ПОЛУЧЕНИЕ ТВЕРДОФАЗНЫХ МАТРИЦ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ НЕДРЕВЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Research article
Issue: № 5 (5), 2012
Published:
2012/10/30
PDF

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

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.

References