Закономерности процесса пероксидно-ацетатной делигнификации недревесного целлюлозосодержащего сырья в присутствии сернокислотного катализатора

УДК

676.16.022.6.034

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.3.143

Аннотация

Рассмотрены свойства целлюлозы, полученной из отходов льняного производства (костры) пероксидно-ацетатным методом с использованием в качестве катализатора концентрированной серной кислоты. Лабораторные варки костры с содержанием целлюлозы 38,5 %, лигнина 15,0 % и зольностью 4,1 % проводили при гидромодуле 1:10. Расход катализатора составлял 1,0; 0,5 и 0,25 % от объема варочного раствора. Определены химические и структурно-морфологические свойства образцов по стандартным методикам. Установлено, что пероксидно-ацетатный способ варки целлюлозы из костры льна с использованием серной кислоты в качестве катализатора позволяет в одну ступень получить полуфабрикат с белизной более 79 % и числом микро-Каппа на уровне 3 единиц. Найдено оптимальное количество катализатора в варочном растворе – 0,5 % от объема, которое способствует улучшению качественных показателей льняной целлюлозы – уменьшению содержания лигнина, повышению белизны, снижению зольности и сохранению средней длины волокна. Показано, что снижение расхода катализатора до 0,25 % (об.) приводит к получению продукта с повышенным выходом (40 %), пониженными белизной и содержанием α-целлюлозы, что свидетельствует о сохранении углеводного комплекса в процессе варки, уменьшении доли коротковолокнистых фракций и увеличении доли длинноволокнистых фракций за счет меньшего повреждения волокна в технологическом процессе.

Сведения об авторах

Д.Ю. Арсеньева, аспирант; ORCID: 0000-0002-7816-6727
Я.В. Казаков, д-р техн. наук, доц.; ResearcherID:J-4634-2012, ORCID: 0000-0001-8505-5841
Е.О. Окулова, аспирант
А.Ю. Лагунов, канд. пед. наук, доц.; ResearcherID: I-3668-2015, ORCID: 0000-0002-2914-0045
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия; 163002, e-mail: darsenieva@mail.ru, j.kazakov@narfu.ru, e.okulova@narfu.ru

Ключевые слова

льняная целлюлоза, пероксидно-ацетатная делигнификация, надуксусная кислота, костра, переработка отходов

Для цитирования

Арсеньева Д.Ю., Казаков Я.В., Окулова Е.О. Лагунов А.Ю. Закономерности процесса пероксидно-ацетатной делигнификации недревесного целлюло-зосодержащего сырья в присутствии сернокислотного катализатора // Лесн. журн. 2019. № 3. С. 143–151. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.3.143

