Применение целлюлозосодержащих отходов льнопроизводства для очистки выбросов предприятий химической промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение целлюлозосодержащих отходов льнопроизводства для очистки выбросов предприятий химической промышленности

Белопухов С.Л., Барыкина Ю.А., Борисов Б.А.; РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева

Разработан новый льняной адсорбент. Проведена оценка его химического состава и сорбционных свойств нового сорбента на основе льняных угаров и костры льна размером частиц менее 2 мм по отношению к различным растворителям из газовой фазы. Установлено, что уменьшение размера частиц костры в 2 раза приводит к увеличению сорбционной способности в 2 раза. Изучены сорбционные свойства сорбента по отношению к органическим растворителям: этанол, пентанол-2, ацетон, бутанол-1, пропанол-1. Показана возможность многократного использования льняного сорбента в качестве сорбента для очистки газовых выбросов предприятий от органических растворителей, что будет способствовать улучшению экологической обстановки. После использования сорбент может быть легко утилизирован, разлагается в почве в течение 6 месяцев.

Ключевые слова: сорбент, сорбция, токсиканты, тяжелые металлы, органические растворители, лен

Введение

Выращивание льна-долгунца в Нечерноземье сегодня является одним из перспективных направлений растениеводства. Это определяется высоким спросом в стране и в мире на продукцию первичной переработки льна в виде короткого и длинного волокна для нужд предприятий текстильной, химической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности [1]. Здесь необходимо учесть тенденцию по снижению объемов поставок на российские текстильные комбинаты хлопка-сырца из Узбекистана, а с 2020 года такие поставки могут быть только в виде пряжи или полотна. Таким образом, волокно льна-долгунца становится стратегическим направлением развития сельского хозяйства многих областей Нечерноземной зоны.

Цена на льняное волокно на мировом рынке сегодня составляет от 2 до 4 долларов за 1 кг. В последнее десятилетие урожайность льноволокна в России составляет от 9,3 до 9,8 ц/га, сбор льнотресты - 3,5-5,0 т/га [2]. В процессе первичной переработки льнотресты на льнозаводах образуется значительное количество отходов в виде угаров и вытряски (2-3 %), костры (до 70%) [3]. В настоящее время такие отходы складируются в отвалы, частично (до 30%) сжигаются на льнозаводах, что наносит вред окружающей среде за счет выделения углекислого газа и побочных продуктов горения. Другая часть костры разлагается на воздухе и превращается в гумифицированную костру [4].

Таким образом, проблема утилизации или глубокой переработки целлюлозосодержащих отходов льноводства в связи с возрастающими объемами производства становится актуальной задачей. Здесь имеется несколько направлений, которые ориентированы на химическую технологию и выделение из целлюлозосодержащих отходов льнопроизводства таких продуктов, как целлюлоза и лигнин: производство бумаги, картона, биоэтанола, биобутанола, янтарной кислоты, уксусной кислоты и ряда других химических продуктов глубокой переработки. Однако, по нашему мнению, это важное направление, как и сами химические продукты, не сможет быть в ближайшие годы реализовано в больших масштабах в связи с высокими требованиями экологов к размещению предприятий химической промышленности, высоким расходом воды, загрязнением воздушной среды, сточных вод и почвы вокруг таких предприятий. Такие жесткие требования к химическим предприятиям не могут позволять им располагаться вблизи льнозаводов, а перевозить легкие отходы за несколько десятков или сотен километров экономически невыгодно. Нами разработана и предлагается альтернативная технология переработки целлюлозосодержащих отходов льнопроизводства в высокоэффективные сорбенты для очистки газов и паров органических растворителей. Такая технология может быть реализована непосредственно на льнозаводах и не требует значительных затрат энергоресурсов, жестких химикатов и сложного технологического оборудования.

Объекты и методы исследований

Целлюлозосодержащие отходы переработки льна в виде костры свежей, костры гумифицированной с содержанием гуминово-фульватного комплекса 15-18 %, угары и вытряска были предоставлены Ржевской льночесальной фабрикой (Тверская обл., г. Ржев) в 2015-2017 гг. Льняные угары и вытряска соответствовали требованиям ГОСТ 12285-77 и ГОСТ 12925-77. Влажность льняных угаров и вытряски составляла 8-9 %, массовая доля костры и примесей - менее 2,5%. Костра льняная получена при переработке льняной тресты номером не менее 1,5 по ГОСТ 53143-2008. Определение целлюлозы проводили по ГОСТ 6840-78, определение смол и жиров - по ГОСТ 6841-78, определение лигнина - по ГОСТ 11960-79, элементный состав - по рекомендациям [5]. Сорбенты были сформированы в виде порошка, таблеток, контейнеров заданной формы в соответствии с технологией, представленной в способе, описанном в [6], и соответствующей требованиям экологической безопасности материала для окружающей среды.

