Технологическая схема получения биопластика на основе лигнина

УДК 691.115

Д. В. Тунцев, Р. Г. Сафин, М. Р. Хайруллина, Ф. М. Филиппова, И. Ф. Гараева

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ БИОПЛАСТИКА НА ОСНОВЕ ЛИГНИНА

Ключевые слова: природный лигнин, гидролизный лигнин, термопластичность лигнина, биопластик, технология переработки

лигнина.

В качестве отхода при гидролизе растительного сырья получают гидролизный лигнин, который может быть использован как сырье для получения биопластика. В статье представлена технологическая схема получения биопластика на основе лигнина, который является полностью биоразлагаемым природным материалом и может подвергаться многократной переработки.

Keywords: natural lignin, hydrolytic lignin, thermoplasticity of a lignin, bioplastic, technology ofprocessing of a lignin.

As withdrawal at hydrolysis of vegetable raw materials receive a hydrolytic lignin which can be used as raw materials for receiving bioplastic. The technological scheme of receiving bioplastic on the basis of a lignin which is completely biodegradable natural material is presented in article and can be exposed repeated processing.

Важнейшим видом растительного сырья, используемого для химической переработки, является биомасса дерева. Древесина является возобновляемым сырьём, поэтому при рациональном её использовании запас данного вида сырья не исчерпаем.

В связи с уменьшением запасов ископаемого органического сырья в последние годы во всём мире уделяется серьёзное внимание вопросам химической и биотехнологической переработки биомассы растительного сырья — древесины и сельскохозяйственных растений.

Одним из направлений переработки растительного сырья является применение кислотного гидролиза древесной биомассы, в результате которого получают кормовые дрожжи, этиловый спирт, фурфурол, кислоты и т.д. Процесс осуществляется в специальных аппаратах перколяцией горячего 0,5-1%-ного раствора серной кислоты через слой гидролизуемого материала при температуре 180 -185 0С и давлении 14 атм.

В качестве отхода образуется большое количество гидролизного технического лигнина. В настоящее время из гидролизных заводов России вывозится в отвал около 520 тыс. тонн гидролизного лигнина в год [1].

Гидролизный лигнин представляет собой полидисперсный продукт и является комплексом веществ, различных по химической природе. В него входит измельчённый полимеризованный собственно лигнин, остатки полисахаридов, не отмытые при гидролизе моносахара, минеральные и органические кислоты, смолы, воски, азотистые вещества, зольные элементы. Кроме того, он содержит следы фурфурола и оксиметилфурфурола и является по своей структуре сшитым полимерным продуктом.

Основной недостаток этого продукта -непостоянство характеристик. Так, только в зависимости от вида исходного растительного сырья, технологических режимов гидролиза соотношение основных компонентов может изменяться в широких приделах: лигнин - 40... 88%, трудногидролизируемые полисахариды - 13.45%,

смолистые и гуминоподобные вещества - 5.19%, зольность - 0,5... 10%.

Среди промышленных отходов

гидролизный лигнин привлекает к себе особое внимание, хотя его химическая переработка осложняется кроме выше указанных причин еще и сильной конденсацией лигнина в условиях гидролиза. Поэтому химическую переработку ограничивают его модифицированием с получением различных продуктов.

Некоторые направления применения гидролизного лигнина:

- производство топливных брикетов;

- производства топливного газа, в том числе с выработкой электроэнергии в газопоршневых газогенераторах;

- котельное топливо;

- производство брикетированных восстановителей для металлов и кремния;

- производство углей, в том числе активированных;

- сорбенты для очистки городских и промышленных стоков, сорбенты для разлитых нефтепродуктов, сорбенты тяжелых металлов, технологические сорбенты;

- сорбенты медицинского и ветеринарного назначения;

- порообразователь в производстве кирпича и др. керамических изделий;

- сырье для выработки нитролигнина;

- наполнитель для композиционных материалов;

- приготовление органических и органо-минеральных удобрений, стуктурообразователей для естественных и искусственных почв;

- сырье для производства фенола, уксусной и щавелевой кислот;

- добавка в асфальтобетоны (приготовление лигнино-битумных смесей и пр.) [2].

