К вопросу о делигнификации древесины березы в системе гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Удальцов В. А., Пазухина Г. А.

Для развития технологии щелочной варки древесины в целях получения целлюлозы предложено применять в качестве основного делигнифицирующего реагента гидроксид калия и использовать разработанную на его основе композиционную варочную систему: гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода. Цель исследования установить влияние этой системы на процесс делигнификации древесины березы , а также выявить роль гидразина в этом процессе. Особенностью делигнификации древесины в исследуемой системе является предварительная пропитка щепы водным раствором, содержащим гидроксид калия и гидразин , отбор избытка пропиточного раствора и последующая варка с введением изобутилового спирта . Переменные факторы: концентрация гидроксида калия в пропиточном растворе (80. 200 г K 2O/дм 3) и конечная температура варки (120. 140 °C). В результате была получена целлюлоза с широким диапазоном выхода (46,6. 55,2 %) при содержании лигнина 2,4. 17,6 % от массы целлюлозы. По мере понижения конечной температуры от 140 до 130 °C при равной продолжительности варки делигнификация древесины березы до одинакового количества остающегося в целлюлозе лигнина происходит со значительным увеличением концентрации гидроксида калия в используемом для пропитки растворе. Начиная с температуры 125 °C, процесс делигнификации существенно замедляется, и получить целлюлозу с содержанием лигнина менее 5,6 % от массы древесины в пределах применяемых концентраций гидроксида калия в задаваемом на пропитку растворе не удалось. Установлено, что гидразин как восстановитель наибольшую активность проявляет во время разложения на газообразные продукты: N 2, H 2 и NH 3. Чем выше температура варки, тем больше расход гидразина на химические реакции и тем более глубоко происходит процесс делигнификации древесины березы при равных продолжительности варки и концентрации гидроксида калия в растворе, используемом на пропитку. Понижение конечной температуры варки до 125 °C (и особенно до 120 °C) резко замедляет процесс делигнификации , несмотря на увеличение концентрации гидроксида калия до 200 г K 2O/дм 3, и усиливает деструкцию углеводов. Установлено, что конечная температура варки древесины березы в системе гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода лимитируется температурой разложения гидразина на газообразные продукты и может быть понижена до 130 °C без ущерба для выхода целлюлозы и скорости делигнификации .

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Удальцов В. А., Пазухина Г. А.

Текст научной работы на тему «К вопросу о делигнификации древесины березы в системе гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода»

К ВОПРОСУ О ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ В СИСТЕМЕ

ГИДРОКСИД КАЛИЯ-ГИДРАЗИН-ИЗОБУТИЛОВЫЙ СПИРТ-ВОДА © В.А. Удальцов, асп.

Г.А. Пазухина д-р техн. наук, проф.

С.-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, г. С.-Петербург, Россия, 194021; е-шаИ: vudalcv@rambler.ru; gal.pazukhina@yandex.ru

Для развития технологии щелочной варки древесины в целях получения целлюлозы предложено применять в качестве основного делигнифицирующего реагента гидрок-сид калия и использовать разработанную на его основе композиционную варочную систему: гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода. Цель исследования -установить влияние этой системы на процесс делигнификации древесины березы, а также выявить роль гидразина в этом процессе. Особенностью делигнификации древесины в исследуемой системе является предварительная пропитка щепы водным раствором, содержащим гидроксид калия и гидразин, отбор избытка пропиточного раствора и последующая варка с введением изобутилового спирта. Переменные факторы: концентрация гидроксида калия в пропиточном растворе (80 . 200 г К20/дм3) и конечная температура варки (120. 140 °С). В результате была получена целлюлоза с широким диапазоном выхода (46,6. 55,2 %) при содержании лигнина 2,4. 17,6 % от массы целлюлозы. По мере понижения конечной температуры от 140 до 130 °С при равной продолжительности варки делигнификация древесины березы до одинакового количества остающегося в целлюлозе лигнина происходит со значительным увеличением концентрации гидроксида калия в используемом для пропитки растворе. Начиная с температуры 125 °С, процесс делигнификации существенно замедляется, и получить целлюлозу с содержанием лигнина менее 5,6 % от массы древесины в пределах применяемых концентраций гидроксида калия в задаваемом на пропитку растворе не удалось. Установлено, что гидразин как восстановитель наибольшую активность проявляет во время разложения на газообразные продукты: Н2 и КН3. Чем выше температура варки, тем больше расход гидразина на химические реакции и тем более глубоко происходит процесс делигнификации древесины березы при равных продолжительности варки и концентрации гидроксида калия в растворе, используемом на пропитку. Понижение конечной температуры варки до 125 °С (и особенно до 120 °С) резко замедляет процесс делигнификации, несмотря на увеличение концентрации гидроксида калия до 200 г К20/дм3, и усиливает деструкцию углеводов. Установлено, что конечная температура варки древесины березы в системе гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода лимитируется температурой разложения гидразина на газообразные продукты и может быть понижена до 130 °С без ущерба для выхода целлюлозы и скорости делигнификации.

