ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРАСТВОРИМОГО НИТРОЛИГНИНА ИЗ ГИДРОЛИЗНЫХ ЛИГНИНОВ ПО СУХОМУ МЕТОДУ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены оптимальные условия получения нитролигнинов сухим методом из гидролизных лигнинов (ГЛ) рисовой шелухи, древесных опилок и шелухи семян хлопчатника. Для оценки степени влияния параметров на процесс нитрования исследуемых ГЛ по сухому методу мы применяли метод математического планирования эксперимента по Боксу–Уильсону. Установлены следующие условия нитровании изучаемых ГЛ: концентрация меланжа – 50 %,  который содержит в составе 50,2 % H₂O; 45 % HNO₃ ; 4,8 % H₂SO₄; соотношения ГЛ : меланжа – 1:4; продолжительность перемешивании – 6 ч; размер частиц ГЛ – 2 мм; скорость вращения мешалки при перемешивания – 20 обр/мин

ABSTRACT

The article presents the optimal conditions for obtaining nitrolignins by the dry method from hydrolyzed lignins (GL) of rice husk, sawdust and husk of cotton seeds. To assess the degree of influence of the parameters on the nitration process of the studied GL using the dry method, we used the method of mathematical planning of the Box–Wilson experiment. The following conditions for nitration of the studied GL have been established: the concentration of melange is 50 %, which contains 50.2 % H2O; 45 % HNO3; 4.8 % H2SO4; the ratio of GL: melange is 1:4; the duration of stirring is 6 hours; the particle size of GL is 2 mm; the speed of rotation of the agitator during mixing is 20 rpm

Ключевые слова: гидролизный лигнин, меланж, нитрование, нитролигнин, растворимый лигнин.

Keywords: hydrolysis lignin, melange, nitration, nitrolignin, soluble lignin.

Введение

В Институте химии растительных веществ АН РУз разработан препарат «Рослин», обладающий свойством регулятора роста растений. Получение «Рослина» включает в себя следующие этапы: окислительное нитрование лигнина, получение водорастворимой фракции нитролигнина (НЛ), омыление волокна нитрон, сополимеризация водорастворимого НЛ и нитрона [1].

Ранее сообщали результаты изучения химического состава гидролизных лигнинов рисовой лузги (ГЛРЛ), древесных опилок (ГЛДО) и шелухи семян хлопчатника (ГЛШСХ) для получения характеристик этого многотоннажного сырья как основы для его дальнейшей переработки и выявление оптимальных условий получения нитролигнина из указанных гидролизных лигнинов мокрым методом в жидкой среде [9]. Существуют два способа производства нитролигнина: сухой и мокрый [4; 5; 7; 10]. По мокрому способу нитролигнин получают путем окисления и нитрования технических лигнинов нитросмесью, содержащей различные соотношения азотной и других минеральных кислот, таких как H₂SO₄, H₃PO₄ [10].

По сухому способу технические лигнины обрабатывают концентрированной азотной кислотой при перемешивании [6; 9].

Цель исследования – изучение выявления оптимальных условий получения нитролигнина из гидролизных лигнинов рисовой лузги, древесных опилок и шелухи семян хлопчатника сухим методом.

Материалы и методы исследований

В качестве основных образцов для исследований использовали ГЛРЛ и ГЛДО из хранилищ ГЛ Янгиюльского биохимического завода, ГЛШСХ – из Андижанского гидролизного завода. 

Для оценки степени влияния параметров на процесс нитрования исследуемых ГЛ по сухому методу мы применяли метод математического планирования эксперимента по Боксу–Уильсону [3].

Параметром оптимизации служил выход НЛ, растворяющийся в 2 %-ном щелочном растворе, % к массе ГЛ, так как он является основным показателем получаемого НЛ. Во всех опытах количество сырья и метод выделения были идентичными. В опытах использовали по 0,1 кг ГЛ.

Результаты и обсуждение

На основе априорной информации (в данном случае результатов приведенных в научной  литературе) выбрали следующие факторы, в наибольшей степени, влияющие на процесс нитрования ГЛ по сухому методу: концентрация меланжа – Х₁; соотношения ГЛ: меланжа – Х₂; продолжительность перемешивания – Х₃; размер частиц ГЛ – Х₄; скорость вращения мешалки при перемешивания – Х_5.

Для выбранных факторов установили основные уровни и интервалы варьирования (табл. 1). Матрицы планирования экспериментов и полученных результатов приведены в таблице 2.

Таблица 1.

