ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОЛЛАГЕНОВЫХ ГИДРОЛИЗАТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ХРОМИРОВАННЫХ ОТХОДОВ КОЖЕВЕННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В КАЧЕСТВЕ КЛЕЯЩЕГО ВЕЩЕСТВА В ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

АННОТАЦИЯ

Хромированные стружки, образующиеся в кожевенной промышленности, негативно влияют не только на эффективность производства, но и на окружающую среду. Частое сжигание или захоронение хромсодержащих кожевенных отходов, обработанных с использованием хрома (III), представляет собой серьезную экологическую угрозу.

В данной научной статье рассматриваются возможности переработки хромированных отходов кожевенной промышленности, получения из них в щелочной среде коллагеновых гидролизатов, а также применения полученных гидролизатов в качестве клеящего компонента в бумажной промышленности.

ABSTRACT

Chrome chips formed in the leather industry negatively affect not only production efficiency, but also the environment. Frequent incineration or disposal of chromium-containing leather waste treated with chromium (III) is a serious environmental threat.

This scientific article discusses the possibilities of processing chrome-plated waste of the leather industry, obtaining collagen hydrolysates from them in an alkaline medium, as well as the use of the obtained hydrolysates as an adhesive component in the paper industry.

Ключевые слова: Хромсодержащие отходы, хромовых стружек, щелочной гидролиз, кожаные отходы, коллаген, гидролизный раствор.

Keywords: Chromium-containing wastes, chromium chips, alkaline hydrolysis, leather wastes, collagen, hydrolysis solution.

Введение: Рациональное использование отходов остается одной из самых актуальных мировых проблем. С одной стороны, отходы — это основной источник загрязнения окружающей среды, с другой — ценный источник сырья для получения полезной продукции. В качестве примера можно привести промышленные отходы, возникающие в процессе производства кожевенных изделий [1].

Отходы кожевенной промышленности классифицируются в зависимости от содержания хрома:

– безхромовые кожевенные отходы;

– хромсодержащие кожевенные отходы.

Наиболее опасными загрязнителями являются хромированные отходы. Такие стружки содержат около 90% коллагена и 2–4% хрома [2]. Эффективная переработка этих отходов чрезвычайно важна для устойчивого развития кожевенной отрасли и может принести значительные экономические выгоды.

Извлечение коллагена и хрома из этих отходов считается наиболее эффективным методом их утилизации. Методы переработки делятся на высоко- и низкотемпературные гидролизные процессы [3].

Хромсодержащие стружки образуются в процессе выравнивания кожи. При обработке удаляются неровные участки. До 10% таких стружков получаются при выравнивании толстых кож. Их средняя ширина составляет около 10 мм, длина — 120–150 мм, толщина — 0,5–1 мм. Это вторичное сырье кожевенного производства [4].

В настоящее время неиспользованные стружки выбрасываются на открытые площадки возле предприятий, что представляет угрозу для окружающей среды [5]. Хромсодержащие отходы могут вызывать проблемы с дыханием и снижение иммунной защиты [6].

Кроме того, при сжигании таких отходов в атмосферу выбрасываются токсичный шестивалентный хром (Cr(VI)), галогенорганические соединения, ароматические углеводороды и др., что вызывает серьезные проблемы загрязнения воздуха [7].

Хромированные отходы кожевенной промышленности считаются одними из самых опасных для окружающей среды. Поэтому внедрение современных перерабатывающих технологий и экологически безопасных процессов является инновационным направлением, основанным на принципах "зеленых технологий".

В настоящее время коллагеновые гидролизаты, благодаря высокой биоразлагаемости и белковой природе, находят широкое применение в текстильной, биомедицинской, косметической, пищевой и бумажной промышленности [8].

В последние годы активизировались исследования по применению продуктов на основе коллагена животного происхождения в промышленности в рамках устойчивого ресурсопользования. Благодаря способности коллагеновых гидролизатов образовывать водородные связи, возник интерес к их использованию в составе бумажной массы в качестве клеящего вещества.

В бумажной промышленности клеящими агентами являются крахмал, карбоксиметилцеллюлоза, природные и синтетические полимеры и др. Они играют важную роль в улучшении физических и печатных характеристик продукции. Особенно в технических и промышленных типах бумаги клеящие вещества повышают прочность и гладкость поверхности, что напрямую влияет на качество печати [9].

Процесс исследования: В рамках данной научной работы рассматривается применение коллагеновых гидролизатов, полученных из хромсодержащих отходов кожевенной промышленности в процессе производства бумаги.

С экологической точки зрения, это позволяет снизить негативное влияние отходов на окружающую среду. Хотя хром (III) относительно малотоксичен, при воздействии высоких температур или изменении pH он может переходить в хром (VI), который является мутагенным, канцерогенным и опасным при попадании в водные ресурсы.

При сжигании таких отходов образуются Cr(VI) и диоксины, которые загрязняют воздух токсичными веществами.

Таблица 1.

Состав хромовых стружек

В процессе переработки хромовых стружек, 60–75% коллагена (Cr₂O₃) остается в составе хромсодержащих отходов. Извлечение и удаление хрома из хромовых стружек (декромизация) осуществляется с помощью гидролиза в щелочной и кислотной среде.