Результаты и обсуждение

Недостатком известных биосорбентов, как правило, является их невысокая механическая прочность и малая адсорбционная емкость по отношению к водным и органическим растворам, парам. Увеличение механической прочности достигается использованием клеящих или цементирующих веществ, но их применение, как правило, снижает сорбционные свойства композиции.

Исследование химического состава льняной костры проведен нами ранее, и результаты приведены в работе [4]. Химический состав угаров льна приведен в таблице 1.

Таблица 1. Элементный состав угаров льна

Как следует из результатов элементного анализа, основу вытряски составляют макроэлементы - углерод, кислород, водород и небольшое количество азота, что соответствует химическому составу по макрокомпонентам - целлюлозе и лигнину. Высокое содержание атомов кислорода и частично азота с их донорными и акцепторными свойствами подтверждает возможность участия этих атомов в образовании координационных связей при сорбции таких веществ, как двуокись углерода, оксид серы (IV), сероводород и другие газы, а также пары органических спиртов, эфиров, фенольных соединений и других веществ. В табл. 2 приведены данные по биохимическим показателям исследованных образцов угаров.

Таблица 2. Биохимическая характеристика угаров льна

Как следует из приведенных данных, в исследованных образцах наблюдается высокое (до 35%) содержание лигнина. С одной стороны, наличие натурального природного клеящего вещества способствует получению прочных по физико-механическим характеристикам образцов таблеток сорбентов или сорбентов других форм. Однако лигнины имеют переменный химический состав и невысокое количество свободных р-электронных систем в атомах или группах атомов, их составляющих. Причиной высокого количества лигнина могут быть сорта льна-долгунца, разработанные и рекомендованные к выращиванию в прошлом веке. Современные высокоинтенсивные сорта льна-долгунца содержат лигнина в волокне менее 3%, что, с одной стороны, является достоинством для порошков без высокой слеживаемости, а, с другой стороны, - недостатком для прессованных форм. Кроме того, для снижения концентрации лигнина во льне применяют обработки защитно-стимулирующими комплексами [7-9].

Представлял интерес изучить возможность выделения L- и D-целлюлозы из имеющейся композиции. Результаты представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты выделения L- и D-целлюлозы из композиции

Полученный порошковый материал содержит различное количество изомеров, содержание которых зависит от способа выделения различными кислыми реагентами. Эти примеры иллюстрируют, что для выделения целлюлозы, например, для получения бумаги или для последующего использования в химической, лакокрасочной промышленности для производства различных эфиров целлюлозы необходимо применять «жесткую» химию. Никакой речи о принципах «зеленой» химии, использовании водных сред не может быть.

В различных отраслях промышленности одной из важных задач является получение сухих продуктов с минимальной влажностью или с концентрацией воды менее 1%. Нами проведено исследование сорбции паров воды порошкообразным сорбентом, содержащим костру и угары в соотношении 1 : 1 по массе. Костра имела фракции 1-2 мм и менее 1 мм. Из экспериментальных данных следует, что сорбент активно поглощает пары воды, но даже через 6 часов от начала опыта сорбционное равновесие еще не достигается, и сорбент достаточно интенсивно поглощает пары воды. Поглощение в статических условиях паров воды при использовании фракции менее 1 мм в 2 раза выше, чем при использовании фракции с размерами костры 1-2 мм, и составляет 0,065-0,070 г/г сорбента. Сорбционное равновесие достигается через 18 часов: 0,18-0,20 г/г сорбента.

