СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Литературная часть

1.1 Древесина березы. Состав, структура

1.2 Традиционные способы получения целлюлозы

1.2.1 Сульфатный метод

1.2.2 Сульфитный метод

1.3 Альтернативные способы получения целлюлозы

2. Экспериментальная часть

2.1 Реактивы и оборудование

2.2 Методика эксперимента

2.3 Расчет выхода целлюлозного продукта

2.4 Методика определения лигнина с 72%-ной серной кислотой

в модификации Комарова

2.5 Методика определения легкогидролизуемых полисахаридов

2.6 Определение массовой доли РВ в гидролизатах по методу

Макэна и Шоорля

2.7

3 Результаты и обсуждение

Выводы

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Большие масштабы производства целлюлозы во всем мире приводят ежегодно к попаданию в окружающую среду миллионов тонн серы в виде сероводорода, органических сульфидов, сернистого ангидрида и других вредных соединений. В связи с этим актуальна задача совершенствования методов получения целлюлозы. Необходимым условием дальнейшего развития отрасли является снижение отрицательного воздействия предприятий на окружающую среду.

Одним из путей решения экологических проблем является создание принципиально новых способов получения целлюлозы, которые связаны с разработкой новых процессов делигнификации древесины, обеспечивающих повышение выхода и улучшения качества целлюлозы, а также экологическую безопасность ее производства.

В качестве альтернативных методов все чаще применяются каталитические методы делигнификации древесины. С целью уменьшения загрязнения окружающего фона применяются катализаторы и экологически чистые реагенты, такие как молекулярный кислород, пероксид водорода, озон. Такой процесс обычно проводится в среде органических кислот или спиртов.

На базе ИХХТ СО РАН разработан метод окислительной делигнификации древесины в среде «уксусная кислота – пероксид водорода – вода –катализатор TiO₂». Это позволилоснизить концентрацию пероксида водорода в реакционной смеси до 4–6%относительно массы абсолютно сухой древесины, продолжительность варки, а также возможность получения качественного целлюлозного продукта в одну стадию с небольшим содержанием остаточного лигнина.

Целью данной работы являлось изучение возможности получения качественной целлюлозы окислительной делигнификацией древесины березы в среде «уксусная кислота – пероксид водорода – вода –катализатор TiO₂» при атмосферном давлении и определение оптимального режима процесса делигнификации.

Глава 1 литературная часть

1.1 Древесина березы. Состав, структура

Древесина является уникальным сырьем, постоянно возобновляемым в процессе фотосинтеза, и комплексное использование всей ее биомассы представляет собой важнейшую задачу с позиций экономики и экологической обстановки в мире.

Для химической переработки древесина интересна комплексом природных органических полимеров - целлюлозы, нецеллюлозных полисахаридов, лигнина, а также разнообразных низкомолекулярных соединений - экстрактивных веществ. Химические компоненты древесины представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Химические компоненты древесины

Древесина состоит из комплекса органических веществ, в состав которых входит углерод (49,5%), кислород (44,1%), водород (6,3%) и азот (0,1%), которые образуют сложные органические вещества. Органические вещества обычно называют экстрактивными. Основные из них - целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы - пентозаны и гексозаны, составляющие 90-95% массы абсолютно сухой древесины и образующие клеточную оболочку.

Структурные компоненты подразделяют на углеводную и ароматическую части. Углеводная часть, представляющая комплекс полисахаридов, называется холоцеллюлозой. Ее можно выделить из древесины обработкой окислителями, при этом вещества ароматического характера переходят в растворимые продукты, а в остатке получается волокнистый материал - холоцеллюлоза.

В хвойной древесине массовая доля холоцеллюлозы составляет около 70%, в лиственной - около 80%.В состав холоцеллюлозы входят основной компонент древесины - целлюлоза (рисунок 2) и нецеллюлозные полисахариды - гемицеллюлозы.

Углеводную (гидролизуемую) часть в свою очередь можно подразделить на:

• Трудногидролизуемые вещества

Представитель - целлюлоза, она гидролизуется лишь при действии концентрированных кислот (например, 72%-ной H₂SO₄). При ее гидролизе получается D-глюкоза.

• Легкогидролизуемые вещества.

Представитель - гемицеллюлоза. Она гидролизуется при действии разбавленных кислот (например, 2 - 5%-ной HCl или H₂SO₄). Продуктами гидролиза являются различные моносахариды - пентозы (D-ксилоза и L-арабиноза), гексозы (D-манноза и D-галактоза) и некоторые гексуроновые кислоты (D-глюкуроновая и D-галактуроновая).

В среднем можно принять, что в древесине хвойных пород содержится 48—56% целлюлозы, 26—30% лигнина, 23—26% гемицеллюлоз (10—12% пентозанов и около 13% гексозанов); в то же время древесина лиственных пород содержит 46—48% целлюлозы, 19—28% лигнина, 26—35% гемицеллюлоз (23—29% пентозанов и 3—6% гексозанов). Из этих данных видно, что древесина хвойных пород содержит повышенное количество целлюлозы и гексозанов, а для древесины лиственных пород характерно высокое содержание пентозанов.

Целлюлоза - это полисахарид, макромолекула которого построена из повторяющихся звеньев - остатков β-D-глюкопиранозы с общей формулой (С₆Н₁₀О₅)_n.

Макромолекулы гемицеллюлоз построены из остатков различных моносахаридов, пентоз и гексоз, а также уроновых кислот.Большей частью все нецеллюлозные полисахариды - смешанные полисахариды. В анализе древесины их условно подразделяют на пентозаны (C₅H₈O₄)_n и гексозаны (C₆H₁₀O₅)_n.

Рисунок 2 – Строение целлюлозы

Ароматическая часть древесины – лигнин. Он представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения фенольной природы, построенных из мономерных звеньев, называемых фенилпропановыми структурными единицами (рисунок 3). Эта часть древесины является негидролизуемой.Она получается в остатке после обработки древесины концентрированной кислотой. Массовая доля лигнина в древесине составляет 20...30% .

1 – п-гидроксифенилпропановая; 2 – гваяцилпропановая;

3 – сирингилпропановая [9]

Рисунок 3 – Структурные единицы лигнинов

Экстрактивные вещества - вещества, которые можно извлекать (экстрагировать)из древесины нейтральными полярными и неполярными растворителями (вода или органические растворители), они составляют примерно около 3-4 %.