Несмотря на большое число предложенных направлений применения, реальный потенциал гидролизного лигнина не соответствует объемам существующих производств и его накопленных отвалов. Лигнинсодержащие отходы

труднодоступны для микробного разложения в природных условиях, скапливаются в больших

количествах, загрязняют почву, водоемы и поэтому представляют серьезную экологическую проблему. Что заставляет искать новые направления квалифицированного использования лигнина. Необходимо подчеркнуть, что при создании новых технологий могут быть использованы такие ценные характеристики лигнина, как высокое содержание углерода (массовая доля до 60-65%), ароматическая природа и высокая реакционная способность [1].

Одним из перспективных направлений является получение биопластика на основе лигнина.

Рассмотрим технологию производства биопластика из лигнина (рис. 1). Лигнин из бункера для сырья 1 поступает в магнитный сепаратор 2, где удаляются металлические включения, откуда подается на активацию в смеситель 3, куда также поступает в качестве активатора 25%-ный водный раствором гидрата окиси аммония. Активацию проводят при температуре 70-100°С в течение 60120 мин. После смесителя активированный лигнин подвергается сушки в сушильном бункере 5 , где его влажностью доводят до 20-25%, а затем измельчению в дробилке 6. Подготовленный таким образом лигнин поступает в смеситель 7 для смешения с древесной мукой в соотношении 75:25 лигнина и древесной муки, соответственно. После чего подается в экструдер 8 и смешивают с природными пластификаторами, стабилизаторами, красителями и продавливается через формующий инструмент (экструзионную головку) при температуре 200-250°С, с целью получения изделия с поперечным сечением нужной формы. Готовый продукт охлаждается на конвейерной ленточной сушилке, и подают на склад для хранения.

9 да. ж

Рис. 1 - Технологическая схема получения биополимера из лигнина: 1 - Приемный бункер; 2 - Магнитный сепаратор; 3, 8 - Смеситель; 4 -Вентилятор; 5 - Сушильный бункер; 6 - Циклон; 7 - Дробилка; 9 - Экструдер; 10 - Сушильный конвейер; 11 - Склад хранения готового продукта

За счет смешения лигнина с рядом натуральных материалов - волокнами древесины и другими компонентами получаем

легкообрабатываемый биоразлагаемый материал, который может перерабатываться литьем в формы, подобно пластмассе, и не уступает по физическим свойствам органическим полимерам.

Биопластик на основе лигнина проявляет завидную устойчивость к практически любым механическим воздействиям, способен выдерживать большие нагрузки, не повреждаться вследствие сильных ударов и не трансформироваться: предел их прочности 15-20 Н/мм2; модуль упругости при растяжении и при изгибе 1000-5000 Н/мм2; ударная вязкость 2-5 кДж/м2; твердость (испытание шариком) 20-70 Н/мм2. Тепловые характеристики: коэффициент температурного расширения 1х10 е-5-5х10 е-5 м/м-°С; теплостойкость по Вика и по Мартенсу 80-95 °С и 54 °С соответственно; теплопроводность 0,384 Вт/м-К. Электрические свойства: электропроводность по поверхности и в массе 5 Ом/м и 3 Ом/м соответственно [9].

Этот биопластик устойчив и к биологическому воздействию, то есть не разрушается вследствие пагубной деятельности различных грибков, бактерий, насекомых и грызунов. Не повреждается от воздействия моющих средств, не выгорает на солнце, не подвергается повышенной влажности и действию ненастной погоды, в том числе большие перепады температур.

