Top.Mail.Ru
 
Озонирование - эффективный метод предобработки древесины в процессе получения целлюлозы
В работе представлены результаты изучения процесса поглощения озона древесиной осины с различным содержанием воды. Показано, что озонирование древесины с содержанием воды 55% характеризуется наибольшей эффективностью. Рассмотрена роль воды в процессе озонирования растительной биомассы.

Введение

Озонирование является одним из способов обработки растительной биомассы. Озон рассматривают как перспективный с экологической точки зрения реагент, так как он не образует токсичных продуктов превращения. Развитие озонных технологий и наметившаяся тенденция к снижению стоимости озона открывают новые возможности для его использования в области конверсии растительного сырья.

Изучение озонирования растительных субстратов показало, что основные физико-химические характеристики процесса поглощения озона определяются условиями подготовки образца и параметрами озонирования. Важным условием делигнификации под действием озона является присутствие воды, а эффективность процесса озонирования зависит от её содержания в образце.

В данной работе представлены результаты исследования поглощения озона древесиной с различным содержанием воды. Цель работы: установить область содержания воды, соответствующую наиболее эффективному поглощению озона древесиной.

Материалы и методы

B качестве исследуемых материалов использовали опилки древесины осины с размерами частиц от 0,315 до 0,63 мм с содержанием воды (moisture content МС) от 8% до 160% относительно массы абсолютно-сухой древесины (mа.с.д.). MC(mH2O/mа.с.д.)×100%

Обработка озоном образцов древесины

Обработке озоном подвергали образцы древесины с различным содержанием воды общей массой 1,3-2,0 г при постоянном объеме образца (2.7 мл), что позволяло проводить обработку озоном при постоянном времени пребывания реагента в реакционной зоне.

Озонирование проводили B проточной системе термостатированном (1=25°С) реакторе с неподвижным слоем. Озон B кислородную смесь с концентрацией озона 80-90 мг/л (озонометр Медозон 254/3) пропускали через реактор при скорости потока 4,4 л/ч. По окончании опыта генерацию озона (озонатор Медозон 03/05) прекращали, систему продували кислородом. Непрореагировавший озон разлагался в каталитическом патроне [9] на выходе из системы. Чтобы оценить потери озона проводили «холостой» опыт с образцом озонированной древесины того же объема, что и исследуемый образец. Критерием окончания реакции считали совпадение концентрации озона на выходе из реактора в холостом опыте и в опыте с образцом.

Обсуждение

Озонирование древесины с различным содержанием воды

Кинетические кривые зависимости концентрации озона на выходе из реактора при озонировании образцов древесины приведены на рисунке 1А (кривые 1-3).

На рисунке 15 приведены кинетические кривые зависимости удельного поглощения озона древесиной осины при различном содержании воды. Озонирование проводится в проточной системе, поэтому в ходе озонирования содержание воды в образце снижается. Увеличение содержания воды позволяет достигнуть более высоких значений удельного расхода озона Q. Видно, что Qr1<Qr2<Qr2.
Рис. 1. Кинетические кривые зависимости концентрации озона на выходе из реактора (А). удельного расхода озона (Б, В) и степени превращения озона (Г) при озонировании древесины осины. Содержание воды МС,%: 28 (1), 55 (2), 160 (3). МС, %: 30 (1), 55 (2), 160 (3). Концентрация озона на выходе из реактора в холостом опыте. (Puc.1A. кривая 4).

Начальные участки кривых поглощения озона позволяют оценить скорость поглощения озона образцом. При МС 55% скорость поглощения озона превышает скорость поглощения озона образцами с содержанием воды 28% и 160% (рис. 1В). Кинетические зависимости степени превращения озона (1) рисунка ІГ показывают, что снижается в ходе озонирования от 100% до 8-20%. Снижение степени поглощения озона объясняется тем, что в ходе озонирования в реакцию включаются менее реакционно-способные группы субстрата, а также продукты превращения древесины. Из рисунка видно, что при МС 55% степень превращения уменьшается медленнее, а значение степени превращения озона. соответствующее завершению процесса озонирования (α), наибольшее.

На рисунке 2 приведены зависимости начальной скорости поглощения озона (V) и α от начального значения содержания воды в образце. Значение Ѵ возрастает в интервале МС от 8% до 55%, затем слегка снижается. Видно, что процесс поглощения озона образцом с содержанием воды 55% характеризуется наибольшей эффективностью (α~20%).
Рис. 2. Зависимость начальной скорости поглощения озона (1) и степени превращения озона (2) от содержания воды в образце.

Зависимости скорости поглощения и степени поглощения озона, в принципе, аналогичны. Величина скорости поглощения озона на начальном этапе озонирования может использоваться для первоначальной оценки эффективности озонирования исследуемого образца.

Роль воды в процессе обработки древесины озоном

Влияние содержания воды на процесс поглощения озона связан с хорошо известным свойством набуханием древесины в присутствии воды. Набухание объясняется адсорбцией и капиллярной конденсацией в порах стенки клеток древесины. Вода, адсорбированная стенками клеток, называется «связанной водой», a количество воды. соответствующее полному заполнению пористой системы стенок. называется «точкой насыщения волокна» (ТНВ). При содержании воды, превышающем ТНВ, водой заполняются и полости клеток. Вода. заполняющая полости, называется «свободной водой». Связанная вода отличается от свободной воды более высокой плотностью, низкой подвижностью молекул и другими физическими свойствами.

Набухание древесины в присутствии воды вызывает увеличение поверхности древесины (100-200 раз), поэтому многократно возрастает и число доступных реагенту функциональных групп. Отсюда понятно увеличение расхода озона, а также начальной скорости поглощения озона при увеличении МС, представленные на рисунках 1 и 2.

При значении МС 55%, превышающем ТНВ древесины осины (28%). наблюдается наиболее заметный эффект воздействия Оз на образец. Необходимость некоторого избытка воды относительно THB исследуемого субстрата, позволяющего достигнуть заметного эффекта воздействия озона, отмечалась во многих работах.

Процесс поглощения озона растительным субстратом включает ряд стадий. Среди них переход О3, из газовой фазы в воду, затем диффузия к поверхности субстрата через слой свободной в слой связанной воды, где осуществляются реакции реагента с реакционными группами субстрата. Тепловое движение молекул и диффузия, в результате которой происходит обмен между молекулами свободной и связанной воды, по существу, определяют скорость обсуждаемого процесса.

Кроме реакций, которые осуществляются в слое связанной воды, часть озона расходуется в объёме свободной воды на реакции с низкомолекулярными соединениями продуктами превращения субстрата. Вклад этих реакций в поглощение От возрастает с увеличением продолжительности озонирования. Значения констант скорости реакций Оз с алифатическими кислотами, известными как продукты превращения лигноцеллюлозных материалов, на несколько порядков ниже констант скоростей реакций с ароматическими структурами, поэтому их присутствие в воде оказывает на процесс поглощения озона «тормозящий» эффект.

Выводы

1. Показано, что процесс поглощения озона при содержании воды 55% характеризуется наибольшей эффективностью.

2. Вода вызывает набухание древесины, обеспечивая доступность поверхности субстрата для реагента, а также играет роль среды для транспорта реагента и продуктов окисления.

Автор книги "Озон и другие экологически чистые окислители: Наука и технологии: сборник статей 34-й Всероссийской конференции"
В.В. Лунин, Самойлович, В.Г., С.Н. Ткаченко, И.С. Ткаченко
По вопросам и предложениям свяжитесь с нами любым удобным способом

Телефон: 8 (800) 775-28-45
E-mail: info@ozonbox.pro
Соцсети: Вконтакте | Rutube