Почтовый адрес: САФУ, Редакция «Лесной журнал», наб. Северной Двины, 17, г. Архангельск, Россия, 163002, ауд. 1425

Тел.: 8(8182) 21-61-18
Сайт: http://lesnoizhurnal.ru/ 
e-mail: forest@narfu.ru

RussianEnglish



архив

Анализ мицеллообразования и адсорбционных слоев бинарных смесей компонентов сульфатного мыла

 Версия для печати

О.С. Якубова, Е.Ю. Демьянцева, Р.А. Смит, В.К. Дубовый

Рубрика: Химическая переработка древесины

Скачать статью (pdf, 0.9MB )

УДК

676.085.2

Аннотация

В настоящее время одним из направлений развития целлюлозно-бумажной промышленности является био-рефайнинг, основанный на комплексной и глубокой переработке древесного сырья с получением продуктов, имеющих высокую добавленную стоимость, при сокращении количества отходов. В число актуальных задач био-рефайнинга входит усовершенствование технологии выделения вторичных продуктов (сульфатного мыла) из отработанных щелоков с увеличением выхода, качества получаемого продукта и снижением загрязнения окружающей среды. Сложность и энергоемкость процесса извлечения сульфатного мыла из отработанных щелоков обуславливается многими факторами, в т. ч. породой, используемой для варки древесины, составом экстрактивных веществ, способом подготовки древесины к делигнификации. Сульфатное мыло, выделяемое в основном отстаиванием из черного щелока, представляет собой многокомпонентную эмульсию, в составе которой преобладают смоляные и жирные кислоты, а также содержится небольшое количество неомыляемых веществ и примесь лигнина. Низкая степень извлечения связана и с отсутствием систематизированных данных о взаимном влиянии компонентов сульфатного мыла. Установлены закономерности межмолекулярного взаимодействия индивидуальных компонентов вторичного продукта – сульфатного мыла. Методами кондуктометрии и тензиометрии определены критические концентрации мицеллообразования и депрессия поверхностного натяжения растворов поверхностно-активных олеата натрия, абиетата натрия и их смесей вариативного состава. С использованием псевдофазной модели Рубина-Розена проведен детальный анализ смешанных мицелл и адсорбционных слоев. Объяснены механизмы взаимодействия компонентов в смесях. В смешанных растворах обнаружено превалирование влияния более поверхностно-активного олеата натрия на состав мицелл и адсорбционных слоев. Однако максимальный синергетический эффект мицеллообразования в смесях наблюдается при преимущественном содержании абиетата натрия. Анализ экспериментальных данных и результат моделирования сульфатного мыла позволили объяснить сложность его извлечения из щелоков после варки древесины с присутствием лиственных пород в количестве более 30 %: причина – сниженное содержание смоляных кислот в черном щелоке.

Сведения об авторах

О.С. Якубова, аспирант; ResearcherID: P-5570-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7947-7068
Е.Ю. Демьянцева, канд. хим. наук, доц.; ResearcherID: P-5165-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9570-1827
Р.А. Смит, ст. преп.; ResearcherID: O-2661-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9665-4636
В.К. Дубовый, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: W-1235-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2903-3872
Санкт-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

Ключевые слова

сульфатное мыло, черный щелок, олеат натрия, абиетат натрия, псевдофазная модель Рубина–Розена

Для цитирования

Якубова О.С., Демьянцева Е.Ю., Смит Р.А., Дубовый В.К. Анализ мицеллообразования и адсорбционных слоев бинарных смесей компонентов сульфатного мыла // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 6. С. 196–205. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-6-196-205

Литература

1. Аким Э.Л. Целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП) в мире и в России // Леса России: политика, промышленность, наука, образование: материалы II 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 Engineering Conference “Forests of Russia: Politics, Industry, Science, and Education”. Vol. 3. Saint Petersbutg, SPbGLTU Publ., 2017, pp. 198–202.

2. Андранович О.С., Демьянцева Е.Ю., Филиппов А.П., Смит Р.А. Деэмульгирование сульфатного мыла при введении неиногенного поверхностно-активного вещества // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 6. С. 224–232. 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: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.6.224

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. 28 p.

4. Владимирова Т.М., Соколов О.М., Третьяков С.И. Повышение выхода экстрактивных веществ дерева в процессе щелочной делигнификации // 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: АГТУ, 2002. 347 с. Koverninskiy I.N., Komarov V.I., Tret’yakov S.I., Bogdanovich N.I., Sokolov O.M., Kutakova N.A., Selyanina L.I. Complex Chemical Processing of Wood. Ed. by I.N. Koverninskiy. ASTU Publ., 2002. 347 p.

6. Осовская И.И., Демьянцева Е.Ю., Андранович О.С. Определение поверхностного натяжения методом отрыва кольца Дю-Нуи. СПб.: сп бгуптд , 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): Study Guide. Saint Petersburg, VShTE SPbGUPTD Publ., 2016. 24 p.

