Влияние электролитов на размер частиц и агрегацию водных дисперсий сульфатного лигнина тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат химических наук Морева, Юлия Леонидовна

• Морева, Юлия Леонидовна
• кандидат химических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат химических наук Морева, Юлия Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ.

1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Получение и применение сульфатного лигнина.

1.2. Строение и свойства сульфатного лигнина.

1.3. Электроповерхностные свойства и агрегация сульфатного лигнина в водных растворах электролитов.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.1.1.Характеристика сульфатного лигнина.

2.2. Методы исследования.

2.2.1. Приготовление рабочих растворов.

2.2.2. Спектрофотометрический метод исследования.

2.2.3 Мембранная фильтрация.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Агрегация CJI под действием соляной кислоты.

3. 2 Агрегация CJT под действием серной кислоты.

3.3 Агрегация CJI под действием хлорида натрия.

3.4 Агрегация CJT под действием хлорида кальция.

3.5 Агрегация CJ1 под действием хлорида и сульфата алюминия.

3.5.1 Агрегация CJI под действием хлорида алюминия.

3.5.2 Агрегация CJI под действием сульфата алюминия.

3.6. Оценка возможности образования динамических мембран при фильтрации дисперсий CJI.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние электролитов на размер частиц и агрегацию водных дисперсий сульфатного лигнина»

Сульфатный лигнин (СЛ) — композиционно неоднородный сетчатый органический сополимер, образующийся как побочный продукт в результате наиболее распространенной сульфатной варки древесины [1]. Он является ценным органическим сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Сравнительно невысокая молекулярная масса и наличие реакционноспособных групп в сочетании с растворимостью в щелочных растворах позволяют использовать С Л в производстве полимеров, как связующий агент при!получении бумажных плит и т.п. [2-6]. В будущем СЛ может стать одним из значимых источников как низкомолекулярных, так и полимерных ценных органических продуктов.

В'настоящее время достигнуты большие'успехи в изучении-строения, свойств и применения С Л, однако вопросы, связанные с изучением' его коллоидно-химических свойств, продолжают оставаться актуальными. Это обусловлено прежде всего тем, что данная информация важна не только для решения широкого круга вопросов химической» технологии переработки древесины [7,8], но и для решения ряда других задач целлюлозно-бумажной промышленности, например, с нахождением новых более экономичных путей его использования [9,10], а также с оптимизацией работы систем! локальной-очистки лигнинсодержащих сточных вод [11-14].

На предприятиях черные щелока, в которых содержится СЛ, сжигаются и при их регенерации получают химические компоненты, используемые вновь в варочных процессах в основной технологии. Однако, как показывает практика, не весь объем черных щелоков извлекается и направляется на регенерацию. В результате обслуживания технологического оборудования и переливов образуются сточные воды с высокими значениями цветности и химического потребления кислорода (ХПК), вызванные присутствием в воде СЛ [15].

СЛ, поступающий в водные объекты со сточными водами, представляет серьезную угрозу для экологии и, в первую очередь, для водных экосистем, за счет роста цветности воды и уменьшения концентрации растворенного в ней кислорода [16,17]. В определенных условиях растворенный в воде лигнин может образовывать агрегаты, способные седиментировать и образовывать донные отложения в водоемах. К этим.условиям относится как изменение рН среды [18], так и присутствие в ней веществ, являющихся коагулянтами,- Существующие системы^ биологической очистки не позволяют достаточно полно выделить С Л из сточных вод, что приводит к его поступлению в водоемы. В связи с этим* крайне важным является исследование свойств разбавленных дисперсий СЛ и, в первую очередь, е закономерностей их агрегативной устойчивости и коагуляции под-действием различных электролитов.

Таким образом, получение новой информации об< агрегативной устойчивости водных дисперсий сульфатного* лигнина и изменении' распределения частиц по размерам при его коагуляции представляет интерес, как для решения прикладных задач, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов, так и для фундаментальной науки, изучающей, в частности, химические свойства компонентов ?древесиньг. Цель

Целью» диссертационной работы являлось исследование влияния вида и концентрации электролитов на агрегативную устойчивость и размер образующихся агрегатов в разбавленных (10мг/л) водных дисперсиях СЛ в широком диапазоне рН методом фильтрации через трековые мембраны. В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

Методом фильтрации через набор трековых мембран с размерами пор от 30 до 3500 нм исследовать агрегативную устойчивость и распределение частиц по размерам разбавленных дисперсий СЛ в водных растворах при введении НС1, Н2804 в широком диапазоне рН (9.5 - 2.0).