Литература

1. Арсеньева Д.Ю., Захарова А.А., Артемов А.В. Особенности пероксидно-ацетатного метода получения целлюлозы из растительного материала // Естественные и технические науки. 2016. № 8(98). С. 30–32.
2. Арсеньева Д.Ю., Казаков Я.В. Бумагообразующие свойства волокна, полученного из соломы льна пероксидно-ацетатным методом // Проблемы механики цел-люлозно-бумажных материалов: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. (Архангельск, 14–16 сент. 2017 г.) Архангельск: САФУ, 2017. С. 303–307.
3. Вершинин М.С., Гараева М.Р., Мингазова В.К. Исследование термических характеристик целлюлоз, полученных из растительного сырья // Приволж. науч. вестн. 2017. № 3(67). C. 10–13.
4. Волкова Н.Н., Обрезкова М.В., Куничан В.А. Получение льняной целлюлозы на технологической линии производства хлопковой целлюлозы // Ползунов. вестн. 2007. № 3. С. 25–27.
5. ГОСТ 595–79. Целлюлоза хлопковая. Технические условия. Введ. 1980–07–01. М.: Изд-во стандартов, 2002. 14 с.
6. ГОСТ 11960–79. Полуфабрикаты волокнистые и сырье из однолетних растений для целлюлозно-бумажного производства. Метод определения лигнина. Введ. 1981–01–01. М.: Изд-во стандартов, 1985. 4 с.
7. ГОСТ 5556–81. Вата медицинская гигроскопическая. Технические условия. Введ. 1982–07–01. М: Изд-во стандартов, 1993. 13 с.
8. Глазова Н.В., Сатина О.И. НУК: экологически безопасная альтернатива хлору // Птица и птицепродукты. 2010. № 1. С. 58–60.
9. Коваленко М.В., Сибаева А.Р. Сопоставительный анализ сорбционной способности образцов целлюлозы из древесины лиственницы и образцов целлюлозы из древесины сосны // Theoretical & Applied Science. 2013. № 12(8). С. 31–34. DOI: 10.15863/TAS.2013.12.8.7
10. Кузнецов Б.Н., Кузнецова С.А., Данилов В.Г., Яценкова О.В. Каталитические методы переработки древесины в целлюлозу с низким содержанием лигнина // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2007. № 12. С. 27–30.
11. Миловидова Л.А., Холмова М.А., Комарова Г.В. Отбелка целлюлозы: метод. указания к выполнению лаб. работ. Архангельск: САФУ, 2011. С. 20–22.
12. Минакова А.Р. Получение целлюлозы окислительно-органо-сольвентным способом при переработке недревесного растительного сырья: дис. … канд. техн. наук. Архангельск, 2008. 151 с.
13. Barbash V., Poyda V., Deykun I. Peracetic Acid Pulp from Annual Plants // Cellulose Chemistry and Technology. 2011. Vol. 45, iss. 9–10. Pp. 613–618.
14. Biswas A., Saha B.C., Lawton J.W., Shogren R.L., Willett J.L. Process for Obtaining Cellulose Acetate from Agricultural By-Products // Carbohydrate Polymers. 2006. Vol. 64, iss. 1. Pp. 134–137. DОI: 10.1016/j.carbpol.2005.11.002
15. Coletti A., Valerio A., Vismara E. Posidonia oceanica as a Renewable Lignocellulosic Biomass for the Synthesis of Cellulose Acetate and Glycidyl Methacrylate Grafted Cellulose // Materials. 2013. Vol. 6(5). Pp. 2043–2058. DOI: 10.3390/ma6052043
16. Jackson M., Lewis K.S., Lewis M.S., McKean W.T., Pan W.L. Final Report on Washington State Department of Ecology AG-Burning Permit Project Contract no. C030085 for Lewis Engineering Consultants. 2003. 70 p.
17. Laamanen L.A., Sundquist J.J., Wartiovaara Y.P. Menetelma valkaistun selluloosamassan valmistamiseksi ligniimpitoisesta raaka-ameesta. Pat. Finland no. 74750. 1988.
18. Pohjanvesi S., Saan K., Poopius-Levlin K., Sundquist J. Technical and Economical Feasibility Study of the Milox Process // Proceedings of the 8th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry June 6–9, 1995, Helsinki, Finland. Helsinki, 1995. Vol. 2. Pp. 231–236.
19. Poppius K., Laamanen L., Sundquist J., Wartiovaara I., Kaulimakis A. Bleached Рulp by Peroxyacid-Alkaline Delignification // Paperi Ja Puu. 1986. Vol. 68, no. 2. Pp. 87–88, 90–92.
20. Poppius-Levlin K., Mustonen R., Muovila Т., Sundquist J. Milox Pulping with Acetic Acid-Peroxyacetic Acid // Paperi Ja Puu. 1991. Vol. 73, no. 2. Pp. 154–158.
21. Sundquist J. From Test Tube to Pilot Plant: The First Miles on the Roach of the Milox Pulping and Bleaching Method. Finn. Chem. Congr., Helsinki, November 12–14, 1991 // Kemiakemi. 1991. No. 108.
22. Sundquist J. Chemical Pulping Based on Formic Acid: Summary of Milox Research // Paperi Ja Puu. 1996. Vol. 78, no. 3. Pp. 92–95.
23. Sundquist J., Laamanen L., Poppius K. Problems of Nonconventional Pulping Process in the Light of Peroxyformic Acid Cooking Experiments // Paperi Ja Puu. 1988. Vol. 70, no. 2. Pp. 143, 145–148.

