ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ МЕСТНОГО СЫРЬЯ: БАНАНОВЫХ ВОЛОКОН, РИСОВОЙ ШЕЛУХИ И КАМЫШОВЫХ РАСТЕНИЙ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ПОСТОЯННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

АННОТАЦИЯ

Данное исследование посвящено изучению процессов получения препарата КАРБОКРАХМА-ПАЦ, который используется в качестве стабилизатора и эмульгатора для различных отраслей промышленности, на основе целлюлозы местных сырьевых ресурсов — банановых стеблей, рисовой шелухи и тростниковых растений. В ходе исследования были определены возможности оптимизации процесса получения на основе анализа различных параметров. Также была создана возможность точного определения качественных показателей продукции. В результате было расширено применение продуктов на основе целлюлозы, значительно улучшены их качественные характеристики, что, в свою очередь, способствует поддержке местного производства и повышению экономической эффективности. Данная работа направлена на улучшение технологических процессов производства инновационной продукции — КАРБОКРАХМА-ПАЦ из целлюлозы банановых стеблей, рисовой шелухи и тростниковых растений, обеспечивая при этом высокое качество продукции при повышении ее производительности.

ABSTRACT

This study is devoted to the examination of the processes involved in producing the CARBOCRAX-PATS compound, which is used as a stabilizer and emulsifier for various industrial sectors, based on cellulose from local raw materials such as banana stems, rice husks, and reed plants. The research identified opportunities to optimize the production process based on the analysis of various parameters. It also enabled precise determination of the product quality indicators. As a result, the application of cellulose-based products was expanded, significantly improving their quality characteristics, which in turn supports local production and increases economic efficiency. This work aims to enhance the technological processes of producing innovative products — CARBOCRAX-PATS from cellulose of banana stems, rice husks, and reed plants, ensuring high product quality while increasing productivity.

Ключевые слова: местное сырье, волокна бананов, рисовая шелуха, камышовые растения, целлюлоза, щелочная варка, процесс отбеливания с различными реагентами, карбоксиметилцеллюлоза, мебельная промышленность, текстильные волокнистые отходы, карбоксиметилцеллюлоза, полианионная целлюлоза, количество основного вещества, степень замещения, степень полимеризации, пентозаны, влажность, концентрация, параметр, оптимальные условия, деструкция, щелочной осадок, вспениваемость, содержание золы.

Keywords: local raw materials, banana fibers, rice husk, reed plants, cellulose, alkaline cooking, bleaching process with various reagents, carboxymethylcellulose, furniture industry, textile fibrous waste, carboxymethylcellulose, polyanionic cellulose, amount of the main substance, degree of substitution, degree of polymerization, pentosans, moisture, concentration, parameter, optimal conditions, destruction, alkaline residue, foamability, ash content.

Введение: Были проведены несколько практических исследований процесса получения препарата КАРБОКРАХМА-ПАЦ, используемого в качестве стабилизатора и эмульгатора для различных отраслей на основе целлюлозы из банановых волокон, рисовой шелухи, камышовых растений. Исследования были направлены на изучение процессов химической переработки местного сырья для выделения подходящей целлюлозы, оптимизацию параметров процессов, в частности, изучение влияния различных параметров на качество выделяемой целлюлозы во время щелочной варки и определение оптимальной длительности процесса [1].

В таблице исследовано влияние концентрации щелочи на качественные показатели целлюлозы, полученной из банановых волокон. Оптимальные условия для выделения целлюлозы из содержимого стеблей были определены на основе математического моделирования. Так, в результате двухстадийной делигнификации выход целлюлозы составил 53,4%, содержание золы – 0,71%, степень полимеризации достигла 940. В качестве оптимальных условий была выбрана концентрация щелочи 20 г/л, что было включено в руководство по моделированию.

Таблица 1.

Влияние концентрации NaOH на качественные показатели целлюлозы, полученной из банановых волокон

Таблица 2.