Исследовать зависимость изменения агрегативной устойчивости и распределения частиц сульфатного лигнина по размерам при введении электролитов: ЫаС1, СаСЬ (Ю"3, 10"2, 10"' моль/л); А12(804)3 и А1С13 (10"5, 10"4, 10" моль/л) в области рН 9.5-2.0 методом фильтрации через трековые мембраны с размерами пор от 50 до 2500 нм. Научная новизна В ходе данной работы впервые:

- Изучено влияние рН, вида и концентрации электролитов (НС1, Н2804, №ОН, ЫаС1, СаСЬ, А12(804)3 и А1С13) на размеры образующихся агрегатов СЛ.

- Получены гистограммы распределения частиц* СЛ по размерам в его низкоконцентрированных растворах (10мг/л) в интервале рН* (9.5-2.0) и концентраций НС1, Н2804, ИаОН, ИаС1, СаС12, А12(804)3 и А1С13 (Ю"5- 10"' моль/л).

- Показано, что при введении электролитов (НС1, Н2804, ИаО, СаС12, А12(804)3 и А1С13) с ростом их концентрации и понижением рН происходит увеличение размеров образующихся агрегатов СЛ, вызванное сжатием ДЭС и уменьшением электрокинетического потенциала частиц.

Практическая ценность

Полученные данные могут быть использованы для оптимизации существующих и разработки новых систем выделения СЛ при очистке сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности, а также при прогнозировании образования донных отложений лигнинсодержащих примесей в водных объектах.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Морева, Юлия Леонидовна

9. Результаты работы могут быть использованы для прогнозирования переноса лигнинсодержащих примесей в водных объектах и для оптимизации физико-химической доочистки сточных вод на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Морева, Юлия Леонидовна, 2011 год

1. Карманов А.П. Самоорганизация и структурная организация лигнина. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 270 с.

2. Чудаков М.И. Промышленное использование лигнина. Изд. 3-е, испр. и доп., М.: Лесн. пром-ть, 1983. 200 с.

3. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. Т. I. Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 2. Производство полуфабрикатов/ Всерос. НИИ целлюлоз.-бумаж. пром-сти (ВНИИБ); редкол.: П.С. Осипов (отв. ред.) и др. СПб.: Политехника, 2003. 633с.

4. Манская С.М., Кодина Л.А. Геохимия лигнина. М.: Наука, 1975. 232 с.

5. Закис Г.Ф. Функциональный анализ лигнинов и их производных. Рига.: Зинатне, 1987. 230 с.

6. Шорыгина Н.Н., Резников В.М., Елкин В.В. Реакционная способность лигнина. М.: Наука, 1976. 368 с.

7. Бронников С.В. Демьянцева Е.Ю. Статистическое распределение размеров частиц смолы и сульфатного лигнина в водно-щелочном растворе // ЖПХ. 2005. Т. 78, № 3. С. 498-501.

8. Norgren М., Edlund Н., Wagberg L. Aggregation of Lignin Derivatives under Alkaline Conditions. Kinetics and Aggregate Structure / Langmuir. No. 18, 2002. P. 2859-2865.

9. Baumberger S., Lapierre C., Monties B. Utilization of pine kraft lignin in starch composites: impact of structural heterogeneity / J. Agric. Food Chem. No. 46, 1998. P. 2234-2240.

10. Кочева Л.С. Структурная организация и свойства лигнина и целлюлозы травянистых растений семейства злаковых: автореф. дис. . д-ра хим. наук. Архангельск, 2008. 43с.

11. Пилипенко А.Т, Фалендыш Н.Ф., Пархоменко Е.П. Состояние алюминия (III) в водных растворах // Химия и технология воды, 1982. Т. 4. №2. С. 136-147.

12. Драгинский B.JL, Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Науч. изд., 2005. 576с.

13. Шутько А.П., Сороченко В.Ф., Козликовский Я.Б., Гречко В.Й. Очистка воды основными хлоридами алюминия. Киев: Техшка, 1984. 136с.

14. Бабенков, Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. 356 с.

15. Лысогорская Н.П., Демьянцева Е.Ю., Клюбин B.B. О гетерогенности водно-щелочных растворов сульфатного лигнина и смолы древесины // Коллоид, журн., 2002. Т. 64., №3. С. 427-429.

16. Ярополов Н.С., Тищенко Д.В. Изучение вязкости чисто водных растворов сульфатного лигнина //ЖПХ. 1970. № 5. С.1120-1126.

