Choice of an environmentally friendly method of producing cellulose from flax biomass (Linum usitatissimum linaceae) grown in different regions of the Volga region
- Authors: Sergeev S.N.1, Taraskin K.A.1, Barnashova E.K.2, Vertikova E.A.2, Budnik M.I.3, Kasaikina O.T.4, Orlov D.S.1, Apasheva L.M.4, Vedutenko V.V.4, Krugovov D.A.4, Rostovtsev R.A.5, Ushchapovsky I.V.5, Proletova N.V.5
-
Affiliations:
- Research institute of applied acoustics
- The Russian state agricultural university – MSHA of K.A. Timiryazev
- Russian academy of rocket and artillery sciences
- N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics
- Federal Research Center for Bast Fiber Crops
- Issue: No 5 (2024)
- Pages: 22-26
- Section: Crop Production and Selection
- URL: https://jdigitaldiagnostics.com/2500-2082/article/view/659241
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2500208224050059
- EDN: https://elibrary.ru/ztrgwq
- ID: 659241
Cite item
Full Text
Abstract
The experimental assessment of prospects of receiving cellulose material on the basis of use of vegetable raw materials – straw of a flax-dolgunetc is carried out. Results of researches showed a possibility of application for extraction of cellulose of the water solutions containing hydrogen peroxide, hydroxide and sodium bisulfite in the conditions of high-temperature influence within 2 hours with receiving the technical cellulose suitable for production of cardboard and packaging materials. For purification of technical cellulose, it was carried out additional processing by solution of hydrogen peroxide and acetic acid in similar parametrical conditions that allowed to receive a target product with high extent of maintenance of the main substance, at insignificant amount of the accompanying impurity. The presented results show a possibility of the solution of questions of environmental safety at the organization of process of receiving cellulose on the basis of renewable vegetable raw materials with use of the chemical reagents which are not containing compounds of sulfur.
Keywords
Full Text
Продукция целлюлозно-бумажной промышленности востребована в самых различных областях производства, бытового потребления, а также для решения стратегических задач. [10] Целлюлозно-бумажные комбинаты (ЦБК) представляют серьезную экологическую опасность. Проблема усугубляется тем, что большинство их расположено в Европейской части РФ, вблизи крупных водоемов и местах с высокой плотностью населения. Как правило, это крупные предприятия, созданные в прошлом столетии, работающие по устаревшим технологиям и имеющие изношенное оборудование. На них образуется большое количество отходов, и, как правило, нет достаточных технических возможностей для достижения нужной степени очистки токсичных жидких сбросов и выбросов в атмосферу.
Основной вид экологической нагрузки на природные объекты, возникающие в результате деятельности ЦБК, – образование технических сточных вод. Наивысший фактор риска вносит работа с опасными химическими веществами, что может привести к неблагоприятным последствиям для природной среды. [16] Самые распространенные среди промышленных способов переработки целлюлозосодержащего сырья – сульфатный и сульфитный методы. Наиболее перспективны методы получения целлюлозы с применением окислительных реагентов (кислородно-содовый или кислородно-щелочной). В этом случае исключаются серосодержащие реагенты, приносящие наибольшую опасность загрязнения стоков. [12]
Существенный экологический ущерб может быть нанесен при использовании на стадии отбелки целлюлозы хлорсодержащих реагентов (хлор, диоксид хлора, гипохлорит кальция и другое), представляющих сложную проблему при решении задачи очистки от хлоридов производственных сточных вод. [15] Органические циклические соединения, участвующие в процессе деревопереработки, вступая во взаимодействие с активными хлоратами, способны образовывать полициклические хлорированные токсофоры – структурные аналоги диоксинов, чрезвычайно опасных загрязнителей экосистем. [1, 5] Отказ в процессе отбеливания целлюлозы от хлорсодержащих реагентов позволяет создать замкнутый цикл водопользования в целлюлозном производстве.
Для решения экологических проблем целлюлозной промышленности целесообразно применять комплексный подход, включающий технологические мероприятия и меры по защите объектов окружающей среды. [2] В настоящем исследовании предлагаем брать для извлечения целлюлозы биомассу, полученную при выращивании однолетнего травянистого растения (лен). Сырье на его основе содержит до 30% волокнистых материалов и минимальное количество органических соединений циклического характера. Урожай льна можно получать ежегодно, а для выращивания полноценной древесины – альтернативного источника выделения целлюлозы, требуется не менее 20 лет.