Влияние времени варки на качественные показатели целлюлозы из камыша (40 г/л NaOH)

В таблице по результатам математического моделирования были определены нормы расхода сырья и химических реагентов в процессе выделения целлюлозы из камыша. Таким образом, для выделения целлюлозы из камыша было выбрано время щелочной варки в 180 минут. При этом выход целлюлозы составил 43,2%, содержание золы – 7,4%, степень полимеризации – 950. В качестве оптимальных условий было установлено время процесса делигнификации в 180 минут.

Таблица 3.

Влияние времени кислотного (HNO3) гидролиза на качественные показатели целлюлозы, выделенной из рисовой шелухи натронным методом.

В представленной выше таблице описывается влияние времени кислотного (HNO3) гидролиза на качественные показатели целлюлозы, выделенной из рисовой шелухи натронным методом. Оптимальные условия для выделения целлюлозы из состава шелухи были определены на основе математического моделирования. В результате делигнификации, выход целлюлозы составил 34.8%, содержание золы - 2.7%, степень полимеризации - 680, степень белизны -78%. Как оптимальное условие было выбрано время кислотного гидролиза 16 часов [2-4].

Также в тексте упоминается о процессе оптимизации различных параметров в процессе получения КАБОКРАХМА-ПАЦ, нацеленном на заранее точное определение качественных показателей продукта. Исследования по баритовым взвешивателям для буровых растворов включали модификацию баритовых концентратов, полученных, в том числе, из месторождений Узбекистана, чтобы улучшить их свойства и снизить зависимость от импорта. Это исследование направлено на разработку технологий модификации баритовых взвешивателей для улучшения качества буровых растворов и продвижение использования местных ресурсов в этой сфере [5-6].

Для буровых растворов потребность в баритовых взвешивателях со стороны компании "Uzbekneftegaz" составляет 30 тысяч тонн в год. Эта потребность ранее удовлетворялась за счет импорта из Республики Казахстан за значительные валютные средства. После принятия постановления Кабинета Министров от 12 ноября 2009 года №296, в нашей стране было начато широкомасштабное производство барита и баритовых концентратов.

Методология

В рамках этого исследования проводились работы по модификации баритовых концентратов для использования в качестве взвешивателей при бурении нефтяных и газовых скважин, а также для уплотнения и предотвращения проникновения подземных вод в нефтяные скважины в процессе бурения. Основные исследования в этой области были проведены в лабораторных условиях, и полученные результаты показали положительные характеристики для основного сырья, используемого в буровых растворах, в частности КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза) и ПАЦ (полианионная целлюлоза), которые специализированные производственные цеха наладили в производстве. Полученные результаты были подтверждены с помощью оборудования на производстве и получили положительную оценку [7].

В процессе разработки технологии модификации баритовых взвешивателей для буровых растворов, которые обладают улучшенными характеристиками, использовались барит и баритовые концентраты, добываемые в таких регионах Узбекистана, как Жиззахская область (Учкулач), Ташкентская область (Сарыбулак и Кушрабад). Исследование этих ресурсов проводилось с 2008 года в лабораторных условиях, чтобы изучить их свойства и возможности применения.

Компания "Ўзгеобурнефтгаз" в сотрудничестве с "Neftegazmineral" ведёт работы по добыче и переработке баритовых руд с месторождения "Сарыбулак", на основе лицензии № TV-0198, выданной государством. В месторождении "Сарыбулак" были обнаружены значительные запасы барита категорий C1 и C2, превышающие 38,7 тысяч тонн. Эти запасы соответствуют государственным стандартам ГОСТ 4682-84. На протяжении более десяти лет ведутся работы по разработке технологии модификации баритовых взвешивателей, использующих барит концентрат КБ-6 с месторождений "Сарыбулак", который отвечает требованиям указанного ГОСТа[8].

Участие барита в составе буровых растворов не только как альтернатива бентониту и утяжелителя, но и его влияние на снижение деструкции элементов полимерной макромолекулы в процессе бурения, приводит к значительному уменьшению проницаемости для воды. Это важно, поскольку уменьшение проницаемости помогает предотвратить утечку подземных вод в нефтяные скважины, что критически важно для эффективности бурения.

