ИЗМЕНЕНИЕ ЩЕЛОЧНЫХ СВОЙСТВ ЭКСТРАКТА ЗОЛЫ СТЕБЛЯ ХЛОПЧАТНИКА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТЕПЕНИ УПАРИВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ РАФИНАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты исследования изменения физико-химических показателей состава и концентрации щёлочи при упаривании щелочного раствора, полученного из золы стебля хлопчатника. Результаты исследования показали, что при упаривании увеличиваются плотность раствора и значение pH, что, в свою очередь, связано с ростом концентрации щёлочи. Также установлено, что степень упаривания имеет важное значение: при недостаточном упаривании концентрация щёлочи ниже максимальной, а при избыточном упаривании щёлочи, превышая предел растворимости, выпадают в осадок. При оптимальной степени упаривания практически на 100 % компенсируется импортный реагент (NaOH), используемый в традиционной технологии рафинации хлопкового масла. На каждом этапе упаривания определялись плотность растворов, значение pH и концентрация щёлочи в составе.

ABSTRACT

This article presents the results of a study on changes in the physicochemical properties of the composition and alkali concentration during the evaporation of an alkaline solution obtained from cotton stalk ash. The results showed that during evaporation, the solution density and pH value increase, which, in turn, is associated with an increase in alkali concentration. It was also established that the degree of evaporation is of great importance: with insufficient evaporation, the alkali concentration is lower than the maximum, while with excessive evaporation, the alkali exceeds its solubility limit and precipitates. At the optimal degree of evaporation, the imported reagent (NaOH), used in the traditional technology of cotton oil refining, is almost 100% replaced. At each stage of evaporation, the solution density, pH value, and alkali concentration were determined.

Ключевые слова: упаривание, экстракт золы стебля хлопчатника, показатель pH, нейтрализация, титрование, кристаллический осадок, общая плотность, нормальная концентрация.

Keywords: evaporation, cotton stalk ash extract, pH value, neutralization, titration, crystalline precipitate, overall density, normal concentration.

Введение

Биомасса, особенно растворы, полученные из древесной золы, богаты щелочными компонентами и широко применяются в промышленности (рафинация масел, нейтрализация). Соли калия и натрия, содержащиеся в золе, растворяются в воде и создают щелочную среду.

Повышение концентрации щёлочи возможно путём упаривания раствора, однако чрезмерное упаривание может привести к снижению щёлочности из-за выпадения малорастворимых солей в осадок.

Цель данной работы — определить зависимость между степенью упаривания и щёлочностью, а также найти оптимальные условия.

Исследование включает следующие направления:

• влияние степени упаривания водного экстракта на плотность щелочного раствора;
• влияние степени упаривания на изменение значения pH щелочного раствора;
• влияние степени упаривания на расход кислоты в процессе титрования полученных растворов.

Анализ литературы

Методы рафинации выбираются в зависимости от вида масличного сырья и способа его получения. Масла, полученные из низкосортных семян, требуют многостадийной рафинации [1, 2, 3, 4, 5]

Автором был изучен оксидный состав золы хлопчатника и определено максимальное количество KOH, переходящего в водный раствор. Также исследовано влияние продолжительности настаивания на переход щелочных компонентов в раствор [9].

Гидроксид калия — в настоящее время является весьма ценным продуктом, широко применяемым во многих отраслях, включая бумажную, нефтяную, металлургическую промышленность, медицину и другие сферы. Высокая стоимость данного продукта вызывает особый интерес к его производству в местных условиях [9].

Использование золы кожуры банана в качестве источника щёлочи является экологической альтернативой промышленному KOH, позволяя превращать сельскохозяйственные отходы в полезный продукт, защищая окружающую среду и развивая местную экономику [10].

Щёлочь (KOH) исторически получалась из золы различных растений и использовалась при производстве мыла и других продуктов; подтверждение и оптимизация этого традиционного опыта осуществляется на основе научных исследований [11].

В исследовании Afrane (1992) из золы кожуры какао в основном выделялся карбонат калия (K₂CO₃), при гидролизе которого в воде образуется щелочная среда (KOH) [12].

Как отмечает Afrane (1992), при соотношении зола:раствор более 1:30 и повышении температуры раствора выход увеличивается примерно на 10 % [12]. Хотя исследование проводилось при относительно низких температурах (≈40–90 °C), было установлено, что с повышением температуры растворимость соединений калия возрастает. Это свидетельствует о том, что при условиях кипячения процесс выделения щёлочи может протекать более интенсивно.

Объекты и методы исследования:

Нормальные концентрации (N) щёлочи в растворах, полученных после упаривания, определялись методом титрования с использованием 0,1-нормального раствора HCl.