Основная задача при добыче целлюлозы из растительного сырья – удаление лигнина и сопутствующих примесей. Растительное сырье может быть успешно делигнифицировано пероксидом водорода в среде уксусной кислоты и воды без катализаторов. [8] При подходящем выборе технологических режимов варки получать продукт возможно с характеристиками микрокристаллической целлюлозы, что открывает перспективу создания промышленной экологически приемлемой и ресурсосберегающей технологии целлюлозных материалов различного назначения.
Цель работы – оценить перспективы получения целлюлозы из льна-долгунца, с применением наиболее приемлемых экологических способов переработки.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В исследовании применяли реактивы производства Merck, Aldrich, Fluka. Деионизированную воду, предназначенную для растворов, готовили в лабораторных условиях по требованиям ГОСТ Р52501-2005, растворы для обработки биоматериала – смешиванием компонентов непосредственно перед опытом.
Биоматериал измельчали с помощью лабораторной мельницы А10 basis, IKA (Германия). При рассеивании биоматериала использовали комплект сит С 20/50, соответствующий требованиям ГОСТ 6613-86 (ООО «Вибротехник», г. Санкт-Петербург).
В эксперименте брали сырье, полученное на основе биомассы льна-долгунца обыкновенного (Linum usitatissimum linaceae), возделываемого в различных регионах Поволжья: на опытных участках Федерального аграрного научного центра Юго-Востока, г. Саратов и на посевных площадях в районе Сельского поселения (с/п) Домкино, Конаковского района Тверской области. Посевы размещали рендомизированно, повторность – трехкратная, площадь – 1 м2 по 6 рядков. Способ сева – узкорядный с междурядьями 7,5 см. Глубина заделки семян – 4…5 см. Сорта льна-долгунца современной селекции: Цезарь и Универсал. [7] Семенной материал подвергали предпосевной обработке по общепринятой методике. [3] Высевали сорта в 2023 году: г. Саратов – I декада мая, Тверская область – II декада мая.
Агротехнические мероприятия при выращивании льна-долгунца проводили по специально разработанным методикам, адаптированным к региональным условиям. [14] Убирали лен-долгунец на волокно по стандартной технологии в фазе ранней желтой спелости, которая наступает примерно через 30 сут. после массового цветения, когда основное количество семенных коробочек (65…70%) пожелтело. [11]
Биоматериал, полученный после сбора льна-долгунца перерабатывали вручную: удаляли листья, коробочки, остатки корневой системы. Стебли измельчали до фрагментов длиной не более 3 см, размещали на решетчатые поддоны и сушили в специальных шкафах в потоке воздуха при температуре 45…50°С. Материал считали высушенным при достижении показателей остаточной влажности не более 5,5%, далее дробили механическим способом на лабораторной мельнице.
Экспериментальные исследования по оценке высокотемпературного воздействия различных водных растворов, содержащих активные химические реагенты, на биоматериал производили на лабораторной установке из стекла, состоящей из термостатируемого реактора, обеспеченного перемешивающим устройством, обратным холодильником и приспособлением для пробоотбора. В соответствии с рекомендациями [4], процесс осуществляли при температуре 95,0±0,4°С в течение 2 ч. После обработки биоматериала растворитель удаляли на фарфоровом фильтре под воздействием вакуума, а остаток промывали деионизированной водой до полного осветления отходящего раствора. Твердый остаток осушали в термошкафе, температура – 55…60°С. Полученный биоматериал размалывали до образования порошкообразной консистенции.
Экспериментальные данные полевых и лабораторных исследований обрабатывали стандартными методами с помощью прикладных компьютерных программ «Agros» 2.09.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Установлено, что в условиях Тверской области увеличивается продолжительность вегетационного периода у сортов льна-долгунца, но статистически достоверных различий по урожайности биомассы не обнаружено (табл. 1).
Таблица 1.