При этом ключевую роль играет использование местных ресурсов целлюлозы, а именно её производных - полианионной целлюлозы (ПАЦ) и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), обладающих высокой молекулярной массой. Эти вещества были синтезированы и направлены на использование в составе буровых растворов на основе баритовых концентратов. Это подчеркивает значимость инновационного подхода в использовании местного сырья для улучшения свойств буровых растворов и способствует повышению эффективности буровых операций за счет улучшения свойств используемых материалов [9].

Этот инновационный состав посвящен решению проблемы разработки технологии модификации баритосодержащих взвешивающих агентов для буровых растворов, принадлежащих АО "Узбекнефтегаз", с использованием местного сырья для улучшения характеристик буровых скважин. Это направлено на стимулирование использования барита и баритовых концентратов, добываемых в таких местах, как Учкулач в Джизакской области, Сарыбулак и Кушрабад в Ташкентской области, что, в свою очередь, способствует значительному сокращению потока импортируемых баритовых концентратов из государств с развитой добычей барита, включая Казахстан. Это также направлено на решение проблем в сфере и на содействие локализации производства органических и неорганических веществ, способствуя разработке и внедрению инновационных технологий. Ученые инновационного отдела Ташкентского института химии и технологий активно сотрудничают с производственными представителями для реализации этих разработок. В частности, в разработке технологии модификации баритовых взвешивающих агентов для буровых растворов, где карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и полианионная целлюлоза (ПАЦ) играют ключевую роль в обеспечении стабильности фазы, было синтезировано более 40 марок для достижения оптимальных параметров [10].

Ниже приведена основная технологическая схема получения различных марок целлюлозы, пригодной для химической переработки из местного сырья - камыша, и на их основе - получение органических материалов.

Из камыша и отходов хлопкоочистительных заводов получают целлюлозу, пригодную для химической переработки, а также на их основе – органические материалы с использованием инновационной технологии

Рисунок 1. Принципиальная СХЕМА этого процесса

1 - целлюлозу содержащее растение, 2 - специальная мельница для дробления на частицы, 3 - смеситель, 4 - котел для варки, 5 - центрифуга, 6 - моноаппарат, 7 - камера этерификации, 8 - сушильная камера, 9 - циклон, 10 - мельница и склад готовой продукции, 11 - смеситель для щелочной жижи-лигнина и отделение осаждения, 12 - циклон для подготовки технической КМЦ к экстракции, 13 - резервуары для экстракции, 14 - центрифуга, 14-А - сушильная камера, 14-Б - циклон и специальная мельница, 15 - отделения для подготовки состава медицинского гипса для фракций, 16 - емкость смесителя для композитной смеси, 17 - специальное устройство для получения медицинского гипса, 18 - отделение упаковки и хранения готовой продукции

Эта технология кратко описывается следующим образом: из однолетних и многолетних растений, содержащих целлюлозу, а также из волокнистых отходов промышленных предприятий, получают различные качественные показатели сырой целлюлозы (1), которая с помощью транспортера поступает в специальные мельницы (2) для разделения на разные фракции. Отделенное сырье помещается в котел для варки (4), где проводится процесс щелочного варения-приготовления. Отделенная целлюлоза отжимается с помощью центрифуг (5) и направляется непосредственно в процесс получения простого эфира целлюлозы, то есть процесс получения технической КМЦ в Моноаппарат (6). Здесь она мерсеризуется с помощью щелочи, алкилируется солью натриймонохлорацетата и проходит процесс этерификации (7), после чего сушится в сушильном агрегате (8) и измельчается в специальных мельницах (9), готовая продукция размещается на складе (10) [11].

