ПОЛУЧЕНИЕ ТВЕРДОФАЗНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

ПОЛУЧЕНИЕ ТВЕРДОФАЗНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Научная статья

Вураско А.В.¹, Фролова Е.И.²

^{1, 2} Уральский государственный лесотехнический университет, Екатеринбург, Россия

Аннотация

В статье рассмотрено - изучение сорбционных свойств целлюлозного материала  полученного из недревесного растительного сырья окислительным органосольвентным способом, возможность изготовления из целлюлозы твердофазных матриц. Оценка применения полученных твердофазных матриц для определения ионов тяжелых металлов в воде.

Ключевые слова: Целлюлоза, твердофазная матрица, органо-сольвентная варка.

Keywords: Cellulose, solid matrix, organosolventnaya pulping.

В современном мире химические тесты широко используются в экологической, промышленной, клинической или криминальной сферах и обеспечивают возможность простого и недорогого анализа – качественного, полуколичественного и количественного. Тест – системы для химического анализа представляют собой простые, портативные, лёгкие и дешёвые  аналитические средства и экспрессные методики для обнаружения и определения веществ без пробоподготовки, использования сложных стационарных приборов, лабораторного оборудования и самой лаборатории, без сложной обработки результатов и подготовленного персонала [1]. Принцип работы химических тест-методов – это использование аналитических реакций и реагентов в условиях и формах, обеспечивающих получение визуально наблюдаемого или легко измеряемого эффекта; это, например, интенсивность окраски бумаги или длина окрашенной части трубки. Реагенты используют в виде иммобилизованными на твёрдом носителе – матрице (бумаге, силикагеле, пенополиуретане и т.д.) [2].

Цель данной работы – получение твердофазной матрицы на основе технической целлюлозы из недревесного растительного сырья, полученной окислительным органосольвентным способом. Оценка возможности применения полученных твердофазных матриц для определения ионов тяжелых металлов в воде.

Для достижения цели решали следующие задачи: определение свойств технической целлюлозы из различных видов недревесного растительного сырья; выбор целлюлозы с высокими сорбционными, впитывающими или прочностными характеристиками; получение твердофазных матриц путем изготовления отливок из технической целлюлозы; оценка возможности использования полученных твердофазных матриц в качестве тест-средств для определения ионов тяжелых металлов в воде.

Для получения технической целлюлозы из недревесного растительного сырья использовали экологически малоопасный и высокоэффективный окислительно-органосольвентный способ делигнификации. В качестве объекта исследования использовали солому овса, гречихи и риса, а также шелуху овса и риса, известного химического состава [3].

Получение технической целлюлозы проводили в термостатированной круглодонной колбе, снабженной обратным холодильником, перемешивающим устройством и термометром, при следующих условиях:  расход равновесной перуксусной кислоты (рПУК) 0,4…0,8 г/г абсолютно сухого сырья (а.с.с.); подъем температуры до 90 ^оС – 30 мин; варка при температуре 90 ^оС – 90 мин; гидромодуль 1:10 [3, 4]. После процесса делигнификации техническую целлюлозу промывали, сортировали и анализировали. Результаты физико-химических показателей технической целлюлозы представлены в таблице 1.

Таблица 1

Физико-химические показатели технической целлюлозы

Показатели	Солома			Шелуха			Древесная сульфатная	Хлопковая
	рис	овес	гречиха	рис	овес	гречиха
Адсорбционная способность, мг/г	63,8	38,4	48,6	58,0	48,4	59,9	20,9	42,0
Сорбционная способность по йоду, %	37,9	20,7	37,7	64,2	62,7	62,3	41,5	45,0
Набухание в растворе 17,5% NaOH	500	300	500	500	700	500	550	500
Водоудержание, %	220	220	150	280	380	250	220	250
Капиллярная впитываемость воды, мм	25,0	12,0	15,0	27,0	45,0	35,0	-	-
Длина волокна, мм	1,3	1,4	1,2	0,5	0,6	0,3	1,4	10,0
Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2	127	99	100	150	220	200	-	-

Из приведенных данных (таблица 1) видно, что техническая целлюлоза из шелухи, превосходит по сорбционной способности и водоудержанию, не только целлюлозу из лиственной древесины, но и хлопковую целлюлозу. При этом целлюлоза из шелухи имеет короткие волокна (0,3…0,5 мм), что затрудняет получение из нее прочного материала, в отличие от волокон целлюлозы из соломы 1,2…1,4 мм).

Для определения прочностных свойств техническую целлюлозу подвергали размолу в центробежном размольном аппарате до степени помола 60 и 30 ^оШР для целлюлозы из соломы и шелухи, соответственно. Из размолотой целлюлозы изготавливались бумажные отливки для определения прочностных и физических показателей. Результаты представлены  в таблице 2.

