Деэмульгирование сульфатного мыла при введении неиногенного поверхностно-активного вещества

УДК

676.2

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.6.224

Аннотация

Инновационным решением для целлюлозно-бумажной промышленности в условиях динамично развивающегося рынка лесопромышленной продукции является биорефайнинг, основанный на комплексной и глубокой переработке древесного сырья с получением продуктов, имеющих высокую добавленную стоимость, и минимизацией отходов. Выделение из отработанных щелоков органических веществ, представляющих вторичные продукты производства в технологии переработки древесины, – актуальная задача биорефайнинга. Существующая технология выделения побочного продукта (сульфатного мыла) из отработанных щелоков технологически сложна и энергоемка. Все это делает процесс получения сульфатного мыла для предприятий целлюлозно-бумажной промышленности малопривлекательным, несмотря на то, что оно является сырьем для изготовления широкого ассортимента продуктов с высокой добавленной стоимостью (биологически активные вещества, талловое масло, канифоль и др.). Представлены коллоидно-химические характеристики сульфатного мыла, выделенного из черных щелоков от варки различных пород древесины. Предложен способ его извлечения, основанный на агрегации частиц мыла за счет введения деэмульгатора. Установлено, что при добавлении неионогенного поверхностно-активного вещества (неонола АФ 9-6) в раствор сульфатного мыла существенно снижается молекулярно-растворенная часть мыла, при этом дисперсная составляющая представленной системы возрастает до 98 %. В результате наблюдается ухудшение агрегативной и седиментационной устойчивости и, как следствие, укрупнение частиц мыла. Методом динамического светорассеяния зафиксировано увеличение в 4 раза размеров частиц мыла при введении деэмульгатора. Это позволит повысить скорость седиментации сульфатного мыла в черном щелоке в десятки раз и ускорить процесс его отстаивания. Предложенный способ может стать основой наукоемкой технологии извлечения побочного продукта из производственных растворов предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.

Сведения об авторах

О.С. Андранович¹, асп.; ResearcherID: P-5570-2019, ORCID: 0000-0002-7947-7068
Е.Ю. Демьянцева¹, канд. хим. наук; Researcher ID: P-5165-2019, ORCID: 0000-0001-9570-1827
А.П. Филиппов^1,2, д-р физ.-мат. наук; ResearcherID: A-9157-2013, ORCID: 0000-0002-8729-6275
Р.А. Смит¹, асп.; Researcher ID: O-2661-2019, ORCID: 0000-0002-9665-4636
¹Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, ул. Ивана Черных, д. 4, Санкт-Петербург, Россия, 198095; e-mail:
ilonichka3377@mail.ru, demyantseva@mail.ru, zz1234567@yandex.ru
²Институт высокомолекулярных соединений РАН, Большой просп. В.О., д. 31, СанктПетербург, Россия, 199004; e-mail: afil@imc.macro.ru

Ключевые слова

сульфатное мыло, черный щелок, деэмульгаторы, агрегация, мицеллообразование

Для цитирования

Андранович О.С., Демьянцева Е.Ю., Филиппов А.П., Смит Р.А. Деэмульгирование сульфатного мыла при введении неиногенного поверхностноактивного вещества // Лесн. журн. 2019. № 6. С. 224–232. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.6.224