17. Parks George A. The Isoelectric Points of Solid Oxides, Solid Hydroxides, and Aqueous Hidroxo Complex Systems / Chemical Reviews, 1965. No. 65. P. 177-198:

18. Kosmulski M. The pH-Dependent Surface Charging and the Points of Zero Charge / Colloid and Interface Science, 2002. No.253. P. 77-87.

19. Гороновский И.Т. Физико-химическое обоснование автоматизации технологических процессов обработки воды. Киев: Наукова думка, 1975. 215 с.

20. Stamm W., Morgan J. Chemical aspects of coagulation./ J. Amer. Water Works Assoc, 1962. V. 54. P.971-992.

21. Гаркуша Д.Т., Кузнецов П.М., Фогилева P.С. Исследование способности лигнинаv связывать ионы тяжелых металлов // Журн. аналит. химии, 1974. Т.29. С.2295-2297.

22. Новикова JI.H., Кравец Н.А., Артинов Н.Б. Взаимодействие лигнинных веществ с тяжелыми металлами // 7-ая Всесоюзная конференция по химии и использованию лигнина. Тезисы докладов. Рига, 1987. С. 142144.

23. Adhikari М., Chakravorty G., Hazra G.C. Fulvic acid metal complexes / J. Indian Soc. Soil Sci., 1972. V.20., No. 4. P. 311-321.

24. Александрова JI.H. О природе и свойствах продуктов взаимодействия гуминовых кислот и гуматов с полутороокисями. // Почвоведение, 1954. № 1. С. 43-48.

25. Знаменская М.В. Разработка новых композиций алюминиевого коагулянта с целью повышения эффективности очистки природных вод от гумусовых веществ: автореф. дис. . канд. хим. наук. Киев, 1976. 22 с.

26. Труфанова М.В. Коллоидно-химические свойства гетерогенных систем на основе сульфатного мыла и продуктов его переработки: автореф. дис. . канд. хим. наук. Архангельск, 2007. 19с.

27. Селянина С.Б., Селиванова Н.В., Труфанова М.В. Особенности поведения сульфатных лигнинов в растворах // III международная конференция «Физикохимия лигнина»: материалы. Архангельск, 2009. С. 87-99.

28. Селянина С.Б., Труфанова М.В., Афанасьев Н.И., Селиванова Н.В. Поверхностно-активные свойства сульфатных лигнинов //ЖПХ. 2007. Т.80., № 11. С. 1807-1810.

29. Norgren M., Edlund H. Stabilisation of kraft lignin solutions by surfactant additions / Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2001. V. 194. No. 1. P. 239-248.

30. Shulga G, Shakels V., Aniskevicha O., Zakharova J., Skudra S. Interfacial properties of polyelectrolyte complexes incorporating kraft lignin 10(th) EWLP / Holzforschung, 2009. V. 63. No. 6. P. 711-714.

31. Афанасьев Н.И. Селянина С.Б., Селиванова Н.В. Стабилизация эмульсии олеиновая кислота-вода сульфатными лигнинами различной природы //ЖПХ. 2008. Т.81., № 10. С. 1731-1735.

32. Селянина С.Б., Селиванова Н.В. Гидрофильно-олеофильные свойства сульфатного лигнина // ЖПХ. 2007. Т. 80., № 7. С. 1170-1174.

33. Калинкина Н.М. Эколого-токсикологическая оценка опасности сульфатного лигнина для гидробионтов: автореф. дис. . канд. биол. наук. СПб., 1993. 24с.

34. Дягилева А.Б. Электроповерхностные свойства и агрегативная устойчивость сульфатного лигнина в растворах электролитов: дис. . канд. хим. наук. СПб., 1992. 182с.

35. Богомолов Б.Д., Вакорина Н.И., Чудинова Л.С., Попова Г.И. Щелочной сульфатный лигнин — ценное химическое сырье//. Химическая переработка древесины, реферативная информация. Архангельск, 1969. №21. С. 1-3.

36. Быкова Н.И. Исследование зависимости коагулирующей способности ионов свинца и алюминия от их состояния в растворе: дис. . канд. хим. наук. Л., 1983. 173 с.

37. Брок Т. Мембранная фильтрация / пер. с англ. М.: Мир, 1987. 464 с.

38. Брык М.Т., Цапюк Е.А. Ультрафильтрация. Киев: Наук, думка, 1989. 288 с.

39. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978. 251 с.

40. Дубяга В.П., Перепечкин Л.П., Каталевский Е.Е. Полимерные мембраны. М.: Химия, 1981. 232 с.

