Методы утилизации и основные направления применения лигнина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Методы утилизации и основные направления применения лигнина

В.Ю. Конюхов, П.Н. Коновалов,

К.В. Суслов, К.С. Васильева

Аннотация

лигнин утилизация технический отходы

Рассмотрены возможные направления и методы утилизации технических лигнинов - отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Показана необходимость увеличения масштабов использования лигнинов в качестве сырья для получения различных продуктов во многих отраслях: от горнодобывающей промышленности и химического производства до агропромышленного сектора. Применение лигнинов в качестве сырья поможет решить сырьевые и экологические проблемы общества.

Ключевые слова: лигнин; фенолформальдегидные смолы; диспергатор; эмульсия; стабилизатор.

Annotation

METHODS OF DISPOSAL AND MAIN DIRECTIONS OF LIGNIN USAGE

V. Konyuhov, P. Konovalov, K. Suslov, K. Vasilyeva

Irkutsk National Research Technical University,

The article discusses the possible directions and methods of technical lignin utilization, i.e. waste of pulp and paper industry. It shows the need for increased use of lignin as a raw material to produce various products in many industries from mining and chemical production to the agro-industrial sector. The use of lignin as a raw material will help to solve materials and environmental problems of society.

Keywords: lignin; phenol formaldehyde gums; dispersant; emulsion; stabilizer.

Основная часть

Лигнин - аморфное, полифункциональное высокомолекулярное ароматическое соединение, состоящее из фенилпропановых структурных единиц, и не является веществом постоянного состава; природный полимер; входит в состав почти всех наземных растений. Лигнин был открыт Ансельмом Пейном в XIX веке. Принято считать, что молекула лигнина состоит из атомов углерода, кислорода и водорода (рисунок).

Лигнин не изготавливают специально; он и его химически модифицированные формы являются отходами биохимического производства. В ходе физико-химической переработки растительной ткани молекулярная масса лигнина уменьшается в несколько раз, а его химическая активность возрастает.

В гидролизной промышленности получают порошковый, так называемый гидролизный лигнин.

В целлюлозном производстве образуются водорастворимые формы лигнина. Существуют две основные технологии варки целлюлозы, более распространенная сульфатная варка (щелочная) и менее употребляемая сульфитная (кислотная) варка.

Лигнин, получаемый в сульфатном производстве, так называемый сульфатный лигнин в большой степени утилизируется в энергетических установках целлюлозных заводов.

Хотя известны многочисленные способы утилизации технических лигнинов, до настоящего времени основным из них является получение энергии. Большая часть сульфатного лигнина сжигается в процессе регенерации химикатов отработанного щелока.

Структурная формула лигнина

Хотя известны многочисленные способы утилизации технических лигнинов, до настоящего времени основным из них является получение энергии. Большая часть сульфатного лигнина сжигается в процессе регенерации химикатов отработанного щелока.

В промышленном масштабе из лигнина производят ванилин (3-метокси-4-гидроксибензальдегид).

В настоящее время при общем объеме ежегодно производимого ванилина около 12000т, более 70 % вещества получают из лигносульфонатов. Выход ванилина в зависимости от природы лигносульфонатов и условий окисления лежит в пределах 6-12 %, что заметно ниже теоретически возможного 25-30 %.

Большой практический интерес представляет модификация фенолформальдегидных смол лигнинсодержащими веществами.

Фенольные порошковые смолы часто применяются при производстве изделий, испытывающих трение. Использование органосольвентных лигнинов как части этих фенольных смол успешно реализовано североамериканскими производителями автомобильных тормозных колодок и прессованных изделий в промышленном масштабе. Введение 20 % лигнина дало положительный эффект в сравнении с контрольным образцом, приготовленном только на синтетической фенольной смоле. Результаты исследований приведены в таблице.

Характеристика износа тормозных колодок, изготовленных с использованием органосольвентного лигнина и фенольной смолы

Среди различных развиваемых направлений использования лигнинов привлекательной альтернативой несомненно являются пластики, о чем свидетельствуют многочисленные исследования в этой области.