Полученный технический ПАЦ направляется в процесс экстракции с целью его использования в качестве связующего и стабилизирующего компонента в композитной смеси для строительного гипса, необходимого в медицинских отраслях. В экстракционных установках (13) Н-ПАЦ марки Е-466 промывается в определенных концентрациях этилового спирта, отжимается с помощью центрифуг (14), сушится (14-А), измельчается (14-Б) и направляется в процесс получения медицинского гипса. Здесь он загружается в смеситель (16) и переносится в специальное устройство для получения медицинского гипса (17), где процесс осуществляется. После этого готовый медицинский гипс отправляется в упаковочные отделения (18).

Согласно вышеописанной технологии, стабилизатор ПАЦ позволяет модифицировать баритовые концентраты в составе бурового раствора вместе с другими добавками, увеличивая плотность раствора и обеспечивая необходимые параметры его утяжеления. Это, в свою очередь, способствует значительному снижению потребности республики в компонентах для буровых растворов и вносит вклад в экономическое развитие.

Цель этого исследования-инновационной композиции состоит в том, чтобы в процессе бурения нефтегазовых скважин, обладающих глинистыми пластами, разработать модифицированную фракцию баритовых загустителей с усовершенствованными характеристиками для буровых смесей, принадлежащих АО "Узбекнефтегаз". Основываясь на исследованиях, была разработана технология, которая позволила улучшить свойства баритовых загустителей в несколько раз, в частности, водопоглощение составило 4,2 см³ за 30 минут, а pH составил от 9 до 11. В дальнейшем планируется представить эти результаты для испытаний на объектах нефтебурения, принадлежащих АО "Узбурнефтгаз".

Результаты обсуждений и заключение

Также были проведены исследования по химической переработке целлюлозы из такого местного сырья, как банановые волокна, рисовая шелуха и камыш, с целью выявления оптимальных технологических последовательностей и влияния различных параметров на процесс. Эти исследования направлены на получение препарата КАРБОКРАХМА-ПАЦ, который используется в различных отраслях промышленности в качестве стабилизатора и эмульгатора [9-11].

Для производства карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в качестве сырья используется натриевая соль уксусной кислоты и сульфат целлюлозы. В промышленных условиях для получения КМЦ целлюлоза обрабатывается раствором щелочи при комнатной температуре, мерсеризуется, измельчается и разделяется на волокна. Затем к ней добавляется натриевая соль хлоруксусной кислоты при температуре 35-40°C, в результате чего образуется КМЦ.

[C₆H₇O₂(OH)₃*NaOH]_n+ClCH₂COONa

В промышленности используемый эфир имеет значение у=0,5-1,2, то есть g=50-120. Натриевая соль КМЦ представляет собой твердое вещество белого или желтоватого цвета. КМЦ является гигроскопичной по отношению к целлюлозе и может абсорбировать до 12 процентов воды в обычных условиях. Вообще, свойства КМЦ зависят от степени её этерификации. Например, КМЦ со степенью этерификации 50 и выше растворяется в разбавленном растворе щелочи. КМЦ используется как стабилизатор в растворах, применяемых при бурении нефтяных скважин. Поскольку соль эфира растворима в воде, она также используется в технических целях вместо крахмала. Растворы соли эфира широко применяются в текстильной промышленности для обработки пряжи, обогащении драгоценных руд и производстве клея. Кроме того, КМЦ используется для производства синтетического мыла и улучшения качества бумаги.

Таблица 4.

Зависимость степени замещения КМЦ от соотношения реагентов (целлюлоза : NaOH : вода=1:2:12 моль).

Степень замещения КМЦ в основном контролируется соотношением целлюлозы и натриймонохлорацетата, при этом содержание воды и концентрация щелочи в алкалицеллюлозе также играют важную роль.

Таблица 5.

Изменение показателей КАРБО-ПАЦ, полученного из банановой целлюлозы, в зависимости от концентрации гидроксида натрия и расхода молей НаМХСК.

Исследования физико-химических свойств полученного эфира целлюлозы, а также его применения в качестве эмульгатора и стабилизатора

На основе практических результатов вышеуказанных диссертационных исследований были получены целлюлоза и её продукты, в частности КАРБО-ПАЦ и его техническая марка. Исследования направлены на применение в качестве эмульгатора и стабилизатора, и были достигнуты практические аналитические методологические подходы к исследованию их физико-химических свойств[11-12].

