очередь, закономерностей их коагуляции под действием различных электролитов.
В настоящее время достигнуты большие успехи в изучении строения, свойств и применения СЛ, однако вопросы, связанные с изучением его коллоидно-химических свойств, продолжают оставаться актуальными. Данная информация важна не только для решения широкого круга вопросов химической технологии переработки древесины, но и для решения других задач целлюлозно-бумажной промышленности, например, с нахождением новых более экономичных путей его использования, а также с оптимизацией работы систем очистки лигнинсодержащих сточных вод.
Получение новой информации об агрегативной устойчивости водных дисперсий СЛ и изменении распределения частиц по размерам при его коагуляции представляет интерес как для решения прикладных задач, связанных с охраной окружающей среды, так и для фундаментальной науки, изучающей, в частности, физико-химические свойства компонентов древесины.
Цель. Целью диссертационной работы являлось исследование влияния вида и концентрации электролитов на агрегативную устойчивость и размер образующихся агрегатов в разбавленных (10мг/л) водных дисперсиях СЛ в широком диапазоне рН методом фильтрации через трековые мембраны.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
Методом фильтрации через набор трековых мембран с размерами пор от 30 до 3500 нм исследовать агрегативную устойчивость и распределение частиц по размерам разбавленных дисперсий СЛ в водных растворах при введении НС1, H2S04 в широком диапазоне рН (9.5 - 2.0).
Исследовать зависимость изменения агрегативной устойчивости и распределения частиц сульфатного лигнина по размерам при введении электролитов: NaCl, СаС12 (Ю-3, 10"2, 10"' моль/л); A12(S04)3 и А1С13 (Ю'5, Ю-4, 10"3 моль/л) в области рН 9.5-2.0 методом фильтрации через трековые мембраны с размерами пор от 50 до 2500 нм.
Научная новизна. В ходе данной работы впервые:
Изучено влияние рН, вида и концентрации электролитов (НС1, H2S04, NaOH, NaCl, СаСІг, A12(S04)3 и А1С13) на размеры образующихся агрегатов СЛ.
Получены гистограммы распределения частиц СЛ по размерам в его низкоконцентрированных растворах (10мг/л) в интервале рН (9.5-2.0) и концентраций НС1, H2S04, NaOH, NaCl, СаС12, A12(S04)3 и А1С13 (105-10"' моль/л).
Показано, что при введении электролитов (НС1, H2S04, NaCl, СаС12, A12(S04)3 и А1С13) с ростом их концентрации и понижением рН происходит увеличение размеров образующихся агрегатов СЛ, вызванное сжатием ДЭС и уменьшением электрокинетического потенциала частиц.
Практическая ценность. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации существующих и разработки новых систем выделения СЛ при очистке лигнинсодержащих сточных вод на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности, а также при прогнозировании образования донных отложений лигнинсодержащих примесей в водных объектах.
На защиту выносятся:
- результаты исследования процесса агрегации низкоконцентрированных
(10 мг/л) водных дисперсий СЛ в интервале рН (9.5-2.0) и концентраций НС1, H2S04, NaOH, NaCl, СаС12, A12(S04)3 и А1С13 (105- 10"1 моль/л), полученные методами мембраной фильтрации и спектрофотометрии;
- массовый фракционный состав дисперсий сульфатного лигнина в интервале
рН (9.5-2.0) и концентраций НС1, H2S04, NaOH, NaCl, СаС12, A12(S04)3 и А1С13
(10"5-10"1 моль/л).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VII Международном молодежном научном экологическом форуме стран балтийского региона «Экобалтика - 2008» (Санкт-Петербург, 2008) и Всероссийской конференции «Химия и полная переработка биомассы леса» (Санкт-Петербург, Репино, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 4 статьи в журналах, входящих в список ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методической и экспериментальной частей, выводов, перечня литературы, содержащего 127 источников. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 46 рисунков.