Разработана технология получения на основе растительных волокон и лигнина термопластичного композиционного материала, названного «Арбоформ» (ARBOFORM). Изделия из «Арбоформа» по внешнему виду похожи на изделия из пластмасс, однако по свойствам они похожи на материалы, изготовленные из древесины. Немецкая фирма «Текнаро» открыла в 2000 г. под Карлеруэ предприятие по производству пластмассы из древесины производительностью 5 т/мес. Из этого материала изготовляются внутренние панели автомобилей, приклады охотничьих ружей, детали мебели, шариковые авторучки, корпуса телевизоров, приемников, компьютеров и мобильных телефонов.

Примерно половина выпускаемых в мире лигносульфонатов используется для при производстве цемента и бетона. Применение лигносульфонатов при получении цемента облегчает размол клинкера. При изготовлении бетонов функции лигносульфонатов заключаются в снижении водопотребления, ускорении нарастания прочности и улучшении перерабатываемости. Они даже могут действовать синергически с воздухововлекающими веществами, уменьшая расход таких агентов. Однако в присутствии лигносульфонатов замедляется схватывание, поэтому допустимый расход химикатов в виде кальциевой и натриевой соли составляет лишь 0,1-0,3 % от массы цемента.

Наполнители строительных шпатлевок, грунтовых мастик, используемых под окраску и оклейку конструкций, служат центрами структурообразования в композиционных материалах. В этом аспекте особую роль играет гидролизный лигнин: его предложено применять как диспергатор в производстве сухой штукатурки. Снижается расход воды, необходимый для сохранения текучести массы, подаваемой для формования на машине рулонов сухой штукатурки, что приводит к повышению производительности сушилок и снижению затрат на топливо. Вследствие более равномерного высушивания улучшается также качество штукатурки.

Важную роль играют лигносульфонаты при окрашивании текстильных материалов, где их используют в качестве первичных диспергаторов и наполнителей. Однако при применении кубовых и дисперсных красителей, окрашивание которыми производится при повышенной температуре, лигносульфонаты оказываются непригодными. Модификация лигносульфонатов посредством реакции с бензиловым спиртом позволяет получить продукт с достаточно хорошей термоустойчивостью, который так же имеет пониженные восстанавливающие для азокрасителей свойства и меньше окрашивает волокна. Модифицированный продукт также обладает хорошей диспергирующей эффективностью, обеспечивая высокое качество конечного измельчения. Лучшие свойства в данных системах проявляет сульфонированный сульфатный лигнин, который также используется в настоящее время для этих целей.

Лигносульфонаты используются как стабилизаторы эмульсий. Стабильность эмульсии определяется ее способностью сохранять состояние раздробленности двух жидкостей в течение длительного времени. Достоинство использования лигносульфонатов - устойчивость к солевым загрязнениям, механическим воздействиям и температурным колебаниям. Часто состав эмульсии включает гидрофобное вещество, воду эмульгатор и лигносульфонат, который действует как стабилизатор. Лигносульфонаты используются для стабилизации водно-маслянных эмульсий в различных областях, начиная от проклейки бумаги до стабилизации асфальта.

Модифицированные лигносульфонаты являются важным компонентом свинцовых аккумуляторов. Роль лигнина заключается в том, что он действует как вещество («расширитель»), модифицирующее поверхность на отрицательно заряженной пластине. Полагают, что макромолекулы, ингибирую рост кристаллов, позволяют пластине сохранять пористую структуру, тем самым оптимизируя площадь течения разряда. Относительно небольшие количества лигносульфонатов, приблизительно несколько грамм на батарею, значительно удлиняют продолжительность эксплуатации аккумулятора.

Организован выпуск медицинского препарата полифепана на основе гидролизного лигнина, обладающего высокими сорбционными свойствами. Медицинский лигнин имеет высокую адсорбционную способность по отношению к различным микроорганизмам - носителям инфекционных заболеваний. На основе гидролизного лигнина получены новые лечебные препараты билигнины, которые селективно адсорбируют желчные кислоты и 3-липопротеиды.

Также лигнин применяется в горнодобывающей и металлургической отрасли промышленности. Лигносульфонаты используются в качестве связующих в качестве гранулирования только измельченного сырья. Другим важным направление применения полимеров из лигнина при подготовке руды к переработке является ее обогащение методом флотации; в этом случае лигносульфонаты используются в качестве коллектора.

