автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Обработка торфа электронно-пучковой плазмой

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Торф. Качественная характеристика торфа.

Химический состав торфа, направления его использования.

1.2. Способы обработки торфа.

1.2.1. Гидролитическая деструкция торфа.

1.2.1.1. Бескислотный гидролиз.

1.2.1.2. Гидролиз разбавленными кислотами при атмосферном давлении.

1.2.1.3. Гидролиз торфа при повышенных давлении и температуре.

1.2.1.4. Непрерывный гидролиз разбавленными кислотами.

1.2.1.5. Гидролиз концентрированными кислотами

1.2.1.6. Комбинированный способ гидролиза торфа.

1.2.2. Физические способы деструкции торфа.

1.2.2.1. Деструкция торфа, вызванная у-излучением.

1.2.2.2. Деструкция торфа ускоренными электронами.

1.2.3. Деструкция материалов природного происхождения электронно-пучковой плазмой (ЭПП).

1.3. Выводы по обзору литературы.

2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

3.1. Объекты исследования.

3.2. Описание установки получения ЭПП.

3.3. Методика плазмохимической обработки.

3.4. Методики анализа состава исходного и обработанного ЭПП торфа.

3.5. Методика определения удельных энергозатрат на обработку ЭПП.

3.6. Методика выращивания кормовых дрожжей на гидролизатах торфа.

3.7. Методика определения удельной производительности фильтрации гидролизатмассы.

3.8. Методика испытания водорастворимых и щелочерастворимых веществ, выделенных из обработанного ЭПП торфа, в целлюлозных композициях.

4. Влияние удельного расхода энергии при обработке ЭПП и вида плазмообразующей среды на деструкцию верхового торфа.

4.1. Влияние удельного расхода энергии при обработке ЭПП на деструкцию верхового торфа со степенью разложения 5 %.

4.2. Влияние удельных энергозатрат на плазмохимическую обработку и вида плазмообразующей среды на деструкцию верхового торфа со степенью разложения 20 %.

4.3. Оптимизация обработки верхового торфа ЭПП с целью достижения максимального выхода водорастворимых веществ при минимальных энергозатратах.

5. Исследование состава и свойств водорастворимых веществ плазмохимически обработанного верхового торфа.

6. Исследование возможности применения верхового торфа, обработанного ЭПП, для производства кормовых дрожжей.

7. Оценка эффективности применения экстрактов верхового торфа, обработанного ЭПП, в производстве бумаги.

Торф является одним из важнейших природных богатств России.

В образовании торфа принимают участие мхи, травы, кустарники, древесные породы (сосна, ель, береза, ольха). Основными компонентами торфа, как и древесины, являются целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин и экстрактивные вещества. Средние значения элементарного состава расте-ний-торфообразователей сходны с элементарным составом древесины хвойных и лиственных пород.

Россия является ведущей страной мира по запасам торфа. На ее территории сосредоточено 60 % всех торфяных мировых ресурсов. В настоящее время торф в основном используется в сельском хозяйстве и для удовлетворения топливно-энергетических нужд, исключая другие возможные направления использования, например, применение его в гидролизном и целлюлозно-бумажном производствах.

Ограниченность использования торфа во многом определяется особенностями его морфологического строения, химического состава и связанными с этим технологическими трудностями его переработки.

Содержание углеводов в торфе может достигать более 60 %, поэтому одним из основных направлений химической переработки торфа является его гидролиз в присутствии разбавленных или концентрированных минеральных кислот. Попытки осуществить гидролиз торфа по технологическим схемам, разработанным для древесины, не дали положительных результатов.

Физические способы воздействия, базирующиеся на использовании современных радиационных технологий, также не получили применения в промышленности из-за присущих им высокой энергоемкости, ограниченности диапазона изменения условий обработки, сложности и дороговизны ускорительной техники, особенностей эксплуатации промышленных радиоизотопных источников у-излучения. 6

В связи с этим актуальным является поиск и разработка новых технологий, основанных преимущественно на физических способах воздействия на торф, которые приводили бы к его деструкции, сопоставимой по эффективности с химическими способами.

