Свойства пероксидной технической целлюлозы из пшеничной соломы

Свойства пероксидной технической целлюлозы из пшеничной соломы

Изучено влияние технологических факторов (состава варочного раствора, температуры, продолжительности) пероксидной делигнификации стеблей пшеничной соломы на выход и свойства целлюлозы. По основным показателям (выход, белизна, прочностные свойства) пероксидная соломенная целлюлоза близка к свойствам сульфатной беленой целлюлозы из древесины лиственных пород. Высокая белизна позволяет отказаться от дорогостоящей последующей отбелки.

Аннотация статьи
соломенная целлюлоза
пероксидная делигнификация
пшеничная солома
белизна целлюлозы
прочность целлюлозы
Ключевые слова

Введение

Выполненные ранее исследования продемонстрировали возможность получения технической целлюлозы окислительным пероксидным способом из пшеничной соломы, многотоннажного и ежегодно возобновляемого отхода сельскохозяйственного зернового производства [1, 2, 3].

В предлагаемом сообщении приведена более подробная информация о влиянии основных технологических факторов на результаты варки (процесса делигнификации). В качестве катализатора окисления уксусной кислоты пероксидом водорода (образования перуксусной кислоты) применяли серную кислоту. Другие катализаторы окисления не использовали из-за их высокой стоимости (вольфрамат и молибдат натрия [1]) или низкой эффективности (диоксиды титана и кремния [4]).

Методика исследования

Объектом исследования служили стебли пшеничной соломы (Triticum sh,), заготовленной в Емельяновском районе Красноярского края, Измельченное сырье в количестве 4 г подвергали изотермическому нагреванию с варочным раствором, содержащим уксусную кислоту и пероксид водорода, а также каталитические количества серной кислоты. В ходе эксперимента варьировали основные факторы, отобранные на основании предшествующих экспериментов – состав варочного раствора и режим варки. Жидкостный модуль 6 был одинаков во всех опытах. Варки проводили в термостате, без перемешивания.

Переменные факторы варки (в скобках - интервалы их варьирования):

Х1 – концентрация серной кислоты в варочном растворе (0,25...0,65 %);

Х2 – концентрация уксусной кислоты в исходном растворе (4...8 г-моль/л);

Х3 – концентрация пероксида водорода в исходном растворе (3...5 г-моль/л);

Х4 – температура варки (80...90 оС);

Х5 – продолжительность варки (240...330 мин.).

Результаты эксперимента характеризовали следующими показателями (выходными параметрами):

Y1 – выход целлюлозы (твердого остатка) из сырья, %;

Y2 – доля растворившегося лигнина, %.от его содержания в исходном сырье;

Y3 – белизна целлюлозы (твердого остатка), %;

Переменные факторы варьировали в соответствии с планом эксперимента второго порядка на кубе типа 25-1 (план Хартли-5 с полурепликой линейной части [5, с. 141]). Для математической обработки использовали пакет StatGraphics Centurion XVI. Условия и результаты приведены в табл. 1.

Зависимости каждого из выходных параметров от переменных факторов аппроксимировали уравнениями регрессии второго порядка:

Y = b0 + ƩbiXi + ƩbiiXi2 + ƩbijXiXj.

Статистически значимые (при уровне значимости 0,05) коэффициенты регрессии приведены в табл. 2. Уравнения использованы для наглядного графического представления влияния переменных факторов (в границах интервалов их варьирования) на результаты варок (рисунки 1, 2, 3).

Обсуждение результатов

Влияние переменных факторов на результаты процесса соответствуют априорной информации. С ростом величины каждого фактора уменьшается выход технической целлюлозы (рис. 1), растет доля растворившегося лигнина (рис. 2) и белизны целлюлозы (рис. 3). Наименьшее влияние на изменение всех выходных параметров оказало варьирование концентрации гомогенного катализатора – серной кислоты. Вероятно, в ходе дальнейших исследований процесса может быть принята минимальная величина этого фактора 0,25 % или меньше.