7. Старжинская Е.В., Кряжев А.М., Третьяков С.И., Глуханов А.А. Промывка смешанного сульфатного мыла нейтрализованной кислой водой // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 5. С. 194–202. Starzhinskaya E.V., Kryazhev A.M., Tret’yakov S.I., Glukhanov A.A. Mixed Sulfate Soap Washing with Neutralized Spent Acid. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 5, pp. 194–202. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.5.194

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 Colloid-Chemical Properties of Mixtures 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 // Изв. вузов. Лесн. журн. 1964. № 1. С. 154–158. Filippov B.S. On the Isolation of Sulphate Soap from Black Liquor. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1964, no. 1, pp. 154–158. URL: lesnoizhurnal.ru/apxiv/1964

11. Филиппов Б.С. Оценка состава смолистых веществ сульфатного мыла // Изв. вузов. Лесн. журн. 1973. № 5. С. 102–105. Filippov B.S. Assessment of the Composition of Resinous Substances of Sulphate Soap. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 1973, no. 5, pp. 102–105. URL: lesnoizhurnal.ru/apxiv/1973/5-1973

12. 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

13. 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. Шеломенцев В.В., Ведерников Д.Н., Старжинская Е.В. Выделение нейтральных веществ хвойного и лиственных сульфатных мыл // Леса России: политика, промышленность, наука, образование: материалы IV междунар. науч.-техн. конф. СПб.: СПбГЛТУ, 2019. С. 327–329. Shelomentsev V.V., Vedernikov D.N., Starzhinskaya E.V. Isolation of Neutral Substances of Coniferous and Deciduous Sulphate Soaps. Proceedings of the Fourth International Scientific and Engineering Conference “Forests of Russia: Politics, Industry, Science, and Education”. Saint Petersburg, SPbGLTU Publ., 2019, pp. 327–329.

16. 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: https://doi.org/10.1007/s00226-017-0912-y

17. 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: https://doi.org/10.1080/01932691.2014.901915

18. 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.

19. Prado F.I. Air Emissions Aspects, Tall Oil Plants. INFORM: International News on Fats, Oils and Related Materials, 1994, no. 4. 526 p.

20. 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: https://doi.org/10.1023/A:1022243010785

21. 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, 2004, pp. 285–289.

22. Tikka P., Kovasin K., Laxén T. Solving Soap and Turpentine Related Process Problems in Softwood Kraft Mills. Pulp and Paper Canada, 2002, vol. 103(6), pp. 30–35.

23. 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: https://doi.org/10.1023/B:COLL.0000030839.66688.ea

ANALYSIS OF MICELLE FORMATION AND ADSORPTION LAYERS OF BINARY MIXTURES OF SULPHATE SOAP COMPONENTS

Olga S. Yakubova, Postgraduate Student; ResearcherID: P-5570-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7947-7068
Elena Yu. Demiantseva, Candidate of Chemistry, Assoc. Prof.; ResearcherID: P-5165-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9570-1827
Regina A. Smit, Senior Lecturer; ResearcherID: O-2661-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9665-4636
Vladimir K. Dubovy, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: W-1235-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2903-3872
Saint-Petersburg State University of Industrial Technologies and Design, ul. Ivana Chernykh, 4, Saint Petersburg, 198095, Russian Federation; e-mail: ilonichka3377@mail.ru, demyantseva@mail.ru, zz1234567@yandex.ru

Abstract. Currently, the main trend of the pulp and paper industry development is bio-refining. It is based on integrated and deep processing of wood raw materials to obtain products with higher value added and reduced amount of waste. One of the high priority tasks of bio-refining is improvement of technology of by-product (sulphate soap) extraction from spent liquor with an increase in the yield and quality of the resulting product and a decrease in the level of environmental pollution. The complexity and energy intensity of sulphate soap extraction from spent liquor depends on many factors, including the species used for wood cooking, composition of extractives, the method of wood preparation for delignification, etc. Sulphate soap is a multicomponent emulsion with a predominant content of resin and fatty acids, small amount of unsaponifiable substances and an admixture of lignin, which is mainly extracted from waste liquior by settling. The low degree of its extraction is associated with the absence of systematical data on the mutual influence of the sulphate soap components. In this work, the patterns of intermolecular interaction of the individual components of the by-product (sulphate soap) are found. For this purposes the critical concentration of micelle formation (CCM) and surface tension depression of surface-active sodium oleate and sodium abietate and their mixtures of varying compositions were determined by the methods of tensiometry and conductometry. A detailed analysis of its mixed micelles and adsorption layers was carried out using the Rubin–Rosen pseudophase model. The interaction mechanisms of components in mixtures are explained. The impact on the composition of micelles and adsorption layers of the more surface-active sodium oleate was detected in mixed solutions. A maximum synergistic effect of micelle formation was observed in mixtures with a predominant content of sodium abietate. Analysis of experimental data and the result of sulphate soap modeling allow substantiating the complexity of its extraction from waste liquor after wood cooking with the presence of hardwood over 30 %, which is explained by the reduced content of resin acids in black liquor.

For citation: Yakubova O.S., Demiantseva E.Yu., Smit R.A., Dubovy V.K. Analysis of Micelle Formation and Adsorption Layers of Binary Mixtures of Sulphate Soap Components. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 6, pp. 196–205. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-6-196-205

Keywords: sulphate soap, black liquor, sodium oleate, sodium abietate, Rubin–Rosen pseudophase model

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) license • The authors declare that there is no conflict of interest