разработка научных основ экологически безопасных технологий

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ
БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЛЕКСНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ
К.Г. Боголицын, Т.Э. Скребец, AM. Аизеншшадт, А.Н. Шкаев
г. Архангельск, Россия
АГТУ
В настоящее время проблемы загрязнения окружающей среды в стра­
нах, имеющих развитую целлюлозно-бумажную промышленность, на­
столько обострились, что для их решения стала очевидной необходимость
резко интенсифицировать научные разработки, которые позволили бы не
только повысить эффективность технологических процессов и качество
вырабатываемой целлюлозы, но и уменьшить техногенное воздействие.
Одним из приоритетных в области совершенствования существующих и
разработки новых экологически безопасных способов получения целлю­
лозы является разработанное и развиваемое в Институте химии и химиче­
ской технологии древесины Архангельского государственного техническо­
го университета научное направление «Физикохимия окислительновосстановительных превращений компонентов древесины». Исследования
выполняются по разделу фундаментальных исследований Федеральной
целевой научно-технической программы «Комплексное использование
древесного сырья», грантам Миннауки РФ, Региональной научнотехнической программы и включают следующие разделы:
-разработка научных основ современных способов делигнификации
древесины;
-разработка научных основ процессов переработки отходов предпри­
ятий химико-лесного комплекса с использованием методов химического,
энзиматического и микробиологического воздействия,
М
- разработка современных аналитических методов и средств контроля
технологических процессов;
- природоохранные технологии, жоаналитика.
Изучение строения древесной матрицы, строения и свойств компо­
нентов древесины на разных уровнях биогенеза с позиции формирования и
существования микрогетерогенной композиции биополимеров (лигнин,
целлюлозы, гем и целлюлоза) позволило использовать термодинамические
методы исследования (метод сорбции паров общего растворителя и метод
оценки термодинамической совместимости полимеров по теплотам сме­
шения их низкомолекулярных аналогов) и впервые определить области
термодинамической совместимости компонентов древесины и их роль в
рассматриваемой композиции; создать физико-химическую модель строе­
ния клеточной стенки древесины. Вывод о термодинамической неравно­
весности древесины и возможности расширения областей термодинамиче­
ской несовместимости ее компонентов (микрорасслаивание лигноуглеводной матрицы) за счет физического и химического воздействия на лигноутлеводную матрицу послужили предпосылкой для разработки научных ос­
нов окислительных, органо-сольвентных и безреагентных способов делигнификации.
В направлении создания научных основ окислительных способов делигнификации древесины впервые разработана и экспериментально под­
тверждена физико-химическая модель редокс-взаимодействий при нуклеофильном сульфировании лигнина производными сернистой кислоты,
являющаяся основой обобщенной теории сульфитных методов получения
целлюлозы. Установлена природа активных сульфирующих агентов, опре­
делены термодинамические характеристики ион-молекулярных равнове­
сий в водных растворах оксисоединений серы, получены диаграммы со­
става сульфирующих растворов в широком диапазоне варьирования тех­
нологических параметров.
Разработаны теоретические положения метода восстановительной ем­
кости с использованием в качестве медиатора обратимых редокс-систем
на основе солей металлов переменной валентности, создано и развивается
научное направление «Теория и практика применения косвенной окередметрии в химии древесины и экоаналитике». С целью расширения спектра
используемых медиаторов, поиска селективных катализаторов редоке-
взаимодействий выполняются исследования физико-химических свойств
растворов солей металлов переменной валентности с неорганическими и
органическими лигандами в водных, органических и смешанных средах,
механизмов взаимодействия медиатора с анализируемыми компонентами.
Впервые предложено в качестве параметра, характеризующего реакцион­
ную активность лигнинных компонентов, использовать значение эффек­
тивного окислительного потенциала, определяемого оксредметрическим
методом.
На основе результатов изучения редокс-свойств компонентов техно­
логических сред и разработанной модели редокс-взаимодействия выпол­
нено теоретическое обоснование, разработана принципиальная технология
и проведены опытные испытания окислительного сульфитного (пиросульфичного) способа получения целлюлозного полуфабриката повышенного
выхода и улучшенных качественных показателей, обладающего повышен­
ной экологической безопасностью.
Одним из весьма перспективных разделов в рамках вышеназванного
научного направления является окислительное сульфирование лигнина
как способ химической модификации технических лигнинов с целью при­
дания им потребительских свойств. Оно отличается от остальных методов
сульфирования относительной дешевизной используемых реагентов и бо­
лее мягкими условиями проведения реакции. Выполненные исследования
расширили спектр применяемых сульфирующих агентов и позволили соз­
дать физико-химическую модель процесса, на основании которой разра­
батывается технология окислительного сульфирования лигнина.
Разработаны, испытаны в лабораторных и производственных услови­
ях и рекомендованы к внедрению высокоинформативные физико-химичес­
кие методы оперативного контроля основных технологических процессов
сульфит-целлюлозного производства: приготовления варочных растворов,
периодической сульфитной варки целлюлозы для химической переработки
бумаги, биохимической переработки сульфитных щелоков, очистки сточ­
ных вод. Впервые в отечественной и зарубежной практике разработаны,
изготовлены и внедрены на целлюлозно-бумажных комбинатах автомати­
зированные аналитические системы контроля варки целлюлозы (КОАВ) и
качества сточных и оборотных вод (КОВ), отмеченные бронзовой и сереб­
ряной медалями ВДНХ. Разработана комплексная технология утилизации
отходов предприятий химико-лесного комплекса, включающая модули
концентрирования и биохимической переработки сульфитных щелоков,
получения органо-минеральных удобрений, производства разжижителей и
пластификаторов, очистки сточных вод. Данная технология отмечена золо­
тыми сертификатами Международных выставок «Отходы-95» (США,
1995г.) и «Haz - Mat» (США, 1996). Созданы аналитические системы ав­
томатического контроля состава природных, сточных и оборотных вод
(АОВ). Последние представлялись на международных и отечественных
выставках и отмечены серебряной медалью ВДНХ. Продолжается работа
по созданию автоматических постов экологического контроля.