Изучение способа получения целлюлозы из тростника

Studying the method of obtaining cellulose from cane
Цитировать:
Бабамуратов Б.Э., Тураев Х.Х., Джалилов А.Т. Изучение способа получения целлюлозы из тростника // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2021. 2(80). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/11230 (дата обращения: 14.08.2022).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследован процесс получения целлюлозы из тростника, изучена зависимость степени полимеризации (СП) получаемой α-целлюлозы из тростника от концентрации щелочного раствора.         

Исследовано влияние температуры на выход целлюлозы. Проведен ИК-спектроскопический анализ полученного продукта. Составлены диаграммы завимости выхода целлюлозы и α-целлюлозы от концентрации NaOH при температуре 120 0С.

ABSTRACT

In this article, the process of obtaining cellulose from cane is investigated, the dependence of the degree of polymerization of the obtained α-cellulose from cane on the concentration of an alkaline solution is studied.

The effect of temperature on the cellulose yield has been investigated. IR-spectroscopic analysis of the obtained product was carried out. Diagrams of the dependence of the yield of cellulose and α-cellulose on the concentration of NaOH at a temperature of 120 ° C were made.

 

Ключевые слова: тростник, отбеливание, уровень полимеризации, вискозиметрический метод, ИК- спектроскопия, щелочная варка.

Keywords: cane, bleaching, polymerization rate, viscometric method, IR spectroscopy, alkali boiling.

 

Введение. Целлюлоза, как наиболее широко распространенный природный полимерный материал, является одним из важнейших полуфабрикатов, применяемых в бумажной, текстильной и химической промышленности[1].  

Растения в природе являются источником большого количества целлюлозы, но из-за высокого спроса на целлюлозу и ее производные,  полностью удовлетворить спрос не удаётся. Одним из важных аспектов является решение возникающих проблем за счет рационального использования местного сырья для удовлетворения таких требований [2,3].

Основным растительным сырьем для производства целлюлозы является древесина хвойных, лиственных пород, хлопковое волокно и хлопковый линт. Целлюлозу можно получать и из таких не древесных видов растений, как лён, стебли хлопчатника (гуза-пая), конопля, джут, кенаф и др.[4-6].

Однако, за последние 20-30 лет широкое распространие находят также и однолетние растения: солома ржи, ячменя, пшеницы, риса, тростника и клещевина. За рубежом целлюлозу получают также из бамбука и багассы[7].

Но, несмотря на наличие значительной сырьевой базы, в последнее время, исследователями и технологами ведутся интенсивные поиски новых видов целлюлозосодержащего сырья для получения целлюлозы [8].

Как упоминалось, основными видами целлюзосодержащего сырья являются деревесина лиственных и хвойных пород, а также однолетние растения[9,10] При этом, практическое содержание целлюлозы в них одинаковое (38-43%). Тогда как, содержание лигнина в древесине в 2,5-3 раза больше, чем у однолетних растений, а содержание гемицеллюлоз преобладает в однолетних растениях [11,12].

Дальнейшие исследования проводились по изучению тростникового растения в качестве источника целлюлозы, потому что это растение широко распространено в дикой природе в разных частях Узбекистана.

Предварительными исследоваваниями показано, что в тростнике имеется около 55 % целлюлозы. Поэтому проведение научно-исследовательских работ по разработке технологии получения целлюлозы из тростника, является актуальной задачей.

Целью работы является нахождение оптимальных условий реакций получения α-целлюлозы из однолетнего тростникового растения.

Экспериментальная часть. В данной статье изучался процесс получения целлюлозы из тростника. Для проведения реакции тщательно промыли смесь стеблей и листьев мелко измельченного тростникового растения в дистиллированной воде для удаления песка и других примесей, затем хорошо высушили.