Факторы и интервалы варьирования

Установлены два уровня пяти факторов с применением планирования типа 2^5-2 с генерирующими соотношениями Х₄ = Х₁ ^. Х₂ и Х₅ = Х₂   Х₃.

Получили следующие коэффициенты регрессии (b_i):

Получили следующие уравнения регрессии:

Таблица 2.

Матрица планирования экспериментов

Чтобы убедиться в правильности проведения эксперимента, адекватности полученной модели, провели статистическую обработку полученных данных (табл. 3).

Результаты расчетов показали, что все дисперсии однородны:

Определяли дисперсию воспроизводимости и получили следующие показатели:

ГЛШСХ: S_y² = 3,9307;    ГЛРЛ: S_y² = 0,7330;    ГЛДО: S_y² = 0,9077

Находили дисперсию адекватности:

ГЛШСХ: S_ад² = 15,5002;    ГЛРЛ: S_ад² = 2,0340;    ГЛДО: S_ад² = 1,6949

Таблица 3.

Статистический анализ

При статистической обработке полученных данных установили, что все полученные модели адекватны:

На основе полученных результатов находили доверительный интервал варьирования (∆b_i ):

 ГЛШСХ: ∆b_i = 2,2304;    ГЛРЛ: ∆b_i = 0,9632;    ГЛДО: ∆b_i = 1,0718

Из чего следует, что коэффициенты полученного уравнения (b_i) больше доверительного интервала варьирования (∆b_i), следовательно, все рассмотренные факторы значимы.

Как видно из таблицы 2, во всех изучаемых ГЛ максимальный выход НЛ, растворяющегося в щелочном растворе, получен в опыте 4.

Выводы

Таким образом, проведенными исследованиями методом математического планирования эксперимента выявлены оптимальные следующие условия нитрования изучаемых ГЛ по сухому методу: 

• концентрация меланжа – 50 %, который содержит в составе 50,2 % H₂O; 45 % HNO₃ ; 4,8 % H₂SO₄;
• соотношения ГЛ : меланжа – 1 : 4;
• продолжительность перемешивания – 6 ч;
• размер частиц ГЛ – 2 мм;
• скорость вращения мешалки – 20 обр/мин_.

Список литературы:

1. А.С. 1649798 (СССР). Способ получение водорастворимого производного лигнина / Абдуазимов Х.А, Умаров А.А., Соипов З.К., Хамидов М.Х., Азимов Э.Г. // Откр. Изобрет. – 1991. – №18. – С. 245.
2. Абдуазимов Б.Б., Биковенс О.Э., Нейберте Б.Я., Халилов Р.М. Химический состав гидролизных лигнинов рисовой лузги, древесных опилок, шелухи семян хлопчатника гидролизных заводов Узбекистана и оптимальные условия получения водорастворимого нитролигнина // Химия растительного сырья. – 2024. – №2. – С. 76–88. DOI: 10.14258/jcprm.20240213170.
3. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. – М., 1978. – 319 c.
4. Гисматулина Ю.А., Будаева В.В. Азотнокислый способ получения целлюлозы // Ползуновский вестник. – 2016. – Т.1. – №4. –  С. 174– 178.
5. Крутов С.М., Возняковский А.П., Грибков И.В., Шугалей И.В. Пути решения проблемы лигниновых отходов: прошлое, настоящее и будущее // Экологическая химия. – 2014. – T. 23(3). – C. 145–158.
6. Патент РБ BY 3407 C1. Способ обработки технического гидролизного лигнина // Косяк А. П., Горский Г. М., Зильберглейт М.А., Марцуль В.Н., Кебич М.С., Кандыбович И. И., Козлов В. П., Опубликовано: 30.06.2000. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://by.patents.su/4-3407-sposob-obrabotki-tehnicheskogo-gidroliznogo-lignina.html(дата обращения 10.11.2024).
7. Судакова И. Г., Левданский А. В., Кузнецов Б. Н. Методы химической и термохимической переработки гидролизного лигнина // Журнал СФУ. – Химия. – 2021. – №2. – С. 263–275.
8. Цветков М.В., Салганский Е.А. Лигнин: Направления использования и способы утилизации // Журнал прикладной химии. – 2018. – Т. 91(7). – С. 988–997.
9. Чудаков М.И. Промышленное использование лигнина. – изд. 3-е – Москва: Лесная промышленность, 1983. – 200 с.
10. Шорыгина Н.Н., Резников В.М., Елкин В.В. Реакционная способность лигнина. – Москва: Наука, 1976. – 368 с.