Определение концентрации щёлочи в растворе:

Отбор 10 мл раствора щёлочи неизвестной концентрации: из раствора, приготовленного в мерной колбе, с помощью пипетки отбирается 10 мл и переносится в коническую колбу.

• Добавление индикатора: в раствор добавляется 1 капля раствора метилоранжа.
• Титрование: титруют 0,1N раствором HCl до перехода жёлтой окраски метилоранжа в светло-розовую под действием одной капли кислоты.
• Расчёт результатов: при расчёте результатов анализа используется следующая формула:

• нормальность раствора щёлочи;
•  нормальность раствора соляной кислоты;
• объём раствора соляной кислоты, израсходованный при титровании (мл);
• объём раствора щёлочи (мл).[8].

Значение pH раствора измерялось на приборе Mettler Toledo FiveGo™ F2, а общая плотность — с помощью ареометра АЗП-1 [6-7].

К 200 г золы стебля хлопчатника добавляли 1 л дистиллированной воды, доводили до кипения и выдерживали в закрытом состоянии в течение 20 минут. Затем раствор фильтровали и получали 800 мл экстракта (раствор 1).

Полученный экстракт разделяли на 5 равных частей (по 160 мл каждая). Каждая часть упаривалась отдельно до различных степеней:

• 1-я часть (0 % упаривания) — 160 мл исходного раствора;
• 2-я часть: 160 мл → 120 мл (25 % упаривания);
• 3-я часть: 160 мл → 80 мл (50 % упаривания);
• 4-я часть: 160 мл → 40 мл (75 % упаривания);
• 5-я часть: 160 мл → 32 мл (80 % упаривания).

В процессе упаривания объём растворов постоянно контролировался, по достижении необходимого уровня растворы охлаждались и подготавливались для последующих анализов. Экстракт был разделён на равные объёмы (по 160 мл), и каждая часть упаривалась отдельно для обеспечения одинаковых начальных условий.

Результаты и обсуждение.

Влияние степени упаривания на физико-химические свойства:

С увеличением степени упаривания раствора золы наблюдались значительные изменения его основных физико-химических показателей. Результаты исследования в диапазоне 0–80 % представлены на следующих диаграммах.

В исходном растворе (0 %) плотность составляла 1,04 г/мл, а значение pH — 11, что свидетельствует о сравнительно низкой щёлочности среды. С увеличением степени упаривания количество воды в растворе уменьшалось, а концентрация растворённых минеральных компонентов возрастала. В результате плотность при 80 % упаривания увеличилась до 1,21 г/мл (рис. 1).

Рисунок 1. Влияние степени упаривания на плотность раствора

Значение pH увеличилось с 11 до 14, что свидетельствует о переходе раствора в сильно щелочную среду. Практическое отсутствие изменений pH после 75 % указывает на достижение максимального уровня щёлочности раствора (рис. 2).

Рисунок 2. Влияние степени упаривания на изменение показателя pH

Щёлочность определялась методом кислотно-основного титрования, при этом установлена её тесная зависимость от степени упаривания (рис. 3).

Рисунок 3. Влияние степени упаривания на нормальную концентрацию

Для раствора, упаренного на 50 %, нормальность составила 0,56 N, тогда как при 75 % упаривания это значение достигло 1,19 N. Эти результаты свидетельствуют о резком увеличении концентрации щёлочных компонентов в результате упаривания.

Особенно в диапазоне 50–75 % резкий рост нормальности объясняется накоплением ионов в растворе и увеличением степени их диссоциации.

Согласно полученным результатам, максимальная щёлочность наблюдалась при 75 % упаривания (1,19 N). Эта точка отражает состояние, при котором щёлочные компоненты максимально растворены и находятся в активной форме.

При увеличении степени упаривания до 80 % наблюдалось некоторое снижение нормальности (1,10 N). Это связано с превышением предела растворимости солей в растворе.

По результатам исследования установлено, что в составе образовавшегося осадка преобладают соединения калия (K). Это свидетельствует о том, что при высоких концентрациях калиевые соли в растворе также превышают предел растворимости и частично переходят в осадок.

В результате:

• уменьшается содержание активных щёлочных компонентов в растворе;
• снижается общая щёлочность;
• изменяется состав раствора.

Данный процесс объясняется не только выпадением карбонатов, но и фазовым разделением калиевых солей в условиях высококонцентрированной ионной среды.

Анализ полученных результатов показывает, что в процессе упаривания раствора золы его концентрация возрастает, что, в свою очередь, приводит к увеличению щёлочности. По мере увеличения степени упаривания количество растворённых активных компонентов возрастает, и до определённого момента щёлочность достигает максимального значения. Согласно результатам исследования, наибольшая щёлочность раствора наблюдается при 75 % упаривания.

Однако при дальнейшем упаривании превышается предел растворимости солей, в результате чего часть из них, особенно соединения, богатые калием, начинает выпадать в осадок. Это приводит к уменьшению количества активных щёлочных компонентов в растворе и снижению общей щёлочности.