Литература

1. Аким Э.Л. Целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП) в мире и в России // Леса России: политика, промышленность, наука, образование: материалы второй междунар. науч.-техн. конф. Т. 3. СПб.: СПбГЛТУ, 2017. С. 198–202. [Akim E.L. Pulp and Paper Industry in the world and in Russia. Proceedings of the Second International Scientific and Technical Conference “Forests of Russia: Politics, Industry, Science, and Education”. Saint Petersbutg, SPbGLTU, Publ. 2017, pp. 198–202].
2. Андранович О.С., Демьянцева Е.Ю., Смит Р.А., Харламова А.Н. Влияние поверхностно-активных добавок на коллоидно-химические свойства сульфатного мыла // Вестн. молодых ученых С.-Петерб. гос. ун-та технологии и дизайна. 2017. № 1. С. 60–63. [Andranovich O.S., Demiantseva E.Yu., Smit R.A., Kharlamova A.N. The Effect of Surface-Active Additives on the Colloid-Chemical Properties of Sulphate Soap. Vestnik molodykh uchenykh Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta tekhnologii i dizayna, 2017, no. 1, pp. 60–63]. Режим доступа: http://publish.sutd.ru/docs/content/ vestnik_mu1_2017.pdf.
3. Богомолов Б.Д., Буцаленко В.С., Осташенко М.И., Мариев А.А. Направление использования таллового пека // Лесохимия и подсочка (обзор. информ.). М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989. № 1. 28 с. [Bogomolov B.D., Butsalenko V.S., Ostashenko M.I., Mariyev A.A. Direction of Use of Tall Oil Pitch. Lesokhimiya i podsochka (obzornaya informatsiya), 1989, no. 1, p. 28].
4. Владимирова Т.М., Соколов О.М., Третьяков С.И. Повышение выхода экстрактивных веществ дерева в процессе щелочной делигнификации // Материалы междунар. конф. «Физикохимия лигнина». Архангельск, 2005. С. 157–160. [Vladimirova T.M., Sokolov O.M., Tret’yakov S.I. Increasing the Yield of Wood Extractives in Alkaline Delignification. Proceedings of the International Conference “Physical Chemistry of Lignin”. Arkhangelsk, 2005, pp. 157–160].
5. Ковернинский И.Н., Комаров В.И., Третьяков С.И., Богданович Н.И., Соколов О.М., Кутакова Н.А., Селянина Л.И. Комплексная химическая переработка древесины / под ред.. И.Н. Ковернинского. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. 347 с. [Koverninskiy I.N., Komarov V.I., Tret’yakov S.I. Complex Chemical Processing of Wood Ed. by I.N. Koverninskiy. ASTU Publ., 2002. 347 p.].
6. Лысогорская Н.П., Демьянцева Е.Ю., Клюбин В.В. О гетерогенности воднощелочных растворов сульфатного лигнина и смолы древесины // Коллоид. журн. 2002. Т. 64, № 3. С. 427–429. [Lysogorskaya N.P., Dem’yantseva E.Yu., Klyubin V.V. On the Inhomogeneity of Aqueous Alkaline Solutions of Sulfate Lignin and Wood Resin. Kolloidnyy zhurnal [Colloid Journal], 2002, vol. 64, no. 3, pp. 427–429]. DOI: 10.1023/A:1015989330575
7. Осовская И.И., Демьянцева Е.Ю., Андранович О.С. Определение поверхностного натяжения методом отрыва кольца Дю-Нуи : ВШТЭ СПбГУПТД. СПб., 2016. 24 с. [Osovskaya I.I., Dem’yantseva E.Yu., Andranovich O.S. Determination of Surface Tension by the Anchor-Ring Method (Du Nui Method). Saint Petersburg, VShTE SPbGUPTD Publ., 2016. 24 p.].
8. Труфанова М.В., Селянина С.Б., Афанасьев Н.И. Влияние сульфатного лигнина ели на коллоидно-химические свойства основных компонентов сульфатного мыла (сообщение 1) // Химия растит. сырья. 2010. № 2. С. 23–26. [Trufanova M.V., Selyanina S.B., Afanas’yev N.I. The Effect of Spruce Sulphate Lignin on the ColloidChemical Properties of the Main Components of Sulphate Soap (Report 1). Khimija Rastitel’nogo Syr’ja [Chemistry of plant raw material], 2010, no. 2, pp. 23–26].
9. Фейгус Э.И., Змачинская Н.Е. Выделение и сбор сульфатного мыла // Целлюлоза. Бумага. Картон (обзор. информ.). М.: ВНИПИЭИлеспром, 1990. № 9. 48 с. [Feygus E.I., Zmachinskaya N.E. Sulphate Soap Isolation and Skimming. Tsellyuloza. Bumaga. Karton (obzornaya informatsiya), 1990, no. 9. 48 p.].
10. Филиппов Б.С. О выделении сульфатного мыла из черных щелоков // Лесн. журн. 1964. № 1. С. 154–158. (Изв. высш. учеб. заведений). [Filippov B.S. On the Isolation of Sulphate Soap from Black Liquor. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 1964, no. 1, pp. 154–158]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/apxiv/1964.pdf
11. Филиппов Б.С. Оценка состава смолистых веществ сульфатного мыла // Лесн. журн. 1973. № 5. С. 102–105. (Изв. высш. учеб. заведений). [Filippov B.S. Assessment of the Composition of Resinous Substances of Sulphate Soap. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 1973, no. 5, pp. 102–105]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/apxiv/1973/5.pdf
12. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1988. 464 с. [Frolov Yu.G. Course of Colloid Chemistry. Surface Phenomena and Disperse Systems. Moscow, Khimiya Publ., 1988. 464 p.].
13. Царев Г.И., Некрасова В.Б. Побочные продукты производства сульфатной целлюлозы и их использование при получении древесных плит // Лесохимия и подсочка (обзор. информ.) М.: ВНИПИЭИлеспром, 1985. № 3. 40 с. [Tsarev G.I., Nekrasova V.B. Sulphate Pulp Production By-Products and Their Use in the Production of Wood-Based Panels. Lesokhimiya i podsochka (obzornaya informatsiya), 1985, no. 3. 40 p.].
14. Цветков А.А., Богданович Н.И., Селянина С.Б. Извлечение сульфатного мыла, как способ увеличения эффективности работы предприятия ЦБП // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2014. № 7. С. 58–61. [Tsvetkov A.A., Bogdanovich N.I., Selyanina S.B. Removing of Sulphate Soap as a Way to Increase the Efficiency of Pulp and Paper Enterprises. Tsellyuloza. Bumaga. Karton, 2014, no. 7, pp. 58–61].
15. Evdokimov A.N., Kurzin A.V., Trifonova A.D., Popova L.M., Buisman G.J.H. Desulfurization of Black Liquor Soap for Production of Crude Tall Oil with Lower Sulfur Content. Wood Science and Technology, 2017, vol. 51, iss. 6, pp. 1353–1363. DOI: 10.1007/s00226-017-0912-y
16. Gu X.-F., Huo J., Wang R.-T., Wu D.-C., Yan Y.-L. Synergism in Mixed Zwitterionic Surface Activity Ionic Liquid and Anionic Surfactant Solution: Analysis of Interfacial and Micellar Behavior. Journal of Dispersion Science and Technology, 2014, vol. 36, iss. 3, pp. 334–342. DOI: 10.1080/01932691.2014.901915
17. Huibers D.T.A., Rogers R.R. Environmental Aspects of Tall Oil Distillation. INFORM: International News on Fats, Oils and Related Materials, 1994, no. 4. 526 p.
18. Prado F.I. Air Emissions Aspects, Tall Oil Plants. INFORM: International News on Fats, Oils and Related Materials, 1994, no. 4. 526 p.
19. Selyanina S.B, Makarevich N.A., Tel’tevskaya S.E., Afanas’eva N.I., Selivanova N.V. Influence of Adsorption of Lignosulfonates on Kraft Lignin in the Presence of Tall Oil on Separation of Water-Tall Oil Emulsion. Russian Journal of Applied Chemistry, 2002, vol. 75, iss. 11, pp. 1873–1877. DOI: 10.1023/A:1022243010785
20. Selyanina S.B., Selivanova N.V., Afanasiev N.I., Trufanova M.V. The Model Investigations of the Behavior of Heterogeneous Systems with Participation of Lignin and Extractive Substances. Proceedings of the 8th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp (EWLP 2004), Riga, Latvia. Riga, 2004, pp. 285–289.
21. Tikka P., Kovasin K., Laxén T. Solving Soap and Turpentine Related Process Problems in Softwood Kraft Mills. Pulp and Paper Canada, 2002, vol. 103, pp. 30–35.
22. Zubarev A.Yu., Iskakova L.Yu. To the Theory of the Aggregation of Polydisperse Colloids. Colloid Journal, 2004, vol. 66, iss. 3, pp. 296–301. DOI: 10.1023/B:COLL.0000030839.66688.ea

