Каталитическая делигнификация целлюлозного полуфабриката молекулярным кислородом в присутствии полиоксометаллатов

УДК

DOI:

Аннотация

Исследована каталитическая делигнификация лиственного и хвойного целлюлозного волокна, которую осуществляли в две стадии. На первой стадии проводили каталитическую окислительную делигнификацию целлюлозного полуфабриката молекулярным кислородом в присутствии полиоксометаллатов (ванадомолибдофосфата натрия, марганецсодержащего ванадомолибдофосфата натрия), на второй стадии, с целью повышения эффективности процесса и удаления окисленного лигнина с поверхности целлюлозного волокна, – щелочную обработку. Изучено влияние природы и концентрации катализатора, температуры и рН среды на изменение таких параметров, как число Каппа, белизна, вязкость и степень полимеризации.

Сведения об авторах

© Т.В. Торцева, канд. хим. наук, доц.
Н.Р. Попова, канд. хим. наук, проф.
К.Г. Боголицын, д-р хим. наук, проф.

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, 17,
наб. Северной Двины, г. Архангельск, Россия, 163002
Е-mail tph.agtu@mail.ru

Ключевые слова

Литература

1. Боголицын К.Г. Физическая химия лигнина / Под ред. К.Г. Боголицына и В.В. Лунина. М.: Академкнига, 2010. 492 с.

2. ГОСТ 10070–74. Целлюлоза и полуцеллюлоза. Метод определения степени делигнификации. М.: Изд-во стандартов, 1980. 16 с.

3. ГОСТ 25438–82. Целлюлоза для химической переработки. Методы опреде-ления характеристической вязкости. М.:Изд-во стандартов, 1982. 22 с.

4. ГОСТ 30437–96. Целлюлоза. Метод определения белизны. М.: Изд-во стан-дартов, 2001. 10 с.

5. Гравитис Я.А., Озоль-Калнин В.Г., Эриньш П.П. Микрогетерогенность лиг-ноуглеводной матрицы древесины и ее влияние на кинетику химических реакций // Субмикроскопическое строение древесины и его роль в процессах делигнификации: тез. докл. всесоюз. семинара. Рига, 1979. С. 34–38.

6. Поварницына Т.В., Попова Н.Р., Боголицын К.Г., Белоглазова А.Л., Пряхин А.Н., Лунин В.В. Каталитическое окисление феруловой кислоты с использованием в качестве катализаторов полиоксометаллатов // Журн. физ. химии. 2010. № 12. С. 2245–2249.

7. Торцева Т.В., Попова Н.Р., Боголицын К.Г., Малков А.В. Каталитическое окисление диоксанлигнина и технического сульфатного лигнина растворенным моле-кулярным кислородом // Лесн. журн. 2012. № 3. С.115—121. (Изв. высш. учеб. заведе-ний).

8. Evtuguin D.V., Pascoal Neto C., Rocha J., Pedrosa J.D.de Jesus Oxidative delignification in the presence of molybdovanadophoshate heteropolyanions: mechanism and kinetic studies // Applied Catalysis A: General. 1998. 167. P. 123–139.

9. Weinstock I.A., Atalla R.H., Reiner R.S., Moen M.A., Hammel K.E., Houtman C.J., Hill C.G. A new environmentally benign technology and approach to bleaching kraft pulp. Polyoxometalates for selective delignification and waste mineralization // New J. Chem. 1996. 20. P. 269–275.

Ссылка на английскую версию:

Catalytic Delignification of Cellulose Half-Stuff by Molecular Oxygen Using
Polyoxometalates as a Catalysts

T.V.Tortseva, Candidate of Chemistry, Associate Professor
N.R.Popova, Candidate of Chemistry, Professor
K.G.Bogolitsy, Doctor of Chemistry, Professor

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russia
Е-mail: tph.agtu@mail.ru

The two stages catalytic delignification of hardwood and softwood cellulose fiber were researched. The first step was catalytic oxidative delignification of cellulose half-stuff by molecular oxygen with polyoxometalates (molybdovanadophosphate polyoxoanion and Mn-assisted molybdovanadophosphate polyoxoanion). On the second step alkali treatment was carried out to improve of process efficiency and removal of lignin from the oxidized cellulose fiber surface. Influence of the nature and concentration of catalyst, temperature and pH on parameters such as the Kappa number, the whiteness, the viscosity and the degree of polymerization was studied.