Поступила 07.09.18

Ссылка на английскую версию:

Peroxide-Acetate Delignification Patterns of Non-Wood Raw Material Containing

UDC 676.16.022.6.034
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.3.143

Peroxide-Acetate Delignification Patterns of Non-Wood Raw Material Containing
Cellulose in the Presence of Sulfuric Catalyst

D.Yu. Arsenyeva, Postgraduate Student; ORCID: 0000-0002-7816-6727
Ya.V. Kazakov, Doctor of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: J-4634-2012, ORCID: 0000-0001-8505-5841
E.O. Okulova, Postgraduate Student
A.Yu. Lagunov, Candidate of Pedagog., Assoc. Prof.; ResearcherID: I-3668-2015,
ORCID: 0000-0002-2914-0045
Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: darsenieva@ mail.ru, j.kazakov@narfu.ru, e.okulova@narfu.ru

The paper considers the properties of cellulose obtained from flax production wastes (shive) by peroxide-acetate method using concentrated sulfuric acid as a catalyst. Pulping of flax shive with 38.5 % of cellulose, 15 % of lignin, and 4.1 % of ash were carried out under the laboratory conditions with 1:10 hydromodulus. The catalyst consumption was 1.0, 0.5 and 0.25 % of the pulping solution volume. Chemical and structural-morphological properties of obtained samples were determined by standard methods. It has been found that the use of peroxide-acetate method of flax shive pulping using sulfuric catalyst allows to obtain a semifinished product with more than 79 % of whiteness and Kappa of 3 units in one step. The most optimal ratio of the catalyst in the pulping solution is 0.5 % by the volume to the pulping solution, which contributes to the quality improvement of flax cellulose: lignin content reducing, whiteness increasing, ash content decreasing, and mean fiber length maintaining. It is shown that reduction in catalyst consumption to 0.25 % (vol.) leads to manufacturing a product with an increased yield (40 %), reduced whiteness and α-cellulose content, which indicates the preservation of the carbohydrate complex during pulping, decrease in the short fiber fractions proportion, and increase in the long fiber proportion due to the reduced fiber damage in the process.

For citation: Arsenyeva D.Yu., Kazakov Ya.V., Okulova E.O., Lagunov A.Yu. Peroxide-Acetate Delignification Patterns of Non-Wood Raw Material Containing Cellulose in the Presence of Sulfuric Catalyst. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 3, pp. 143–151. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.3.143
Keywords: flax cellulose fiber, peroxide acetate method, peracetic acid, flax shive, waste recycling