Условия проведения полевых опытов и результаты, полученные при выращивании льна-долгунца в различных регионах Поволжья
Регион выращивания | Сорт | Высев | Период вегетации, дн. | Средняя урожайность по биомассе соломы, кг/м2 |
Саратов, АЦ Ю-В | Цезарь | 3 мая | 65 | 2,85 |
Универсал | 4 мая | 61 | 2,71 | |
Тверская область, с/п Домкино | Цезарь | 15 мая | 72 | 2,94 |
Универсал | 12 мая | 74 | 2,70 |
Опытные данные, собранные в полевых условиях и результаты их статистической обработки представлены в таблицах 2, 3.
Таблица 2.
Результаты полевых опытов по замерам высоты стебля растений льна-долгунца
Сорт | Результаты замеров высоты стебля, см | Среднеарифметическое значение | ||
первая повторность | вторая повторность | третья повторность | ||
Цезарь | 71,00 | 69,00 | 70,00 | 70,00 |
Универсал | 67,00 | 64,00 | 65,00 | 65,33 |
Цезарь | 68,00 | 70,00 | 68,00 | 68,67 |
Универсал | 73,00 | 73,00 | 70,00 | 72,00 |
F* | 13,046* | |||
НСР | 2,685 | |||
Таблица 3.
Результаты полевых опытов по определению биомассы льна-долгунца
Сорт | Вес биомассы, ц/га | Среднеарифметическое значение | ||
первая повторность | вторая повторность | третья повторность | ||
Цезарь | 285,00 | 280,00 | 282,00 | 282,33 |
Универсал | 271,00 | 269,00 | 272,00 | 270,67 |
Цезарь | 290,00 | 294,00 | 294,00 | 292,67 |
Универсал | 270,00 | 266,00 | 260,00 | 265,33 |
F* | 38,851* | |||
НСР | 6,784 | |||
Установлено, что оптимальный период культивации льна-долгунца до получения растений необходимой кондиции зрелости, более длительный для Тверской области, существенных различий урожайности по выходу биомассы растений не было.
Для анализа целлюлозы использовали высушенные стебли льна-долгунца. На первом этапе исследований оценили высокотемпературное воздействие водных растворов активных реагентов (пероксид водорода, гидроксид и бисульфит натрия) на структуру поверхности соломы. Результаты обработки при температуре 95,0±0,4°С в течение 2 ч представлены на рисунке 1 (2-я стр. обл.).
Рис. 1. Результаты высокотемпературного воздействия 10%-х водных растворов активных реагентов на структуру поверхностисоломы льна-долгунца: а - без воздействия; б - гидроксид натрия; в - пероксид водорода; г - бисульфит натрия.
Для интенсификации процесса воздействия растворов активных реагентов на биоматериал измельчили солому льна. Гранулометрический состав биоматериала, полученного в результате размола льняной соломы, представлен на рисунке 2 (2-я стр. обл.). Показатели фракций установлены по весовому составу в результате разделения на ситах. В дальнейших экспериментах задействовали состав, полученный при двадцатиминутном размоле, после отделения последней фракции, размеры частиц превышали 7,4 мм.
Рис. 2. Гранулометрический состав фракций, полученный при размоле соломы льна.
Результаты анализа на содержание компонентов в измельченной соломе льна представлены в таблице 4. [6]
Таблица 4.
Содержание компонентов в высушенном биоматериале
Регион выращивания | Содержание компонентов в соломе льна, % масс. | |||
целлюлоза | лигнин | влага | прочие примеси | |
Саратов, АЦ Ю-В | 55,4 | 20,1 | 5,1 | 19,4 |
Тверская обл., с/п Домкино | 53.1 | 20,4 | 5,4 | 21.1 |
Смесевой состав | 54,2 | 20,2 | 5,2 | 20,3 |
Учитывая идентичность биоматериала из различных регионов Поволжья, было принято решение о возможности использования в дальнейших опытах смесевого состава, включающего каждый их разновидностей льняного растительного сырья в соотношении 50:50 % масс. Перерабатывали биоматериал для выделения целлюлозы при высокой температуре водными растворами различных химических реагентов (табл. 5).
Таблица 5.