41. Технологические процессы с применением мембран. / Под ред. Лейси Р., Лёба С. М.: Мир, 1976. 380 с.

42. Дытнерский Ю.И. Барометрические процессы. М.: Химия, 1986. 272 с.

43. Хванг С.Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. М.: Химия, 1981.463 с.

44. Черкасов А.Н., Власова O.JL, Царева C.B., Коликов В.М., Мчедлишвили Б.В. Ультрафильтрация на ядерных фильтрах. // Коллоид, журн. 1990. Т. 52., №2. С. 323-330.

45. Трековые наномембраны нового поколения // "В мире науки", национальный информационный центр по науке и инновациям. 2005. № 12 URL: http://www.sciam.ru/article/2841 / (дата обращения 15.03.2008).

46. Козлов C.B. Динамическая мембрана при ультрафильтрации водных растворов сульфонола в присутстствии хлорида натрия// Структура и динамика молекулярных систем. Ч. 2. 2003. №10. С. 128-130.

47. Tizón В., Boivin Ph., Bayle S., Pradelle H., Bloch J.-F. Ultrafiltration treatment of coating effluents from, paper machine/ 91 Annual Meeting of PAPTAC. Montreal. PAPTAC. 2005. P.l 17-121.

48. Kuula T. Mehr Effizient durch Wasserruckfurung/ Allg. Pap.-Rdsch. 2007. V. 131. No.ll.P: 25-26.

49. Морева. Ю:Л., Алексеева H.C., Чернобережский Ю.М. Исследование зависимости размеров частиц водной дисперсии сульфатного лигнина от pH методом фильтрации на трековых мембранах // Целлюлоза Бумага Картон. 2010. №. 4. С. 54-56.

50. Афанасьев Н.И. , Тельтевская C.E., Макаревич H.A., Парфенова Л.П. Структура и физико-химические свойства лигносульфонатов. Екатеринбург: Уро РАН, 2005. 162 с.

51. Князьков Т.В., Саидов С.С., Борышкевич Л.Д., Субботина З.Е., Кульский Л.А. Динамическое модифицирование ацетатцеллюлозных мембран полимерами // Химия и технология воды. 1986. Т. 8., №2. С. 60-67.

52. Лей И.З., Сарканен К.В. Выделение лигнинов и исследование их строения // Лигнины / Под ред. К.В. Сарканена и К.Х. Людвига. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 487 с.

53. Морева Ю.Л., Алексеева Н.С., Чернобережский Ю.М. Гистограммы распределения частиц сульфатного лигнина по размерам в водных растворах при разных значениях рН // ЖПХ. 2010. Т. 83., № 7.С. 11751177

54. Морева Ю.Л., Алексеева Н.С., Чернобережский Ю.М. Влияние электролитов NaOH, НС1, NaCl и СаСЬ на агрегативную устойчивость водных дисперсий сульфатного лигнина по данным фильтрации через трековые мембраны // Коллоид, журн. 2011.Т. 73., № 3. С. 359-363.

55. Грушников О.П., Елкин B.B. Достижения и проблемы химии лигнина. М.: Наука, 1973. 296 с.

56. Чернобережский Ю.М., Дягилева А.Б. О возможном механизме очистки сточных вод от лигнина сульфатом алюминия // Коллоид, журн. 1993. Т.55., № 6. С.138-139.

57. Чернобережский Ю.М., Атанесян A.A., Дягилева А.Б., Лоренцсон A.B., Лещенко Т.В. Влияние концентрации сульфатного лигнина на агрегативную устойчивость его водных дисперсий // Коллоид, журн. 2002. Т. 64., №5. С. 704-707.

58. Чернобережский Ю.М., Дягилева А.Б., Атанесян А.А, Лещенко Т.В. Влияние концентрации сульфатного лигнина на эффективность его коагуляционного выделения из водных растворов электролитов // ЖПХ. 2002. Т. 75., №.7. С. 1189-1192.

59. Чернобережский Ю.М., Дягилева А.Б. Коагуляция водных растворов лигнина хлоридами натрия и кальция // Коллоид, журн. 1994. Т.56., №2. С.287-289.

60. Hem J.D., Roberson С.Е. / Geol. Surv. Water Supply Pap., A 1967. No. 1827. P. 3-8.

61. Морева Ю.Л., Чернобережский Ю.М. Исследование ультрафильтрационного выделения сульфатного лигнина из его разбавленных водных растворов в присутствии Al2 (SÜ4)3 Н ЖПХ. 2010. Т. 83., № 12. С. 1978-1981.