Ключевые слова: делигнификация, древесина, береза, гидроксид калия, гидразин, изо-бутиловый спирт, вода.

Проблема острого дефицита энергетических ресурсов в мире может быть решена за счет поиска новых источников энергии и разработки энергосберегающих технологий для производства различных видов продукции. Второй путь более перспективен, так как позволяет решать как экологические, так и экономические проблемы производства.

Одним из перспективных направлений дальнейшего развития щелочной варки целлюлозы является замена основного делигнифицирующего реагента гидроксида натрия на гидроксид калия и создание на его основе композиционных варочных систем, когда каждый вводимый в систему компонент вносит свой особый вклад в решение проблем щелочного способа варки. Имеющиеся в литературе сведения о взаимодействии гидроксида калия с древесиной достаточно скудны [2, 5, 8, 12]. Однако за последние 10 лет интерес к этому виду основания существенно повысился в связи с увеличивающимся вовлечением в производство целлюлозы отходов сельскохозяйственного производства [9-11].

Соединения калия широко востребованы во многих отраслях промышленности, но основным потребителем остается аграрное производство. Применение гидроксида калия при получении целлюлозы возможно, если содержащиеся в отработанном после выделения целлюлозы растворе соединения калия и продукты деструкции растительного сырья использовать в качестве органоминеральных удобрений. Известно [7], что лигнин и его производные, получаемые в виде отходов производства целлюлозы, повышают агрохимическую эффективность минеральных удобрений, продукты деструкции углеводов служат источником энергии для почвенной микрофлоры [1].

Особый интерес для выделения целлюлозы из древесины представляет варочная система, состоящая из гидроксида калия, гидразина, изобутилового спирта и воды [4]. Гидразин, являясь восстановителем и щелочным реагентом, ускоряет процесс делигнификации древесины и одновременно защищает углеводные компоненты от реакции отщепления («peeling»), повышая выход целлюлозы. Ограниченно смешивающийся с водой изобутиловый спирт не растворяет гидроксид калия и гидразин. После пропитки древесной щепы водным раствором, содержащим гидроксид калия и гидразин, и отбора избытка пропиточного раствора добавляемый на варку изобутиловый спирт препятствует выходу из капиллярно-пористой системы древесины делигни-фицирующих реагентов, сохраняя их высокую концентрацию в зоне реакций.

В данной работе исследовано влияние концентрации гидроксида калия в растворе, задаваемом на пропитку, и температуры варки на процесс делигни-фикации древесины березы в системе гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода.

Для исследования использовали спелую (65 лет) древесину березы повислой Betula pendula, заготовленную в Тосненском р-оне Ленинградской обл. Компонентный состав этого образца, %: целлюлоза Кюршнера-Хоффера -45,8; целлюлоза Кюршнера-Хоффера за вычетом пентозанов - 40,6; лигнин -20,9; пентозаны - 24,6; смола (экстракция ацетоном) - 2,0; вещества, растворимые в горячей воде - 1,8; зола - 0,14 (от массы абс. сух. древесины) [3]. Варке подвергали воздушно-сухую щепу длиной 20. 25 мм, шириной 20. 25 мм, толщиной 2.4 мм. Пропитку и варки проводили в стальных автоклавах вместимостью 0,4 дм3, обогреваемых в глицериновой бане. В каждый автоклав загружали 30 г воздушно-сухой щепы. Условия пропитки были определены в ранее проведенных исследованиях [6]: температура (20±2) °C,

Результаты варок древесины березы в системе гидроксид калия-гидразин-изобутиловый спирт-вода