Результаты воздействия водных растворов химических агентов на первой ступени обработки биоматериала
Содержание компонентов, % масс. | |||||||
раствор | твердые образцы | ||||||
гидроксид натрия | бисульфит натрия | пероксид водорода | вода | целлюлоза | лигнин | влага | прочие примеси |
10,0 | – | – | 90,0 | 72,8 | 12,5 | 5,5 | 9,2 |
15,0 | – | – | 85,0 | 73.2 | 11,9 | 4,4 | 10,5 |
– | 10,0 | – | 90,0 | 80,1 | 5,6 | 4,8 | 9,5 |
– | 15,0 | – | 85,0 | 79,8 | 5,4 | 5,2 | 9,6 |
10,0 | – | 10,0 | 80,0 | 77,4 | 7,8 | 5,0 | 9,8 |
Получены образцы технической целлюлозы, которая может быть использована для изготовления картона и упаковочных материалов. Для добычи очищенной целлюлозы, пригодной для выпуска бумаги высокого качества и ряда других товаров, целесообразно применять дополнительные методы переработки, включающие воздействие активных кислородсодержащих соединений. [9] В результате переработки льняного сырья были образцы с примерно одинаковым компонентным составом. Учитывая целесообразность исключения по экологическим рекомендациям серосодержащих реагентов, на второй ступени переработки биоматериала использовали состав после первой ступени методом перекисно-щелочного воздействия. [13]
В раствор второй ступени переработки льняного биоматериала включены компоненты, % масс.: пероксид водорода – 10,0; уксусная кислота – 12,5; вода – 77,5.
Все параметрические характеристики второй ступени переработки биоматериала были идентичными показателям первой. Получен образец, содержащий компоненты, % масс.: целлюлоза – 84,2; лигнин – 3,6; влага – 5,4; прочие примеси – 6,8.
Таким образом, двухступенчатая обработка льняного биоматериала, проведенная с применением экологически приемлемых ингредиентов, обеспечивает получение образцов, имеющих в составе высокое содержание целлюлозы и незначительное количество сопутствующих примесей. Также образцы могут быть рекомендованы в качестве сырья для пороховой промышленности.
Выводы. Переработка растительного сырья в целлюлозосодержащие продукты – технология, представляющая экологические риски. Решение этой проблемы может заключаться в реализации комплексного подхода, включающего выбор сырья, реагентов, способов и условий переработки материалов. Наше исследование направлено на оценку возможности применения наиболее приемлемых вариантов получения целлюлозы, включающих использование ежегодно возобновляемого растительного сырья на основе льна-долгунца, и предусматривает химические ингредиенты, не содержащие соединения серы.
About the authors
S. N. Sergeev
Research institute of applied acoustics
Author for correspondence.
Email: ziraf@mail.ru
Grand PhD in Biological Sciences
Russian Federation, Dubna, Moscow regionK. A. Taraskin
Research institute of applied acoustics
Email: ziraf@mail.ru
Grand PhD in Chemical Sciences
Russian Federation, Dubna, Moscow regionE. K. Barnashova
The Russian state agricultural university – MSHA of K.A. Timiryazev
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Agricultural Sciences
Russian Federation, MoscowE. A. Vertikova
The Russian state agricultural university – MSHA of K.A. Timiryazev
Email: ziraf@mail.ru
Grand PhD in Agricultural Sciences
Russian Federation, MoscowM. I. Budnik
Russian academy of rocket and artillery sciences
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Biological Sciences
Russian Federation, MoscowO. T. Kasaikina
N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics
Email: ziraf@mail.ru
Grand PhD in Chemical Sciences
Russian Federation, Moscow, 119991D. S. Orlov
Research institute of applied acoustics
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Chemical Sciences
Russian Federation, Dubna, Moscow regionL. M. Apasheva
N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Biological Sciences
Russian Federation, Moscow, 119991V. V. Vedutenko
N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Chemical Sciences
Russian Federation, Moscow, 119991D. A. Krugovov
N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Chemical Sciences
Russian Federation, Moscow, 119991R. A. Rostovtsev
Federal Research Center for Bast Fiber Crops
Email: ziraf@mail.ru
Grand PhD in Engineering Sciences
Russian Federation, TverI. V. Ushchapovsky
Federal Research Center for Bast Fiber Crops
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Biological Sciences
Russian Federation, TverN. V. Proletova
Federal Research Center for Bast Fiber Crops
Email: ziraf@mail.ru
PhD in Biological Sciences
Russian Federation, TverReferences
- Barnashova E.K., Taraskin K.A. i dr. Vybor metoda kontrolya dinamiki nakopleniya ekotoksikantov v ob”ektah okruzhayushchej sredy // Doklady AVN. № 4 (33). 2008. S. 37–39.