It was found out that the delignification of cellulosic fibers is intensified with the polyoxometalates HPA −5 and HPA −5-Mn. The HPA −5-Mn catalyst is more selective then HPA −5. The most changing of the Kappa number is observed at the concentration of cata-lyst 2.0 mmol / l, that is 20% of the weight of absolutely dry pulp. Further increasing the concentration doesn’t have significantly influence on the process. pH ranging from 2 to 4 has little effect on the catalytic delignification process as hardwood and softwood pulps. The effectiveness of the process may be significantly increased by the raising temperature and introduction of additional alkali extraction stage.

Keywords: catalytic delignification, cellulose, catalytic oxidation, oxygen, polyoxomet-alates.

REFERENCES

1. Bogolitsyn K.G. Fizicheskaya khimiya lignina [Physical Chemistry of Lignin]. Moscow, 2010. 492p.

2. GOST 10070-74. Tsellyuloza i polutsellyuloza. Metod opredeleniya stepeni delig-nifikatsii [State Standard 10070–74. Cellulose and Semichemical Pulp: Method of Determi-nation of Delignification Degree]. Moscow, 1980. 16 p.

3. GOST 25438-82. Tsellyuloza dlya khimicheskoy pererabotki. Metody opredeleniya kharakteristicheskoy vyazkosti [State Standard 25438-82. Cellulose for Chemical Pro-cessing. Methods of Determination of Characteristic Viscosity]. Moscow, 1982. 22 p.

4. GOST 30437-96. Tsellyuloza. Metod opredeleniya belizny [State Standard 30437–96. Cellulose: Method of Whiteness Determination]. Moscow, 2001.10 p.

5. Gravitis Ya.A., Ozol’-Kalnin V.G., Erin’sh P.P. Mikrogeterogennost’ lignoug-levodnoy matritsy drevesiny i ee vliyanie na kinetiku khimicheskikh reaktsiy [Microhetero-geneity Lignocarbohydrate Matrix of Wood and its Effect on the Kinetics of Chemical Re-actions]. Submikroskopicheskoe stroenie drevesiny i ego rol’ v protsessakh delignifikatsii: tez.dokl. vsesoyuz. Seminara [Sub-microscopic structure of wood and its role in the deligni-fication: Proc. Seminar]. Riga, 1979. pp.34—38.

6. Povarnitsyna T.V., Popova N.R., Bogolitsyn K.G., Beloglazova A.L., Pryakhin A.N., Lunin V.V. Kataliticheskoe okislenie ferulovoy kisloty s ispol’zovaniem v kachestve katalizatorov polioksometallatov [Catalytic Oxidation of the Ferulic Acid with the Use of Polyoxometalates as Catalysts]. Zhurnal fizicheskoy khimii, 2010, no. 12, pp. 2245–2249.

7. Tortseva T.V., Popova N.R., Bogolitsyn K.G., Malkov A.V. Kataliticheskoe okislenie dioksanlignina i tekhnicheskogo sul’fatnogo lignina rastvorennym molekulyarnym kislorodom [Catalytic Oxidation of Dioxanlignin and Technical Sulfate Lignin by the Dis-solved Molecular Oxygen]. Lesnoy zhurnal, 2012, no. 3, pp. 115–121.

8. Evtuguin D.V., Pascoal Neto C., Rocha J., Pedrosa J.D. de Jesus Oxidative delig-nification in the presence of molybdovanadophoshate heteropolyanions: mechanism and kinetic studies. Applied Catalysis A: General. 1998, pp.123—139.

9. Weinstock I.A. Atalla R.H., Reiner R.S., Moen M.A., Hammel K.E., Houtman C.J., Hill C.G. A new environmentally benign technology and approach to bleaching kraft pulp. Polyoxometalates for selective delignification and waste mineralization. New J. Chem. 1996, pp. 269–275.