Более динамично протекают процессы стационарной сорбции предельных одноатомных спиртов, применяемых в качестве растворителей в лакокрасочной промышленности. Сорбционное равновесие в данном случае достигается через 6-7 часов. Средняя скорость сорбции из расчета на 1 сорбента для паров этанола составляет 0,018-0,020 г/час, ацетона - 0,11-0,12 г/час, пропанола - 1 0,014-0,15 г/час, бутанола - 1 0,009-0,010 г/час, пентанола - 2 0,012-0,013 г/час. Следовательно, 1 кг сорбента может поглотить до 90-200 г органического растворителя. При этом важно отметить легкость в проведении десорбции и возврате растворителя в производственный процесс. Десорбция осуществляется сжатым воздухом или другим инертным газом. Также десорбция растворителя может быть проведена кислыми газами, такими как СО₂, SO₂, H₂S и другими. В таком случае решается задача очистки газовой фазы от паров воды, органических растворителей, кислых газов. Регенерация сорбента, например, сжатым воздухом, может быть осуществлена до 20 раз (циклов сорбция - десорбция). После использования сорбент может быть легко утилизирован, он разлагается в почве в течение 6 месяцев.

Для изготовления сорбента в виде таблеток или другой специальной конфигурации необходимо 1 кг льняной костры обработать 1 л 0,1М КОН при комнатной температуре в течение 15-20 минут. В полученный раствор добавить 1 кг льняных угаров и тщательно перемешать до получения однородной массы. Для формирования таблеток круглой формы или контейнеров прямоугольной формы слегка подсушенную смесь помещают в формообразующее устройство и оставляют до полного высыхания. Для ускорения процесса формования формообразующее устройство можно на 15-20 минут поместить в сушильный шкаф при температуре 50-60 ^оС. Выделяющиеся натуральные лигносодержащие компоненты из льняной костры и льняных угаров усиливают связывание компонентов сорбента. Механическая прочность сорбента в виде таблетки диаметром 5 см и высотой 1 см составляет не менее 0,020 МПа. Максимальное водопоглощение составляет 4,5±0,2 г Н₂О на 1 г сорбента.

сорбент лен угар растворитель

Заключение

Разработан состав нового льняного адсорбента, исследован его химический состав. Проведена оценка сорбционных свойств нового сорбента на основе льняных угаров и костры льна размером частиц менее 2 мм по отношению к различным растворителям из газовой фазы. Установлено, что уменьшение размера частиц костры в 2 раза приводит к увеличению сорбционной способности в 2 раза. Изучены сорбционные свойства сорбента по отношению к органическим растворителям: этанолу, пентанолу-2, ацетону, бутанолу-1, пропанолу-1. Показана возможность многократного использования льняного сорбента в качестве сорбента для очистки газовых выбросов предприятий от органических растворителей, что будет способствовать улучшению экологической обстановки. После использования сорбент может быть легко утилизирован, разлагается в почве в течение 6 месяцев.

Список использованных источников

1. Корсун Н.Н., Белопухов С.Л., Фокин А.В., Самойлов В.П., Смирнов Н.А. Натуральные волокна в современных технических материалах. - М.: ВК. - 2007. -160 с.

2. Захаренко А.В., Белопухов С.Л., Демидова И.М. Научные и практические основы применения защитно-стимулирующих комплексов в современном льноводстве. - М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. - 2009. - 320 с.

3. Калабашкина Е.В., Белопухов С.Л. Термохимический анализ льняного волокна // Бутлеровские сообщения. - 2011, т. 28, № 20. - С. 11-14.

4. Гришина Е.А., Яшин М.А., Прохоров И.С., Белопухов С.Л. Оценка содержания общего и фракционного углерода в щелочных вытяжках из гумифицированной льняной костры // Агрохимический вестник. - 2013, № 6. - С. 39-40.

5. Белопухов С.Л., Буряков Н.П., Шнее Т.В. Химическая сертификация сельскохозяйственной продукции. - М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. - 2012. - 160 с.

6. Moskalenko A.I., Belopukhov S.L., Ivlev A.A., Boev V.I. General procedure for the synthesis of spirocyclic 3-hydroxy- and 3-oxotetrahydrofurans containing carbo- and heterocyclic fragments // Russian Journal of Organic Chemistry. - 2011, т. 47, № 7. - С. 1091-1096.

7. Белопухов С.Л., Фокин Е.В. Действие защитно-стимулирующих комплексов с эпином на урожай и качество волокна льна-долгунца / Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. - 2004, № 1. С. 32-39.

8. Белопухов С.Л., Дмитревская И.И., Прохоров И.С., Григораш А.И.Влияние биопрепарата флоравит на рост, развитие и урожайность льна-долгунца // Агрохимический вестник. - 2014, № 6. - С. 28-30.

9. Белопухов С.Л., Малеванная Н.Н. Влияние циркона на химический состав льна-долгунца // Плодородие. - 2004, № 1 (16). - С. 18-20.

Размещено на Allbest.ru