Также подтверждено, что увеличение плотности и значения pH непосредственно связано с ростом нормальности.

Полученные результаты имеют важное значение для промышленного применения растворов золы. В частности, оптимальная степень упаривания составляет 70–75 %, максимальная щёлочность наблюдается именно в этом диапазоне, а чрезмерное упаривание (≥80 %) приводит к потерям щёлочи. Максимальная щёлочность (1,19 N) наблюдалась при 75 % упаривания, тогда как дальнейшее концентрирование приводило к снижению щёлочности из-за превышения предела растворимости и частичного выпадения калийсодержащих соединений в осадок.

Заключение.

Проведённые исследования показали, что процесс упаривания раствора золы существенно влияет на уровень его щёлочности. В результате упаривания уменьшается количество воды в растворе и увеличивается концентрация растворённых щёлочных компонентов, что приводит к росту нормальности. Особенно в диапазоне 50–75 % упаривания наблюдается резкое увеличение щёлочности, при этом значение нормальности возрастает с 0,56 N до 1,19 N.

Вместе с тем установлено, что значения pH и плотности раствора также последовательно увеличиваются с ростом степени упаривания, что подтверждает усиление щелочной среды. Однако при чрезмерном упаривании превышается предел растворимости растворённых солей, вследствие чего калийсодержащие соединения частично переходят в осадок. Это приводит к уменьшению содержания активных щёлочных компонентов и снижению общей щёлочности.

На основании полученных результатов можно заключить, что оптимальные условия упаривания раствора золы соответствуют диапазону 70–75 %, при котором достигается максимальная щёлочность и обеспечивается высокая технологическая эффективность раствора.

Список литературы:

1. Boyjanov N.I., Boyjanov I.R., Khamidova M.O., Serkayev Q.P. Studying adsorption characteristics of Navbahor alkaline bentonite in bleaching cotton oil. // Universum: технические науки. – 2023. – №6 (111). DOI: 10.32743/UniTech.2023.111.6.15618  
2. Boyjanov N., Serkayev K., Khamidova M., Isroilova Sh. Sorption characteristics of the adsorbent in the composition of bentonite and opocavid clays. // International Journal of Materials and Chemistry (USA). – 2024. – 14(3). – P. 49–56. DOI: 10.5923/j.ijmc.20241403.03
3. Boyjanov N.I., Serkayev Q.P. Эффективность отбеливания растительных масел композициями бентонитовых и опокоподобных глин. // Kimyo va kimyo texnologiyasi. – 2024. – №3. – С. 53–63. DOI: 10.34920/cce2024437  
4. Boyjanov N., Radjabov M., Serkayev Q., Boyjanov I., Yaxshimuratov N. Activation and comparison of indicators of bentonite clay of the Navbakhor deposit. // E3S Web of Conferences. – 2024. – 563, 02018. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202456302018
5. Boyjanov N.I., Rakhimov U.B., Ataullaev Z.M., Boltayev M.A., Serkayev Q.P., Khamidova M.O. Mathematical analysis of the linear increase in SiO₂ content during the activation of Navbakhor alkaline bentonite with hydrochloric acid. // Kompleksnoe Ispolzovanie Mineralnogo Syra = Complex Use of Mineral Resources. – 2027. – 342(3). – P. 90–99. https://doi.org/10.31643/2027/6445.33
6. Государственная система обеспечения единства измерений. рН-метры. Методика поверки. ГОСТ Р 8.857–2013. – Москва: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2013.
7. Продукты химические жидкие. Методы определения плотности. ГОСТ 18995.1–73. – Москва: Государственный комитет, 1973.
8. Назаров Ш.Н., Аминов З.А. Аналитическая химия. – Ташкент, 1984. – 228 с.
9. Болтаев М.А., Серкаев К.П. Изучение состава золы стеблей хлопчатника и определение концентрации гидроксида калия, переходящего в раствор при водной экстракции, для рафинирования нерафинированного масла, полученного из низкосортных хлопковых семян. // Universum: технические науки. – 2025. – №4 (133).
10. Туракулов Б.Б. и др. Модернизация технологии получения чистого гидроксида калия комбинированным методом с учетом свойств местных сырьевых материалов Узбекистана. // Universum: технические науки. – 2021. – №11 (92).
11. Tamba P.K., Lebbie S.E., Conteh D., Turay I., Yongai I. Potassium Hydroxide in Plantain Peels Ash and its Uses as a Source of Saponification. // World Journal of Advanced Research and Reviews. – 2025. – Vol. 28. – №3. – P. 1508–1526.
12. Afrane G. Leaching of Caustic Potash from Cocoa Husk Ash. // Bioresource Technology. – 1992. – 41. – P. 101–110.