Его можно применять в самых различных областях: для изготовления элементов автомобильных салонов, для применения в строительстве, электронике, прецизионных изделиях, мебели, музыкальных инструментах, бижутерии, игрушках, садовом инвентаре.

Главным достоинством биопластика является возможность подвергаться многократной переработке.

Проведем пример экономической эффективности использования биополимера на основе лигнина. Рассчитаем стоимость 1 погонного метра террасной доски, полученной с использованием существующих технологий и предлагаемой нами технологии.

Таблица 1 - Расчетная стоимость террасной доски, полученной с использованием существующих технологий и предложенной нами технологии

Наименование Террасная доска

показателя

На основе На основе

полимера, руб лигнина, руб

Древесная мука 10,80 (60%) 10,8

Полиэтилен 59,9 (35%) -

Крахмал 4 (5%) -

Лигнин - 4,5

Природные пластификаторы, - 12,6

активатор

Электрическая 7,7 7,7

энергия

Общая стоимость 82,4 35,6

Общая экономическая выгода составляет 56,8% по себестоимости продукции.

Производство биоплластика из лигнина является перспективным направлением для современного лесного комплекса.

Литература

1. Азаров, В.И. Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов. - СПб.: СПбЛТА, 1999. 628 с.

2. Чудаков, М.И. Промышленное использование лигнина. - М.: Лесная промышленность, 1972, - 216 с.

3. Тунцев, Д. В. Совершенствование технологии и оборудования процесса термического разложения древесины в кипящем слое: диссертация ... кандидата технических наук : 05.21.05, 05.21.03 / Тунцев Д. В. // Казань. нац. исслед. технол. ун-т. Казань. 2011. 193 с.

4. Хайруллина, Э.Р. Усовершенствование технологии получения древесных плитных материалов на основе минеральных вяжущих веществ [Текст]/ Э.Р. Хайруллина // Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса, г. Кострома, 2013. - С. 69-70. - 9-11 сентября - материалы II международной научно-технической конференции

5. Хайруллина, Э.Р. Технологическая линия переработки древесных отходов с получением конструкционного материала [Текст]/ Э.Р. Хайруллина // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. -№3 ч. 4 (8-4). - С. 256-259.

6. Тунцев, Д.В. Математическая модель термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов разложения [Текст]/ Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. 2011. №14. С. 94-100.

7. Забелкин, С.А. Энергетическое использование жидких продуктов быстрого пиролиза древесины [Текст]/ С.А. Забелкин, Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2010. №4. С. 79-83.

8. Тунцев, Д.В. Схема промышленной установки для переработки отходов лесного комплекса [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, А.М. Касимов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-2 (8-2). С. 445-448.

9. Тунцев, Д.В. Биопластики на основе лигнина [Текст]/ Д.В. Тунцев, И.Н. Ковернинский, Ф.М. Филиппова, Р.Г. Хисматов, М. Р. Хайруллина, И. Ф. Гараева // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №15. С. 192-194.

© Д. В. Тунцев - к.т.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, tuncev_d@mail.ru; Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Переработки древесных материалов КНИТУ, Safin@/kstu.ru; М. Р. Хайруллина -магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, konfetka_777_09@mail.ru; Ф. М. Филиппова - к.х.н. доцент кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, faridah@rambler.ru; И. Ф. Гараева - магистрант кафедры Переработки древесных материалов КНИТУ, madam.hasanshina.mail.ru @yandex.ru.

© D. V. Tuntsev - candidate of technical sciences, associate professor of Processing of wood materials KNITU, tuncev_d@mail.ru; R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department Processing of wood materials KNITU, Safin@kstu.ru; M. R. Khairullina - master of chair of Processing of wood materials KNITU, konfetka_777_09@mail.ru; F. M. Filippova - candidate of chemistry, associate professor of Processing of wood materials KNITU, faridah@rambler.ru; I. F. Garaeva - master of chair of Processing of wood materials KNITU, madam.hasanshina.mail.ru @yandex.ru.