В данной работе предлагается использовать для этих целей низкоэн-тальпийную электронно-пучковую плазму (ЭПП). Генератор ЭПП переводит электрическую энергию в химическую энергию ионов и радикалов плазмы с КПД более 90 %. При этом плазма и обрабатываемый материал могут иметь температуру, не превышающую 30. 100 °С, что практически исключает теплопотери и пиролиз. Подбирая состав и давление плазмо-образующей среды и управляя процессами наработки активных частиц электронно-пучковой плазмы изменением параметров электронного пучка, можно реализовать широкий спектр плазмохимических превращений.

Ранее [1] было исследовано действие низкоэнтальпийной ЭПП на древесину. Установлено, что обработка приводит к значительному изменению компонентного состава древесины. Содержание водорастворимых веществ в обработанной древесине достигает более 20 %. Показано, что использование продуктов деструкции древесины в качестве связующего материала в производстве бумаги позволяет улучшить прочностные характеристики бумажного листа.

Работа выполнена в рамках Российской научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Радиационные технологии создания и исследования объектов в машиностроении и приборостроении», тема НИРа «Разработка электронно-лучевой технологии для эффективного регулируемого изменения полимолекулярных свойств целлюлозосодер-жащих материалов» (2000-2002 г.г.). 7

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые исследовано действие низкоэнтальпийной ЭПП на торф. Определены изменения компонентного состава торфа, происходящие в результате обработки ЭПП.

2. Установлено, что обработка ЭПП приводит к увеличению количества веществ, экстрагируемых горячей водой с 6,7 % до 36,7 %, за счет деструкции ЛГП, ТГП, лигнина. Однако при высоком удельном расходе энергии на обработку (свыше 2,7 МДж/кг) происходит уменьшение количества водорастворимых веществ за счет процессов конденсации, в результате чего увеличивается выход негидролизуемого остатка.

3. При химическом, спектрометрическом и хроматографическом изучении экстрактов водорастворимых веществ торфа установлено, что обработка ЭПП приводит к увеличению количества карбоксильных (с 5,0 до 8,1 %) и карбонильных (с 5,2 до 12,1 %) групп, но не приводит к изменению размеров макромолекул полимеров, поглощающих в УФ.

4. Определены оптимальные условия обработки торфа ЭПП с целью получения субстрата для производства дрожжей и добавки в бумагу: плаз-мообразующий газ - Н2О, удельный расход энергии - до 1,0 МДж/кг, давление газа - 12.20 мм рт.ст. при ускоряющем напряжении 26.28 кВ. При использовании плазмообразующего газа О2 давление должно составить 11 мм рт.ст.

5. Показано, что предобработка верхового торфа ЭПП с последующим маломодульным гидролизом позволит организовать производство дрожжей по бессточной технологии при практически полном отсутствии вредных парогазовых выбросов.

6. Предложено использовать водорастворимый продукт деструкции плазмохимически обработанного торфа в качестве связующего материала в производстве бумаги. Показано, что при его введении в композицию бумаги улучшаются прочностные характеристики бумажного листа, например,

103 при введении добавки водорастворимых веществ в количестве 0,5 % разрывная длина увеличивается на 11 %, сопротивление продавливанию на 14 %.

104

1. Соколов О.М., Васильев М.Н., Чухчии Д.Г. Исследование изменения состава древесины при обработке низкоэнтальпийной электронно-пучковой плазмой // Лесной журнал. 1999. - № 2-3. - С. 167-175.

2. Физика и химия торфа / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаю-нов, А.А. Терентьев. М.: Недра, 1989. - 304 с.

3. Технический анализ торфа / Е.Т. Базин, В.Д. Копенкин, В.И. Косов и др.- М.: Недра. 1992. - 431 с.

4. Соколов О.М., Ивко В.Р. Торфяные ресурсы Архангельской области и их использование. Архангельск: РИО АГТУ, 2000. - 37 с.

5. Справочник по торфу / Под ред. Н.Н. Самсонова. М-Л, 1954.728 с.

6. Справочник по торфу / Под ред. А.В. Лазарева, С.С. Корчунова.-М.: Недра, 1982.-760 с.

