Изучение способа получения целлюлозы из тростника

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

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.