REFERENCES

1. Arsenyeva D.Yu., Zakharova AA, Artemov A.V. Features of the Peroxide Acetate Method of Obtaining Pulp from Plant Material. Estestvennyye i tekhnicheskiye nauki [Natural and Technical Sciences], 2016, no. 8, pp. 30–33.
2. Arsenyeva D.Yu., Kazakov Ya.V. Paper-Forming Properties of Fibers Obtained from Flax Straw by Peroxide Acetate Method. The Issues in Mechanics of Pulp and Paper Materials: Proc. of the IV Int. Sci.-Tech. Conf. (Arkhangelsk, September 14–16, 2017). Arkhangelsk, NArFU Publ., 2017, pp. 303–307.
3. Vershinin M.S., Garaeva M.R., Mingazova V.K. Research of Celluloses Thermal Characteristics which Was Produced from Plant Raw Materials. Privolzhskij nauchnyj vestnik, 2017, no. 3(67), pp. 10–13.
4. Volkova N.N., Obrezkova M.V., Kunichan V.A. Flax Pulp Production on the Cotton Cellulose Production Line. Polzunovskiy vestnik [Polzunovsky Vestnik], 2007, no. 3, pp. 25–27.
5. GOST 595–79. Cotton cellulose. Technical Specifications. Moscow, Standards Publ., 2002. 14 p.
6. GOST 11960–79. Fibre Semi-Products and Raw Materials of Annuals for and Pa-per Industry. Method for Determination of Lignin. Moscow, Standards Publ., 1985. 4 p.
7. GOST 5556–81. Absorbent Medical Cotton Wool. Technical Specifications. Mos-cow, Standards Publ., 1993. 13 p.
8. Glazova N.V., Satina O.I. Peracetic Acid (PAA): An Environmentally Friendly Alternative to Chlorine. Ptitsa i рtitseprodukty, 2010, no. 1, pp. 58–60.
9. Kovalenko M.V, Sibaeva A.R. Comparative Analysis of the Sorption Capacity of Larch and Pine Wood Pulp Samples. ISJ Theoretical & Applied Science, 2013, no. 12(8), pp. 31–34. DOI: 10.15863/TAS.2013.12.8.7
10. Kuznetsov B.N., Kuznetsova S.A., Danilov V.G., Yatsenkova O.V. Catalytic Methods of Processing of Wood into Pulp with Low Contents of Lignin. Tsellyuloza. Bumaga. Karton, 2007, no. 12, pp. 27–30.
11. Milovidova L.A., Kholmova M.A., Komarova G.V. Pulp Bleaching: Laboratory Operations Manual. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2011, pp. 20–22.
12. Minakova A.R. Cellulose Production by an Oxidation and Organo-Solvent Method in the Processing of Non-Wood Plant Raw Materials: Cand. Eng. Sci. Diss. Arkhangelsk, 2008. 151 p.
13. Barbash V., Poyda V., Deykun I. Peracetic Acid Pulp from Annual Plants. Cellulose Chemistry and Technology, 2011, vol. 45, iss. 9–10, pp. 613–618.
14. Biswas A., Saha B.C., Lawton J.W., Shogren R.L., Willett J.L. Process for Obtaining Cellulose Acetate from Agricultural By-Products. Carbohydrate Polymers, 2006, vol. 64, iss. 1, pp. 134–137. DОI: 10.1016/j.carbpol.2005.11.002
15. Coletti A., Valerio A., Vismara E. Posidonia oceanica as a Renewable Lignocellulosic Biomass for the Synthesis of Cellulose Acetate and Glycidyl Methacrylate Grafted Cellulose. Materials, 2013, vol. 6(5), pp. 2043–2058. DOI: 10.3390/ma6052043
16. Jackson M., Lewis K.S., Lewis M.S., McKean W.T., Pan W.L. Final Report on Washington State Department of Ecology AG-Burning Permit Project Contract no. C030085 for Lewis Engineering Consultants. 2003. 70 p.
17. Laamanen L.A., Sundquist J.J., Wartiovaara Y.P. Menetelma valkaistun selluloosamassan valmistamiseksi ligniimpitoisesta raakaameesta. Pat. Finland no. 74750, 1988.
18. Pohjanvesi S., Saan K., Poopius-Levlin K., Sundquist J. Technical and Economical Feasibility Study of the Milox Process. Proceedings of the 8th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry June 6–9, 1995, Helsinki, Finland. Helsinki, 1995, vol. 2, pp. 231–236.
19. Poppius K., Laamanen L., Sundquist J., Wartiovaara I., Kaulimakis A. Bleached Pulp by Peroxyacid-Alkaline Delignification. Paperi Ja Puu, 1986, vol. 68, no. 2, pp. 87–88, 90–92.
20. Poppius-Levlin K., Mustonen R., Muovila Т., Sundquist J. Milox Pulping with Acetic Acid-Peroxyacetic Acid. Paperi Ja Puu, 1991, vol. 73, no. 2, pp. 154–158.
21. Sundquist J. From Test Tube to Pilot Plant: The First Miles on the Roach of the Milox Pulping and Bleaching Method. Finn. Chem. Congr., Helsinki, November 12–14, 1991. Kemiakemi, 1991, no. 108.
22. Sundquist J. Chemical Pulping Based on Formic Acid: Summary of Milox Re-search. Paperi Ja Puu, 1996, vol. 78, no. 3, pp. 92–95.
23. Sundquist J., Laamanen L., Poppius K. Problems of Nonconventional Pulping Process in the Light of Peroxyformic Acid Cooking Experiments. Paperi Ja Puu, 1988, vol. 70, no. 2, pp. 143–148.

Received on September 07, 2018