Эксперименты проводили в автоклаве, снабженном мешалкой, термометром и манометром. Работу начали с погружения сырья в щелочной раствор определённой концентрации, для выделения целлюлозы. Процесс набухания занимает около 3 часов. В ходе исследования использовались щелочные растворы разной концентрации. Далее смесь, смоченную щелочью, помещали в автоклав,  плотно закрыли крышку автоклава, включили нагрев. Работы проводились при разной температуре и времени нагрева. По результам анализов пришли к выводу, что наилучший выход целлюлозы получился при температуре 1200С и при времени нагрева 1,5 часа .  Далее работы проводили при нагреве автоклава до температуры  120 °C и поддерживали данную температуру в течение 90 минут. Давление в автоклаве поддерживали на уровне 1–1,5 МПа. В конце процесса получившуюся массу достали из автоклава и тщательно промыли в дистиллированной воде. Во время промывания определяли pH среду промывных вод индикаторной бумагой. Промывали до рН = 7,5. Затем промытую массу поместили в сушильный шкаф для сушки при 40-60 °C. Из-за светло-желтого цвета полученного продукта после сушки, далее проводили процесс отбеливания с использованием свежеприготовленного 3%-ного раствора гипохлорита натрия. Этот процесс проводили в трехгорлой колбе, снабженной мешалкой, термометром, обратным холодильником. Высушенный продукт поместили в колбу, залили раствором гипохлорита натрия, включили мешалку и перемешивали со скоростью 300 об/мин. Температуру поддерживали на уровне 70 °C. Длительность процесса около 1,5-2 часов. Далее полученную массу тщательно промыли дистиллированной водой до  pH=7,5. Полученный продукт высушили в сушильном шкафу при температуре 60-70°C. Получился белый продукт  -  целлюлозное волокно. Полученный продукт взвесили и сравнили с массой сырья для расчета выхода реакции. Выход реакции составил 46,5–51%.

Таблица 1.

Физико-химические показатели получения целлюлозы и степень полимеризации (СП) α-целлюлозы

NaOН, г/л

Темпе-ратура

° C

ᵼ, час

Выход целлюлозы, %

Влаж-

ность,%

Золь-

ность,%

α- целлю-

лоза,%

СП

1.

50

120

1,5

70

2,9

2,4

52,8

990

2.

55

120

1,5

65

3,4

1,8

68,1

985

3.

60

120

1,5

60

3,7

1,2

85,4

970

4.

65

120

1,5

55

3,9

1,0

89,7

920

5.

70

120

1,5

50

4,1

0,95

92,9

850

 

При  получении целлюлозы были проведены исследования щелочной варки тростника с различными концентрациями NaOH, и изучены основные характеристические показатели полученного продукта. Данные приведены в таблице 1.

Графическое представление этой таблицы показано на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Зависимость выхода целлюлозы и α-целлюлозы от концентрации NaOH при температуре 120 0С

 

Как видно на рисунке 1, при температуре 120 0С и концентрации щёлочи 70 г/л получается наибольший выход α-целлюлозы.

Полученную из тростника целлюлозу, анализировали с помощью ИК-спектроскопии (рис.2).

 

Рисунок 2. ИК-спектр полученной целлюлозы

 

ИК-спектр показывает, что в областях 3331 см-1 и 3271 см-1 наблюдаются валентные колебания связей -ОН группы. Поглощение полос в области 2900 см–1 указывает на наличие группы -CН2. Поглощение полос в областях 1001 см–1, 1029 см–1 и 1056 см–1 связано с валентными колебаниями связей -C – C- групп [5].

Выводы

Исследован процесс получения целлюлозы из тростника. Показано, что  выход α-целлюлозы, из листьев и стеблей тростника, получается наилучшим при концентрации щелочи более 70 г/л. Состав и структура целлюлозы исследовались с помощью ИК-спектроскопии, в ИК-спектре появляются пики, соответствующие гидроксильным группам в областях 3321 и 3271 см-1, а также деформационные колебания в области 1040 и 1060 см-1. связей C – C групп.

Степень полимеризации полученной α-целлюлозы уменьшается с увеличением концентрации щелочи от 50 г/л до 70 г/л, соответственно от 990 до 850.

