Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,757

БЕСХЛОРНАЯ ОТБЕЛКИ ПЕРОКСИДНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ

Пен Р.З. 1 Каретникова Н.В. 1 Вшивкова И.А. 1
1 Сибирский государственный технологический университет
1. Пен Р.З., Бывшев А.В., Полютов А.А. Делигнификация растительного сырья пероксидом водорода: экологический аспект // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2008. – Вып. 4. – С. 278–280.
2. Полютов А.А., Пен Р.З., Бывшев А.В. Технология целлюлозы: экологически чистое производство. – Красноярск: Красноярский писатель, 2012. – 294 с.
3. Способ получения волокнистого полуфабриката для изготовления бумаги / С.И. Суворова, Р.З. Пен, Е.Б. Мельников, М.О. Леонова, А.В. Бывшев, Е.Ю. Беляев // Патент РФ № 2042004, заявл. 25.12.93, опубл. 20.08.95. Бюл. № 23.
4. Непенин Н.Н., Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. В 3-х томах. Т. 3. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы получения целлюлозы. – 2-е изд., перераб. – М.: Экология, 1994. – 592 с.
5. Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics. – Красноярск: Кларетианум, 2003. – 248 с.

Основное количество целлюлозы производится в настоящее время по сульфатному методу. Несмотря на довольно совершенную технологию, потери серы в окружающую среду (в виде диоксида серы, сероводорода, метилсернистых соединений) заставляют этот способ производства считать экологически неблагополучным. В качестве альтернативного решения рассматривается делигнификация пероксокомплексами [1, 2]. В частности, согласно патенту [3], делигнификацию растительного сырья проводят в системе Н2О2–Н2О–АсОН–АсООН–Cat.

Однолетние растения во все большем масштабе вовлекаются в химическую переработку, в том числе для производства технической целлюлозы, как возобновляемое сырье с коротким периодом ротации. Эксперименты подтвердили возможность переработки пшеничной соломы по разным вариантам пероксидной делигнификации с получением волокнистых полуфабрикатов приемлемого выхода и качества [2].

Основное количество соломенной целлюлозы потребляется в беленом виде в композиции с древесной целлюлозой для производства писчей и печатной бумаги средних и высших сортов. Отбеливается соломенная целлюлоза значительно легче, чем хвойная сульфатная. Высокая степень белизны может быть достигнута двухступенчатой гипохлоритной отбелкой, но при этом отмечается значительное ухудшение прочностных свойств [4].

Эксперименты показали, что пероксидная (перуксусная) целлюлоза может быть эффективно отбелена пероксидом водорода в щелочной среде в одну ступень при значительно более «мягких» условиях (при более низкой температуре), чем сульфитная и сульфатная древесная целлюлоза.

Солому пшеницы Triticum sp., заготовленную по окончании вегетационного периода, делигнифицировали при температуре 98 °С смесью ледяной уксусной кислоты и пергидроля в соотношении соответственно 65:35 (по объему) с добавлением каталитических количеств вольфрамата натрия. Результаты варки: выход целлюлозы из сырья 55,7 %; непровар отсутствовал; массовая доля лигнина в целлюлозе 4,37 %; белизна 76,9 %.

Отбелку целлюлозы проводили в одну ступень пероксидом водорода при рН 10,5 и концентрациях волокнистой массы 10 %, гидроксида натрия 0,50 %, силиката натрия 4,0 %. В качестве переменных условий отбелки выбрали наиболее значимые факторы на основании априорной информации и результатов предварительных опытов: температуру отбелки Х1 (интервал варьирования 40…50 °С), начальную концентрацию пероксида водорода Х2 (0,5…1,5 %) и продолжительность процесса Х3 (30…90 мин). Переменные факторы варьировали в соответствии с планом эксперимента Бокса второго порядка (14 режимов) [5]. Результаты отбелки характеризовали двумя выходными параметрами: белизной по ГОСТ 30113 (Y1, %) и химическими потерями (Y2, %) целлюлозы; их зависимости от переменных факторов отбелки аппроксимировали уравнениями регрессии второго порядка.

Увеличение каждого из включенных в исследование факторов сопровождается снижением выхода беленой целлюлозы из-за удаления, главным образом, остаточного лигнина, а также небольшой части углеводов. Между белизной и химическими потерями целлюлозы установлена вполне объяснимая отрицательная корреляционная связь. С ужесточением условий отбелки увеличивается положительный эффект – повышение белизны, но одновременно растет и отрицательный эффект – потери целлюлозы вследствие химической деструкции. Следовательно, задача оптимизации процесса является компромиссной и сводится к отысканию в пределах изученного факторного пространства таких условий отбелки, при которых может быть достигнута требуемая белизна при минимальных потерях целлюлозы. В терминах теории оптимизации эта задача квадратичного программирования формулируется следующим образом:

pen01.wmf (целевая функция);

pen02.wmf (ограничение другого выходного параметра);

40 ≤ Х1 ≤ 50 °С; 0,5 ≤ Х2 ≤ 1,5 %; 30 ≤ Х3 ≤ 90 мин (ограничение области поиска в пространстве факторов).

Ограничение белизны величиной 89 % продиктовано требованием ГОСТ 28172 «Целлюлоза сульфатная беленая из смеси лиственных пород древесины», марка ЛС-0 (высший и первый сорта). Целлюлоза из пшеничной соломы по размерам волокон и прочностным свойствам близка к целлюлозе из мягколиственных пород древесины (березы, осины) и может применяться для тех же целей, что и лиственная целлюлоза.

Решение задачи:

Х1 = 40 °С; Х2 = 1 %; Х3 = 63 мин;

pen03.wmf; pen04.wmf.

Выводы

1. Небеленая пероксидная целлюлоза из пшеничной соломы по степени белизны соответствует древесной полубеленой сульфитной целлюлозе, превосходит сульфатную полубеленую целлюлозу и может найти применение в производстве некоторых видов бумаги и картона.

2. Возможна отбелка пероксидной соломенной целлюлозы до высокой белизны пероксидом водорода в одну или две ступени по обычной технологии.


Библиографическая ссылка

Пен Р.З., Каретникова Н.В., Вшивкова И.А. БЕСХЛОРНАЯ ОТБЕЛКИ ПЕРОКСИДНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 11-3. – С. 425-426;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=8447 (дата обращения: 20.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074