7. Лиштван И.И., Король Н.Т. Основные свойства торфа и методы их определения.- Минск: Наука и техника, 1975. 320 с.

8. Наумова Г.В., Косоногова Л.В., Овсянникова Н.А. Состав продуктов гидробаротермической обработки сфагнового мха и торфа // Химия твердого топлива. 1986. - № 2. - С. 60-67.

9. Наумова Г.В. Торф в биотехнологии.- Минск: Наука и техника, 1987. 151 с.

10. Биотехнологическая переработка верхового торфа / В.В. Степанов, О.А. Сивочуб, А.К. Саксе, B.C. Борзаковская // Торфяная промышленность. 1990. - № 6. - С. 37-42.

11. Пухнер Г. Торф. / Пер. с нем. М.: Госсельхозиздат, 1929. - 364 с.

12. Жуков В.В. Гидролиз торфа. М.: Энергия, 1935. - 128 с.

13. Беляевский И.А. Гидролиз малоразложившегося торфа с целью получения этилового спирта и кормовых дрожжей. Л, 1946.-234 с.105

14. Состояние и перспективы торфогидролизного производства / А.Ю. Бредялис, И.И. Линкявичус, Л.И. Паплаускас, В.К. Райжис. Вильнюс, 1971.-113 с.

15. Сопин П.Ф. // Труды ВНИИТП.-М-Jl.: Госэнергоиздат. 1962. -вып. 19. - С. 137.

16. Шиманский B.C., Лато Л.П., Братишко Р.Ф. Деструкция полисахаридов малоразложившихся сфагновых торфов в условиях бескислотной обработки в среде водяного пара // Физические, технологические и химические свойства торфа. Минск, 1973. - С. 215-218.

17. Изменение компонентного состава сфагновых торфов в результате бескислотной обработки / B.C. Шиманский, Р.Ф. Братишко, М.Н. Лой-ко и др. // Химия и химическая технология торфа. Минск, 1976. -С. 234-238.

18. Крупнова А.В., Шарков В.И. Термомеханический метод превращения целлюлозы в легкогидролизуемое состояние // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1963. - № 3. - С. 8-10.

19. Дъячков Г.С. Химико-технологические основы использования углеводного комплекса верховых торфов слабой степени разложения. Калинин, 1968. - 193 с.

20. Дъячков Г.С., Пылаев A.M. Механотермическая деструкция полисахаридов слаборазложившегося верхового торфа // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1970. - № 1. - С. 5-9.

21. Мозер А.Э. Работы торфяной академии. т. 1. - 1921.

22. Курбатов И.М., Троицкая О.В. К вопросу получения этилового спирта из торфа // Торфяное дело. 1931. - № 8. - С. 26-28.

23. Раковский В.Е., Чайкова В.Д. // Труды института торфа. Минск. - 1959.-т. 7.-С. 90.

24. Mathaus J. // Dinglers Polytechnisches Journal. 1893,- Bd 287, H4. -C. 91.

25. Mozer A., Pezold P. П. Герм. № 396380 от 28.08.1921.106

26. Фот Г. Руководство к производству спирта / Пер. с нем. JL: Гос-химтехиздат, 1933.

27. Курбатов И.М. // Торф и его химическое использование. М.: ОНТИ НКТП СССР, 1935. - С. 302.

28. Жуков В.В. // Торф и его химическое использование. -М.: ОНТИ НКТП СССР, 1935.-С. 319.

29. Сопин П.Ф., Иванов В.М., Неронов B.JI. Непрерывный гидролиз влажного торфа разбавленной серной кислотой // Торфяная промышленность. 1974. - № 5. - С.22-24.

30. А. с. № 283929 (СССР) от 06.10.1970. Способ непрерывного гидролиза торфа в виде пульпы / Чалов Н.В., Толчельникова С.Н., Лисенкова Г.С. и др. // Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1970. - № 31. - С. 203.

31. Толчельникова С.Н., Чалов Н.В. Технологические принципы процесса непрерывного гидролиза торфа в виде пульпы // Сб. трудов ВНИИГидролиза. 1975. - вып 25. - С. 56-64.