Ссылка на английскую версию:

Sulphate Soap Demulsifying with Addition of Non-Ionic Surfactant

SULPHATE SOAP DEMULSIFYING WITH ADDITION OF NON-IONIC SURFACTANT

O.S. Andranovich¹, Postgraduate Student; ResearcherID: P-5570-2019, ORCID: 0000-0002-7947-7068 
E.Yu. Demiantseva¹, Candidate of Chemistry; Researcher ID: P-5165-2019, ORCID: 0000-0001-9570-1827 
A.P. Filippov^1,2, Doctor of Physics and Mathematics; ResearcherID: A-9157-2013, ORCID: 0000-0002-8729-6275 
R.A. Smit¹, Postgraduate Student; Researcher ID: O-2661-2019, ORCID: 0000-0002-9665-4636 
¹Saint Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, Higher School of Technology and Energy, ul. Ivana Chernykh, 4, Saint Petersburg, 198095, Russian Federation; e-mail: ilonichka3377@mail.ru, demyantseva@mail.ru, zz1234567@yandex.ru
²Institute of Macromolecular Compounds of the Russian Academy of Sciences, Bol’shoy prospekt Vasil’yevskogo ostrova, 31, Saint Petersburg, 199004, Russian Federation; e-mail: afil@imc.macro.ru

Biorefining based on comprehensive and advanced processing of wood raw materials with getting the products of a high added value and waste reduction is an innovative solution at the fast-growing market of the pulp and paper industry. Isolation of organic substances, which represent by-products in wood processing technology, from spent liquors is an urgent issue of biorefining. The current technology of sulphate soap extraction (which is a byproduct) from spent liquors is process complicated and energy-intensive. All this makes the sulphate soap extraction disadvantageous, despite the fact that the soap is a raw material for production of a wide range of products with a high added value: bioactive substances, tall oil, rosin, etc. This article presents the colloid-chemical properties of sulphate soap separated from black liquors of various wood species pulping. A method of sulfate soap extraction based on soap particles aggregation through addition of a demulsifier is proposed. It was found that with addition of non-ionic surfactant neonol AF 9-6 into the solution of sulphate soap, the molecularly dissolved part of the soap is significantly reduced, while the dispersed component of the presented system increases up to 98 %. As a result, deterioration of aggregative and sedimentation stability and, as a consequence, aggregation of soap particles are observed. A size quadruplication of soap particles was recorded with addition of demulsifier by the method of dynamic light scattering. This will allow to increase the sedimentation rate of sulfate soap in black liquor dozens of times and speed up its sedimentation. The proposed method can be the foundation of a High-Tech technology of by-product separation from production solutions of the pulp and paper enterprises.
For citation: Andranovich O.S., Demiantseva E.Yu., Filippov A.P., Smit R.A. Sulphate Soap Demulsifying with Addition of Non-Ionic Surfactant. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 6, pp. 224–232. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.6.224

Keywords: sulphate soap, black liquor, demulsifiers, aggregation, micelle formation.

Поступила 02.04.19 / Received on April 02, 2019