 

Список литературы:

  1. P. Willberg-Keyriläinen, J. Hiltunen, and J. Ropponen, “Production of cellulose carbamate using urea-based deep eutectic solvents,” Cellulose, 2018, doi: 10.1007/s10570-017-1465-9.
  2. G. Rahmonberdiev, M. Murodov, K. Negmatova, A. Lysenko. “Effective Technology of Obtaining The Carboxymethyl Cellulose From Annual Plants”// Materials science and engineering an introduction. –Switzerland, 2012.-pp 541-543.
  3. S. Gan, S. Zakaria, C. H. Chia, R. S. Chen, A. V. Ellis, and H. Kaco, “Highly porous regenerated cellulose hydrogel and aerogel prepared from hydrothermal synthesized cellulose carbamate,” PLoS One, 2017, doi: 10.1371/journal.pone.0173743.
  4. S. Paunonen, T. Kamppuri, L. Katajainen, C. Hohenthal, P. Heikkilä, and A. Harlin, “Environmental impact of cellulose carbamate fibers from chemically recycled cotton,” J. Clean. Prod., 2019, doi: 10.1016/j.jclepro.2019.03.063.
  5. Тарасевич Б.Н. ИК-спектры основных классов органических
    соединений. Справочные материалы. М. МГУ- 2012. – 50-60 с.
  6. W. Dahou, D. Ghemati, A. Oudia, and D. Aliouche, “Preparation and biological characterization of cellulose graft copolymers,” Biochem. Eng. J., 2010, doi: 10.1016/j.bej.2009.10.006.
  7. Aref. I. M. (2005). “Performance of Leucaena lencocephala and Albizia lebbeck trees under low irrigation water in the field.” Journal of the Saudi Society' of Agricultural Sciences 4(1). 51-60.
  8. Lopez F., Garcia М.М., Yanez R., Tapias R. Fernandez М. and Diaz M.J. (2008). “Leucaena species valoration for biomass and paper production in 1 and 2 year harvest,” Bioresource Technologr 99(11). 4846-4853. DOI: 10.1016/J.biortech.2007.09.048.
  9. Hindi S.S.Z., Bakhashwain A.A., and El-Feel A. (2010). “Physico-chemical characterization of some Saudi lignocellulosic natural resources and their suitability for fiber production,” Journal of Meteorology, Environment and Arid Land Agriculture Science 21(2). 45-55. DOI: 10.4197/Met.21-2.4.
  10. Zhang M. Q. (2007). “Polymeric materials from natural resources - Emerging as the times require.” eXPRESS Polymer Letters 1(7). 406-406. DOI: 10.3144/expresspolymlett.2007.57.
  11. Tang L.G., Hon D.N.S., and Zhu Y.Q. (1997). “An investigation in solution acetylation of cellulose by microscopic techniques,” Journal of Applied Polymer Science 64(10). 1953-1960. DOI: 10.1002/(SICI)1097-4628(19970606.
  12. Edgar K.J., Buchanan С.М., Debenham, J S., Rundquist P.A., Seiler B.D. and Shelton М.C. (2001). "Advances in cellulose ester performance and application.” Progress in Polymer Science 26(9). 1605-1688. DOI: 10.1016/S0079-6700(01)00027-2.
Информация об авторах

д-р философии (PhD), доц., Термезский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Термез

Associate Professor of Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez

д-р хим. наук, профессор, Термезский государственный университет, 190111, Республика Узбекистан, г. Термез, улица Ф. Ходжаева, 43

doctor of chemical sciences, professor, Termez State University, 190111, Republic of Uzbekistan, Termez, F.Hojayev str., 43

д-р хим. наук, профессор, академик АН РУз., директор ГУП «Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии», 111116, Узбекистан, Ташкентская область, Зангиатинский район, п/о Шуро-базар

doctor of chemistry, professor, Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, director of the Stat Unitary Enterprise Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology, 111116, Uzbekistan, Tashkent region, Zangiata district, P / o Shuro-bazaar

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top