- Belopuhov S.L. Ekologicheskie aspekty agrotekhniki l’na-dolgunca // Aktual’nye problemy pochvovedeniya, agrohimii i ekologii: Sb. statej, posvyashchennyj 75-letiyu Fakul’teta pochvovedeniya, agrohimii i ekologii. M: Rossijskij gos. agrarnyj universitet – MSHA im. K.A. Timiryazeva, 2004. S. 313–326.
- Budnik M.I., Sergeev S.N. i dr. Novyj nauchno-metodicheskij podhod k ekologicheskoj obrabotke semyan l’na, povyshayushchej vskhozhest’ i predotvrashchayushchej slipanie posevnogo materiala // Aktual’nye voprosy biologicheskoj fiziki i himii. 2023. T. 8. № 3. S. 347–352.
- Krupin V.I., Dem’yanovskaya N.V., Kudryashov V.N. Soloma – syr’e dlya bumazhnoj promyshlennosti // Cellyuloza. Bumaga. Karton. 2010. № 3. C. 50–51.
- Majstrenko V.N., Klyuev N.A. Ekologo-analiticheskij monitoring stojkih organicheskih zagryaznitelej. M.: BINOM. Laboratoriya znanij. 2004. 323 s.
- Obolenskaya A.V., El’nickaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratornye raboty po himii drevesiny i cellyulozy. M.: Ekologiya, 1991. 320 s.
- Pavlova L.N., Rozhmina T.A. i dr. Hozyajstvennaya cennost’ novyh sortov l’na-dolgunca // Nauchnoe obespechenie proizvodstva pryadil’nyh kul’tur: sostoyanie, problemy i perspektivy: Sb. nauchnyh trudov. – Tver’: Tverskoj gosudarstvennyj universitet, 2018. S. 18–20.
- Pen R.Z., Shapiro I.L. i dr. Peroksidnaya cellyuloza iz steblej pshenicy i konopli // Himiya rastitel’nogo syr’ya. 2023. № 4. S. 415–422.
- Pen R.Z., Shapiro I.L., Karetnikova N.V. Peroksidnaya cellyuloza iz pshenichnoj solomy // Himiya rastitel’nogo syr’ya. 2022. № 2. S. 299–305.
- Ponazhev V.P., Yanyshina O.V. Nauchnye razrabotki – vazhnejshij resurs dlya proizvodstva produkcii l’na i konopli strategicheskogo naznacheniya // Nauchnoe obespechenie proizvodstva pryadil’nyh kul’tur: sostoyanie, problemy i perspektivy: Sb. nauchnyh trudov. Tver’: Tverskoj gosudarstvennyj universitet, 2018. S. 132–136.
- Sokolov L.E., Konopatov E.A. Agrotekhnika i pervichnaya pererabotka l’na: Laboratornyj praktikum. Vitebsk: Vitebskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet. 2006. 141 s.
- Taraskin K.A., Kozyreva A.V. i dr. Kataliticheskaya ochistka stochnyh vod proizvodstva kompozicionnyh materialov ot primesej seraorganicheskih soedinenij. Ch. 1 // Vodoochistka. 2022. №3. S. 16–23.
- Taraskin K.A., Kozyreva, A.V. Orlov D.S. i dr. Eksperimental’naya otrabotka tekhnologii kataliticheskoj ochistki proizvodstvennyh stochnyh vod, soderzhashchih seraorganicheskie soedineniya // Vodoochistka. 2022. № 4. S. 18–27.
- Chekmarev P.A., Pozdnyakov B.A. i dr. Zonal’noadaptivnye tekhnologii proizvodstva l’na-dolgunca. M., FGBNU «Rosin-formagrotekh», 2011. 184 s.
- Shvecov A.B., Kozyreva A.V. i dr. Hlornye dezinfektanty i ih primenenie v sovremennoj vodopodgotovke // Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie. 2011. № 4(40). S. 32–40.
- Ekologicheskij monitoring. Pod. red. T.Ya. Ashihminoj. M.: Akademicheskij proekt. 2006. 416 s.
Supplementary files