Для оценки прочностных свойств получаемой целлюлозы изготовили три образца продукта с разными выходами из сырья по режимам с номерами 1, 24 и 25 (табл. 1). Размол выполнили в аппарате ЦРА в течение 3 минут до степени помола 30 оШР, бумажные отливки 75 г/м2 изготовили на листоотливном аппарате Рапид-Кетен. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Таблица 1

Условия и результаты эксперимента

Номера

режимов

Независимые переменные (факторы варки)

Результаты опытов

Х1

Х2

Х3

Х4

Х5

Y1

Y2

Y2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

0,45

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,25

0,65

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

6

4

4

8

8

4

4

8

8

4

4

8

8

4

4

8

8

6

6

4

8

6

6

6

6

6

6

6

4

3

3

3

3

5

5

5

5

3

3

3

3

5

5

5

5

4

4

4

4

3

5

4

4

4

4

4

85

80

80

80

80

80

80

80

80

90

90

90

90

90

90

90

90

85

85

85

85

85

85

80

90

85

85

85

285

330

240

240

330

240

330

330

240

240

330

330

240

330

240

240

330

285

285

285

285

285

285

285

285

240

330

285

54,3

78,3

81,3

73,3

58,3

72,6

58,6

49,6

58,1

64,1

54,1

53,6

54,3

50,6

51,6

48,1

50,3

57,3

53,6

63,1

54,7

62,3

56,3

61,3

47,3

58,3

51,1

54,6

87,2

65,6

57,8

81,4

86,7

75,7

81,9

85,6

86,2

80,5

83,3

83,7

82,1

83,6

84,9

84,1

87,5

87,1

87,1

85,8

88,2

87,4

86,8

88,5

87,6

85,5

86,9

87,9

77

64

63

65

72

66

71

87

83

67

74

80

79

84

82

88

90

75

81

68

86

69

85

70

89

73

78

76

Таблица 2

Коэффициенты регрессии и статистические характеристики

Параметры уравнений

Величины параметров

Y1

Y2

Y3

b0

b1

b2

b3

b4

b5

b12

b13

b22

b24

b33

b34

b45

Коэффициент детерминации, R2, %

Стандартная ошибка, s{Y}

55,11

-1,52

-4,11

-4,65

-6,22

-3,18

1,02

1,19

2,64

2,34

2,64

1,68

1,94

97,9

1,671

83,45

0,567

3,689

2,655

2,661

1,478

-3,362

57,1

5,091

76,5

1,056

5,056

5,722

5,112

1,889

87,8

3,184

Рис. 1. Влияние переменных факторов (в пределах интервалов их варьирования) на выход целлюлозы

Рис. 2. Влияние переменных факторов на долю удаленного лигнина

Рис. 3. Влияние переменных факторов на белизну целлюлозы

Таблица 3

Прочностные свойства целлюлозы

Номер режима

Температура варки,

оС

Выход целлюлозы,

%

Прочность отливок

разрывная длина,

м

удлинение

до разрыва,

%

сопротивление продавливанию, кПа

сопротивление раздиранию,

мН

24

1

25

80

85

90

70,4

54,8

51,7

4750

8690

8050

2,0

2,9

2,9

136

249

231

418

314

340

Заключение

По основным показателям пероксидная целлюлоза близка к свойствам сульфатной беленой целлюлозы из древесины лиственных пород. Она может быть использована для изготовления высококачественных массовых видов бумаги, в том числе – типографской офсетной. Немаловажным обстоятельством является высокая белизна целлюлозы, позволяющая в ряде случаев отказаться от дорогостоящей последующей отбелки.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России на выполнение коллективом научной лаборатории «Глубокой переработки растительного сырья» проекта «Технология и оборудование химической переработки биомассы растительного сырья» (номер темы FEFE-2020-0016).

Текст статьи
  1. растительного сырья пероксосоединениями (Монография). Saarbrücken (Germany), LAMBERT Academic Publishing, 2013. 245 с.
  2. Пен Р.З., Каретникова Н.В., Шапиро И.Л. Катализируемая делигнификация растительного сырья пероксидом водорода и пероксикистотами (обзор) // Химия растительного сырья. 2020. № 4. С. 329-347. (DOI 10.14258/jcprm.2020048119)
  3. Pen R.Z., Shapiro I.L., Silin D.R. Delignification of plant raw materials with peroxo compounds // “Scientific research of the SCO countries: synergy and integration”, International Conference (2020, December 8). Beijing, China. 2020. Part 3. Pp. 163-168. (DOI 10.34660/INF 2020 80.57.027)
  4. Пен Р. З., Шапиро И. Л., Чендылова Л. В., Силин Д. Р. Катализаторы и промоторы окисления уксусной кислоты пероксидом водорода // Естественно-научные и технические исследования как основной фактор развития инновационной среды: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 28 января 2021 г. Белгород: ООО Агентство перспективных научных исследований (АПНИ), 2021, С. 4-8.
  5. Пен Р.З., Пен В.Р. Статистические методы математического моделирования, анализа и оптимизации технологических процессов. СПб, Лань, 2020. 308 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 24 июля по 30 июля
Осталось 4 дня до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
03 августа
Загрузка в eLibrary
03 августа
Рассылка печатных экземпляров
11 августа