Список литературы:

1. M.M. Murodov, E.R. Rahmatov, M.N.Eshonqulov. “Study of the processes of obtaining several brands of cellulose based on local raw materials ” // Web of Synergy: International Interdisciplinary Research Journal ISSN: 2835-3013. Volume 2 Issue 2, Year 2023 ISSN: 2835-3013.
2. M.M. Murodov, E.R. Rahmatov, M.N.Eshonqulov. “ Innovative technology of producing high purity carboxymethyl cellulose based on cellulose of pavlonia tree ” // Web of Synergy: International Interdisciplinary Research Journal ISSN: 2835-3013. Volume 2 Issue 2, Year 2023 ISSN: 2835-3013.
3. Bekkulov, J., Ibragimov, B., & Eshonkulov, M. (2021). Mathematical model of the trajectory of moving control objects. In Технические науки: проблемы и решения (pp. 110-116).
4. Sherbоevich, B. Z. (2023). Advanced control system for the drying process of potassium chloride in a drum dryer. pedagogs, 46(2), 48-54.
5. M.M. Murodov, E.R. Rahmatov, M.N.Eshonqulov. “Mahalliy xom ashyo kavrak o‘simligi asosida yuqori tozalikdagi sellyuloza markalarini ajratib olish
   jarayonida turli parametrlarning ta’sirini tadqiq etish.”// Journal of Advanced Research and Stability Volume: 03 Issue: 02 | fab – 2023. ISSN: 2181-2608.
6. M.M. Murodov, E.R. Rahmatov, M.N.Eshonqulov. “Kislotali gidroliz vaqtini (τ) kavrak o‘simligi poya qismidan ajratib olingan sellyulozasining sifat ko‘rsatkichlariga ta’siri.”// Journal of Advanced Research and Stability Volume: 03 Issue: 02 | fab – 2023. ISSN: 2181-2608.
7. M.M. Murodov, E.R. Rahmatov, M.N.Eshonqulov. “Kavrak o‘simligidan  olingan kimyoviy qayta ishlashga yaroqli sellyuloza markalarining ayrim sifat ko‘rsatkichlariga oqartirish reagentlarini ta’sirini o‘rganish, uning tadqiqi.”// Journal of Advanced Research and Stability Volume: 03 Issue: 02 | fab – 2023. ISSN: 2181-2608.
8. Эшонқулов, М. Н. (2023). ЦЕЛЛЮЛOЗAНИНГ, OДДИЙ ВA МУPAККAБ ЭФИPЛAPИ OЛИШДA МАҲАЛЛИЙ ХOМ AШЁЛАРДАН ФOЙДAЛAНИШ ИСТИҚБOЛЛAPИ. Educational Research in Universal Sciences, 2(14), 891-896.
9. Эшонқулов, М.Н. (2023). МAҲAЛЛЛИЙ ХOМ AШЁ БAНAН ПOЯСИ, ГУРУЧ ПOҲOЛИНИ ТAҲЛИЛ ҚИЛИШ УСУЛЛAРИНИ ЎРГAНИШ. Educational Research in Universal Sciences, 2(17), 185-191.
10.  Алмарданов, Х. А., Хатамов, И. А., Тураев, З. Б., Эшонқулов, М. Н. У., Жовлиев, С. М. У., & Юсупов, Р. Э. (2021). Применение солнечных концентраторов для приема альтернативного топлива через устройство гелиопиролиза. Universum: технические науки, (3-4 (84)), 8-11.
11. Юсупбеков, Н., & Беккулов, Ж. (2023, January). Технологические процесса производства калийных удобрений как объекта контроля и управления. In Международная конференция академических наук (Vol. 2, No. 1, pp. 57-64).
12. Murodov, M. M., Eshonqulov, M. N., & Ergashev, S. T. (2021, July). Control of optimal parameters in the synthesis of organic substances from local raw materials and products based on their basis. In Archive of Conferences (pp. 70-73).