Исследование процесса получения ацетата целлюлозы из механоактивированных частиц березы

В настоящей статье проведена оценка влияния способов предварительной механоактивации древесных частиц на возможность получения ацетата целлюлозы. Результаты исследования свидетельствуют о целесообразности использования гидродинамической механоактивации опилок березы для повышения содержания альфа-целлюлозы в холоцеллюлозе. Это достигается повышением удельной поверхности древесных волокон путем фибриллирования и, как следствие, интенсификацией процесса азотнокислой делигнификации.

Оценка размеров и распределения древесных частиц, выполненная ситовым методом, с помощью аналитической просеивающей машины, показала, что опилки механоактивированные гидродинамическим способом более эффективно подверглись измельчению. В ходе исследования поверхности древесных частиц методом сканирующей электронной микроскопии было установлено, что в процессе гидродинамической обработки заметно изменяется морфолого-анатомическое строение опилок.

При проведении процесса делигнификации гидродинамически активированных опилок березы повышается степень проникновения реагента, вследствие чего, преимущественно, происходит гидролиз вторичных составляющих: лигнина и бета- гамма-целлюлозы. Благодаря этому при выходе холоцеллюлозы 31,4 % наблюдается более высокое содержание в ней альфа-целлюлозы 82,8 %.

При ацетилировании гетерогенным способом был получен ацетат целлюлозы, соответствующий триацетату целлюлозы, хорошо растворимый в хлороформе, с содержанием связанной уксусной кислоты 60,3–61,1 %.  В случае ацетилирования гомогенным способом был получен диацетат целлюлозы, хорошо растворимый в ацетоне при перемешивании, с повышенным содержанием связанной уксусной кислоты 54,1–58 %. 

1. Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» [Интернет ресурс]. URL: http://www.garant.ru/hotlaw/federal/335057/.

2. Singh, T., Arpanaei, A., Elustondo, D., Wang, Y., Stocchero, A., West, T. A., & Fu, Q. (2022). Emerging technologies for the development of wood products towards extended carbon storage and CO2 capture. Carbon Capture Science & Technology, 4, 100057.

3. Tuntsev, D. V., Prosvirnikov, D. B., & Kozlov, R. R. (2018). Physical and chemical properties of activated lignocellulose and its areas of application. Solid State Phenomena, 284, 779–784.

4. Yang, X., & Berglund, L. A. (2021). Structural and ecofriendly holocellulose materials from wood: microscale fibers and nanoscale fibrils. Advanced Materials, 33(28), 2001118.

5. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина(химия, ультраструктура, реакции). М., 1988. 512 с.

6. Прокопьев А. А., Салимгараева Р. В., Сафин Р. Р. Обзор современных исследований в области ацетилирования древесины // Деревообрабатывающая промышленность. 2022. № 2. С. 106–114.

7. Song, J., Chen, C., Zhu, S., Zhu, M., Dai, J., Ray, U., ... & Hu, L. (2018). Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature, 554(7691), 224–228.

8. Yano, H. (2001). Potential strength for resinimpregnated compressed wood. Journal of materials science letters, 20, 1127–1129.

9. Frey, M., Biffi, G., Adobes-Vidal, M., Zirkelbach, M., Wang, Y., Tu, K., ... & Keplinger, T. (2019). Tunable wood by reversible interlocking and bioinspired mechanical gradients. Advanced science, 6(10), 1802190.

10. Li, Y., Fu, Q., Yu, S., Yan, M., & Berglund, L. (2016). Optically transparent wood from a nanoporous cellulosic template: combining functional and structural performance. Biomacromolecules, 17(4), 1358–1364.

11. Keplinger, T., Wang, X., & Burgert, I. (2019). Nanofibrillated cellulose composites and wood derived scaffolds for functional materials. Journal of Materials Chemistry A, 7(7), 2981–2992.

12. Segmehl, J. S., Studer, V., Keplinger, T., & Burgert, I. (2018). Characterization of wood derived hierarchical cellulose scaffolds for multifunctional applications. Materials, 11(4), 517.

13. Baruah, J., Nath, B. K., Sharma, R., Kumar, S., Deka, R. C., Baruah, D. C., & Kalita, E. (2018). Recent trends in the pretreatment of lignocellulosic biomass for value-added products. Frontiers in Energy Research, 6, 141.