Относительно новым направлением использования лигнинных веществ в металлургической промышленности является повышение выхода ценных металлов из сульфидных и углеродистых руд. Структурные особенности лигнина свидетельствуют о его способности к редокс-каталитическому действию, подобно системе орто-хинон/пирокатехин. Разработанная технология представляет собой применение частично деметоксилированных лигносульфонатов в качестве первичных катализаторов при окислении сульфидных руд, например золота, до оксидов; последние пригодны для переработки по обычной технологии. Для регенерации восстановленного оксиданта в процессе используется воздух.

Эта технология совместима с обычной переработкой цианированием, поэтому не требует каких-либо затрат для осуществления данного способа с использованием лигнина. Препараты для этого процесса по заказам производит патентообладатель, компания LignoTech USA.

Лигносульфонаты в виде кальциевых и натриевых солей широко используются как замедлители цементации нефтяных скважин. Они поддерживают подвижность цементирующего состава необходимый период времени, позволяя ввести его в скважину и осуществить соответствующий монтаж внутри намеченной нефтяной зоны.

Широкое применение лигнин нашел и в агропромышленном секторе. К кормах для животных лигносульфонаты выполняют, главным образом, роль связующего. По существу, они повышают прочность гранул и увеличивают их устойчивость при истирании (абразивную сопротивляемость). Различные виды лигнинов используется в качестве питательных микроэлементов и удобрений. В составе пестицидов лигносульфаты применяются в качестве диспергаторов для предотвращения седиментации во влажных порошках, в концентрированных суспензиях, в диспергированных в воде гранулах.

Исследуются различные методы переработки лигнина в жидкие топлива. Перспективным методом получения жидких углеводородов является совместное термическое превращение лигнина и отходов синтетических полимеров.

В настоящее время накоплен значительный опыт использования лигнина для получения адсорбентов различного назначения. Разработан одностадийный способ получения активных углей из лигнина и других видов растительной биомассы, использующий катализаторы низкотемпературного разложения и парообразующие добавки.

Рассмотрены возможные направления и методы утилизации технических лигнинов - отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Их используют в качестве диспергаторов, эмульгаторов, стабилизаторов, наполнителей, связующих и клеящих веществ, частичных заменителей фенола, добавок к бурильным растворам, бетону, цементу, дубильным веществам, резинам, пластикам, сорбционных материалов. Химическая модификация лигнина позволяет получать новые продукты для различных областей применения, например хлорлигнин и ванилин.

Очевидно, что масштабы использования лигнинов в качестве сырья для получения различных продуктов в ближайшее время должны значительно увеличиться. Это связано как с сырьевыми, так и с экологическими проблемами. Поскольку многие продукты, производимые в больших масштабах из нефти, не разлагаются в естественных условиях, их накопление в биосфере становится одним из серьезных факторов, нарушающих равновесие в окружающей среде. Поэтому важной задачей является создание биоразлагаемых материалов из природных полимеров, в том числе и из лигнина.

Библиографический список

1. Методы утилизации технических лигнинов, В.В. Симонова, Т.Г. Шендрика, Б.Н. Кузнецов, Journal of Siberian Federal University. Chemistry. №4. 2010. С. 340-354.

2. Утилизация лигнинов: достижения, проблемы и перспективы, И.П. Дейнеко, Хтмия растительного сырья №2. 2012. С. 5-20.

3. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков, под ред. П.Д. Богомолова и С.А. Сапотницкого, - М.: Лесная промышленность, 1989.

4. Арбузов В.А. Конструкионные материалы из лигнинных веществ, М.: Экология, 1991.

5. Волчатова И. В., Медведева С. А., Тимофеева С. С. Микробиологическая переработка гидролизного лигнина // Экологически чистые технологические процессы в решении проблем охраны окружающей среды: мат-лы междунар. конф. Иркутск, 1996. Т. 2.

6. Илюшкина Е.С., Конюхов В.Ю. Классификация экологических инноваций // Вестник ИрГТУ 2012г. №7.

7. International Conference on European Science and Technology, Германия: Мюнхен, 2013.

Размещено на Allbest.ru