Таблица 2

Прочностные и физические характеристики бумажных отливок из технической целлюлозы при степени помола 60 ºШР

Показатели	Техническая целлюлоза из сырья
	солома			древесина
	овёс	гречиха	рис	сульфатная лиственная
Масса бумаги площадью 1 м2	75,0	75,6	76,7	75,0
Плотность, г/см3	0,91	0,76	0,65	0,92
Разрывная длина, м	8500	10500	4200	9000
Абсолютное сопротивление раздиранию, мН	160	320	160	180
Предел прочности при растяжении, кгс/см2	80	80	30	70
Относительное сопротивление продавливанию, кПа	470	480	160	110
рН холодного экстрагирования водной вытяжки	6,9	6,9	6,7	5,5…7
Белизна, %	93,0	92,0	89,6	90,0
Реверсия белизны	0,46	0,30	0,41	0,42

Из представленных результатов видно (таблица 2), что наибольшей разрывной длиной обладает целлюлоза из соломы гречихи (10500 м) и овса (8500 м) – эти показатели сопоставимы с целлюлозой сульфатной лиственной (9000 м). Значительно меньшими показателями характеризуется целлюлоза из соломы риса (4200 м). Важной характеристикой твердофазной матрицы при колористическом способе тестирования является белизна и ее стабильность, что характеризуется показателем – реверсия белизны. Все полученные образцы целлюлозы обладают необходимой белизной, однако целлюлоза из соломы гречихи имеет низкую реверсию, что вероятно обусловлено высоким содержанием окрашивающих веществ в исходном сырье, которые обесцвечиваются под действием пероксидных соединений.

Из представленных вариантов выбраны образцы с высокими сорбционными свойствами это техническая целлюлоза из шелухи риса и овса и наиболее доступные как сырьевой материал – целлюлоза из соломы овса. Из этих волокнистых полуфабрикатов и их композиций изготавливались отливки, которые в дальнейшем использовались в качестве основы для получения твердофазных матриц. Характеристика твердофазных матриц в виде бумажных отливок представлена в таблице 3.

Таблица 3

Характеристика твердофазных матриц на основе технической целлюлозы

Показатели	Солома овса	Шелуха		Композиция
		рис	овес	шелуха риса : солома овса (50:50)	шелуха овса : солома овса (50:50)
Массовая доля карбоксильных групп, %	62,8	89,8	68,4	72,7	43,5
Сорбционная способность по йоду, мг2/г	52,4	66,2	67,7	68,5	47,1
Набухание в растворе 17,5 % NaOH	500	500	700	550	550
Капиллярная впитываемость, мм	22,0	27,0	45,0	85,0	21,0
Впитываемость при одностороннем смачивании, г/м2	99	150	220	140	200

Из данных таблицы 3 видно, что бумажные отливки из целлюлозы шелухи риса и овса обладают высокой сорбционной ёмкостью, в отличие от отливок из целлюлозы соломы овса. Отливки из целлюлозы соломы овса, как и следовало ожидать, имеют высокие прочностные характеристики. Также исследованы композиции с содержанием целлюлозы из соломы овса, как армирующего материала, и целлюлозы из шелухи риса и овса. Оптимальная композиция составлена из шелухи риса и соломы овса, в отношении 50% шелухи риса и 50% шелухи овса.

Полученные образцы из композиции технической целлюлозы были опробованы в качестве твердофазных матриц в тест – средстве для анализа воды на содержание ионов ртути (Hg²⁺) [5].

На матрицу наносят загрязняющее вещество, затем проявляют органическим реагентом. Иммобилизованный органический реагент на матрице реагирует с загрязняющим веществом.

В качестве модификаторов поверхности целлюлозы значительный интерес представляют гетероциклические полидентатные формазаны. В результате предварительных исследований по изучению комплексообразования ионов Hg с формазанами широкого ряда было установлено, что наиболее перспективными являются высокоокрашенные пиримидинилформазаны образующие с ионами данного металла глубокоокрашенные комплексные соединения, что создает четкий контрастный переход (рисунок 1).

Результаты испытаний представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 - Цветовая шкала для определения содержания ионов ртути (II), мг/л, с помощью1-фенил-3-метил-5-(4,6-дифенилпиримидинил) формазана на целлюлозной матрице

Таким образом, в  результате исследований установлено, что целлюлоза, полученная окислительно-органосольвентным способом из недревесного растительного сырья может быть использована в качестве эффективной твердофазной матрицы в тест-системах для определения качества промышленных и природных вод с использованием гетарилформазанов.

Список литературы / References

1. Островская В.М., Запорожец О.А., Будников Г.К., Чернавская Н.М. Вода. Индикаторные системы. М.: ФГУП ВТИИ. – 2002 -  266 с.

2. Ярцева Е.С., Починока Т.Б. Тест – определение тяжелых металлов в природных водах. Ставрополь: СевКавГТУ. – 2008 -180 с.

3. Минакова А.Р. Получение целлюлозы окислительно-органосольвентным способом при переработке недревесного растительного сырья: дис. … канд. техн. наук: 05.21.03/А.Р. Минакова. - Архангельск. – 2008 -  151с.

4. Вураско, А.В. Ресурсосберегающая переработка отходов крупяных и злаковых культур в целях получения технической целлюлозы [Текст]./ А.В. Вураско, Б.Н. Дрикер, А.Р. Минакова, Э.В. Мертин // ИВУЗ «Лесной журнал», 2011. - №5. – С.106-113.

5. Vurasko A.V., Koltasheva A.V., Maslakova T.I., Pervova I.G., Mertin E.V. Garbohydrates containing sorbents for determination of toxic metals/ International conference «Renewable Wood and Plant Resources: Chemistry, Technology, Pharmacology, Medicine» Saint-Petersburg, June 21-24, 2011 - P. 246-247.