14. Эриньш, П. П. Строение и свойства древесины как многокомпонентной полимерной системы [Текст] / П. П. Эриньш // Химия древесины. 1977. № 1. С. 8–25.

15. Sun, S., Sun, S., Cao, X., & Sun, R. (2016). The role of pretreatment in improving the enzymatic hydrolysis of lignocellulosic materials. Bioresource technology, 199, 49–58.

16. Панкрушина, Н. А. Физическая активация процессов экстракции и органического синтеза / Н. А. Панкрушина, О. И. Ломовский, Т. П. Шахтшнейдер // Химия в интересах устойчивого развития. 2019. Т. 27, № 6. С. 704–715. DOI 10.15372/KhUR2019194.

17. Rumpf H. Beanspruchungstheorie der Prallzerkleinerung // Chemie Ingenieur Technik. 1959. Vol. 31, № 5. S. 323–337.

18. Голязимова О. В., Политов А. А., Ломовский О. И. Увеличение эффективности измельчения лигноцеллюлозного растительного сырья с помощью химической обработки // Химия растительного сырья. 2009. № 2. С. 53–58.

19. Brandt, K. L., Gao, J., Wang, J., Wooley, R. J., & Wolcott, M. (2018). Techno-economic analysis of forest residue conversion to sugar using three-stage milling as pretreatment. Frontiers in Energy Research, 6, 77.

20. Wang, J., Gao, J., Brandt, K. L., Jiang, J., Liu, Y., & Wolcott, M. P. (2018). Improvement of enzymatic digestibility of wood by a sequence of optimized milling procedures with final vibratory tube mills for the amorphization of cellulose. Holzforschung, 72(6), 435–441.

21. Просвиников Д. Б. и др. Исследование процесса делигнификации древесины, предварительно активированной паровзрывной обработкой //Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18. №. 22. С. 103–106.

22. Prosvirnikov, D. B., Safin, R. G., & Zakirov, S. R. (2018). Microcrystalline cellulose based on cellulose containing raw material modified by steam explosion treatment. Solid State Phenomena, 284, 773–778.

23. Akpan, E. I., & Adeosun, S. O. (Eds.). (2019). Sustainable lignin for carbon fibers: principles, techniques, and applications. Springer.

24. Zhuang, X., Yu, Q., Wang, W., Qi, W., Wang, Q., Tan, X., & Yuan, Z. (2012). Decomposition behavior of hemicellulose and lignin in the step-change flow rate liquid hot water. Applied biochemistry and biotech- nology, 168, 206–218.

25. Borrega, M., & Sixta, H. (2015). Water prehydrolysis of birch wood chips and meal in batch and flowthrough systems: a comparative evaluation. Industrial & Engineering Chemistry Research, 54(23), 6075–6084.

26. Kim, H. J., Lee, S., Kim, J., Mitchell, R. J., & Lee, J. H. (2013). Environmentally friendly pretreatment of plant biomass by planetary and attrition milling. Bioresource technology, 144, 50–56.

27. Ермолин В. Н. и др. Формирование структуры плит малой плотности из гидродинамически активированных мягких отходов деревообработки // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2019. № 5 (371). С. 148–157.

28. Кузнецова С. А. и др. Экологически безопасный процесс получения целлюлозы из древесины березы // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2008. Т. 1, № 1. С. 80–87.

29. Delviawan, A., Kojima, Y., & Kobori, H. (2020). The influence of wet milling time of wood flour on the water resistance of wood plastic composite. Proceedings of ugsas-gu & bwel joint poster session on agricultural and basin water environmental sciences, 9

30. Антишин Д. В., Василишин Д. В., Красикова Т. В., Губин Д. Д. Выделение целлюлозы из рогоза широколистного азотнокислым методом делигнификации // Chemical Bulletin. 2022. С. 19.

31. Оболенская А. В., Ельницкая З. П., Леонович А. А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. Экология. Москва, 1991. 320 с.

32. Бытенский В. Я., Кузнецова Е. П. Производство эфиров целлюлозы. Л. : Химия, 1974. 208 с.

33. Химия древесины и синтетических полимеров : лаб. практикум для студентов специальности 1-48 01 05 «Химическая технология переработки древесины» / сост. А. И. Ламоткин, Ж. В. Бондаренко. Мн. : БГТУ, 2005. 82 с.