Щелочной гидролиз — это метод разрушения белков (в том числе коллагена) при высокой температуре и щелочной среде (раствор NaOH или KOH). В этом процессе кожаные отходы (очищенные от хрома) подвергаются гидролизу, и молекулы коллагена превращаются в смесь пептидов и аминокислот с низкой молекулярной массой. Щелочной гидролиз позволяет эффективно удалить хром из твердых кожаных отходов, не разрушая коллагеновые ткани. Высокий уровень удаления хрома зависит от трех факторов: во-первых, щелочное воздействие эффективно разрушает связи между хромом и коллагеном, образуя осадок Cr(OH)₃; во-вторых, обработка кислотой эффективно растворяет осадок Cr(OH)₃, что позволяет частично разделить хром и коллаген; в-третьих, можно достичь полного разделения хрома и коллагена [10].

Рисунок 1. Процесс щелочного гидролиза

Технологический процесс осуществляется следующим образом:

1. Кожаные отходы измельчаются (5–10 мм). В щелочном, нейтральном растворе промываются в течение 1–2 часов (pH 7–8). Для удаления ионов хрома, содержащихся в отходах, используется 1–2% раствор оксалата.

2. Готовится щелочной раствор. Его состав — 4–10% раствор NaOH (иногда используется KOH или Ca(OH)₂). Соотношение жидкости составляет 5:1 или 10:1. Раствор нагревается до температуры 80–100°C в течение 3–6 часов. Во время процесса разрываются пептидные связи, коллаген разрушается, образуется гидролизат.

3. После гидролиза полученный щелочной раствор нейтрализуется с помощью уксусной кислоты или HCl до pH 6,0–6,5. Твердые частицы, устойчивые к высокой температуре, удаляются фильтрацией.

4. Гидролизный раствор высушивается.

Таблица 2.

Физико-механические свойства коллагенового гидролизата, полученного на основе щелочного гидролиза

Разработка новых технологий, особенно переработка коллагеновых гидролизатов и изучение их воздействия на их качество имеет большое значение. Эти процессы расширяют возможности производства высококачественной и экологически безопасной продукции в бумажной промышленности. Кроме того, использование коллагеновых гидролизатов в качестве клеящего вещества в бумажных производственных предприятиях способствует снижению себестоимости продукции, расширяет ассортимент и улучшает качество продукции.

Воздействие коллагеновых гидролизатов на физико-механические свойства бумаги помогает улучшить ее прочность, эластичность, разрывную силу и способность к изгибу. Добавление коллагеновых гидролизатов улучшает водоотталкивающие свойства бумаги [11, 12]. Также коллагеновые гидролизаты улучшают способность бумаги к восприятию печатных красок.

Результаты этих исследований открывают возможности для внедрения новых инновационных технологий в бумажной промышленности и повышения их эффективности. В ходе исследований использование коллагеновых гидролизатов в сочетании с другими исходными материалами помогает оптимизировать процессы производства новых материалов и технологий. Также внедрение экологически чистых и устойчивых методов производства в бумажной промышленности имеет большое значение для охраны окружающей среды.

Заключение

Коллагеновые гидролизаты являются новыми и инновационными материалами, которые могут быть использованы в бумажной промышленности. Их влияние на физико-механические свойства помогает укрепить бумагу и обеспечивать долгосрочное сохранение ее качества. Кроме того, коллагеновые гидролизаты являются экологически безопасными и устойчивыми материалами, которые могут быть переработаны без вреда для окружающей среды.

Эти исследования открывают новые возможности для использования коллагеновых гидролизатов в производстве бумаги и являются важным шагом в развитии промышленности. Также они предлагают новые подходы для создания экологически безопасных и высококачественных продуктов в промышленности.

Список литературы:

1. Norton R. (2011). “Properties of Paper and Paperboard”. In: Handbook of Paper and Paperboard Packaging Technology. Springer, pp. 135-170.
2. Yin Y., & Zhang W. (2019). “The Use of Collagen as a Biomaterial in Paper Industry”. International Journal of Biomaterials, 2019, Article ID 2318549, 9 pages.
3. Chung S. H., & Kim J. H. (2014). “Effects of Collagen Additives on Paper Strength and Durability”. Cellulose Chemistry and Technology, 48(4), 271-277.
4. Johns M. (2009). “Paper Science and Paper Manufacturing”. Papermaking and Paper Technology, 2nd ed. Wiley-Blackwell.
5. Wang Y., & Hu X. (2018). “Collagen Hydrolysates as Green Additives in the Paper Industry”. Journal of Applied Polymer Science, 135(12), 46501-46509.
6. Bai L., & Wang, Z. (2020). “Utilization of Collagen Hydrolysates in Paper and Board Production”. Journal of Biopolymer Science, 4(2), 156-164.
7. Kumar S., & Shah D. (2017). “Environmental and Mechanical Properties of Collagen-based Paper”. Environmental Science and Technology, 51(6), 2209-2216.
8. Başaran B., Ayakkabı Sayası Üretiminde Kullanılan Derilerin Bazı Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Üzerinde Araştırmalar, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Deri Teknolojisi Anabilimdalı, Bornova-İzmir. 1993
9. Eshbaeva U.J., Djalilov A.A. Composite technology for the production of paper and cardboard including synthetic fibers. Proceedings of the national akademy of sciences of Belarus Chemical series 2022 vol. 58. No. 4. Pp 418-422
10. Ешбаева У.Ж., Жалилов А.А., Рафиков А.С. Бумага из текстильных отходов //Монография. LAP LAMBERT Academic Publishing. Düsseldorf. Germany. – 2018. – С. 130.
11. Köhler, A., & Schultz, J. (2021). “Collagen Hydrolysates as Functional Additives in the Paper Industry”. Journal of Industrial Biochemistry, 12(3), 99-106.
12. Ешбаева У.Ж. Офсетная бумага с введением синтетических полимеров и её печатно-технические свойства //Каталог авторефератов. – 2017. – Т. 1. – №. 1. – С. 1-61.