32. Непрерывный гидролиз верхового малоразложившегося торфа / Н.В. Чалов, С.Н. Толчельникова, С.П. Яблочкина и др. // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1982. - № 3. - С. 10-13.

33. Гидролиз растительных материалов концентрированной серной кислотой / П.Н. Одинцов, А.И. Калниньш, В.К. Кальнина и др. // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1961. - № 3. - С. 1-5.

34. Кальнина В.К., Бейнарт И.И., Таубин Б.М. Рижский способ гидролиза. Рига: АН Латв. ССР, 1961. - 106 с.

35. Крастинын В.П., Калнина А.Я., Лойко М.Н. Гидролиз малоразложившегося торфа на вибромельнице // Торфяная промышленность. 1966. - № 5. - С. 28-32.

36. Шиманский B.C. // Исследования по технологии добычи, подготовке сырья и химической переработке верхового торфа. Минск: Наука и техника, 1972. - 274 с.

37. Зинина Н.В., Раковский В.Е., Ривкина Х.И. Комбинированный способ гидролиза торфа и получение кормовых дрожжей // Торфяная промышленность . 1968. - № 1. - С. 24-27.

38. Долацис Я.А. Радиационно-химическое модифицирование древесины. Рига: Зинантне, 1985. -218 с.

39. Хенли Э., Джонсон Э. Радиационная химия. М.: Атомиздат, 1987.- 317 с.

40. Изменение состава магелланикум-торфа при у-облучении / Г.В. Наумова, В.А Борисевич, Р.В. Кособокова и др. // Известия АН БССР, серия хим. наук. 1983. -№ 4. - С. 101-103.

41. Бергер А.Х. Радиационно-химическая технология. Ее задачи и методы. М.: Атомиздат, 1979. - 80 с.

42. Джагацпанян Р.В., Косаротов В.И., Филиппов Н.Т. Введение в радиационно-химическую технологию.- М., 1979. 288 с.

43. Ершов В.Г., Петряев Е.П. Перспективы использования радиационной технологии в производстве кормов // Химия высоких энергий. -1985. т.19. - № 6. - С. 483-489.

44. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Твердое тело и полимеры. Прикладные аспекты. М.: Наука, 1987. - 448 с.108

45. Электронно-пучковая плазма. Генерация, свойства, применение / В.Л. Бычков, М.Н. Васильев, А.С. Коротеев: Учеб.пособие. М.: Изд-во МГОУ, 1993.- 168 с.109

46. Обзорная информация. Получение и применение продуктов гидролиза растительного сырья, 1989. № 2. - 1-52.

47. Изменение химического состава и переваримости сфагнового торфа после радиационной обработки / Г.В. Наумова и др. // Торфяная промышленность. 1987. - № 1. - С. 26-28.

48. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М, 1987. - 225 с.

49. Aleksandrov I.V., Bychkov V.L., Vasiliev M.N. Electron-beam plasma study of treatment of surface of cellulose materials. I Description of experiment// Chem.of high energies. 1997. v 31. no. 1. P. 82-88.

50. Александров И.В., Бычков B.JI., Васильев M.H. Исследование воздействия электронно-пучковой плазмы на целлюлозные материалы. 2. Обсуждение экспериментальных результатов // Химия высоких энергий. -1997.-т. 31.-№2. С. 137-140.

51. Модифицирование целлюлозосодержащих материалов в электронно-пучковой плазме / М.Н. Васильев, Д.А. Сухов, О.М. Соколов // Лесной журнал. 1997. - № 6. - С. 81-88.

52. Александров И.В., Васильев М.Н., Гаврилов Ю.В. Закономерности взаимодействия электронно-пучковой неравновесной плазмы с целлюлозой // Журнал прикладной химии. 1996. - т. 69. - вып. 12. - С. 20422048.

53. ГОСТ 17644-83. Торф. Методы отбора проб из залежи и обработки их для лабораторных испытаний.

54. Количественный химический анализ растительного сырья / В.И. Шарков. Н.И. Куйбина, Ю.П. Соловьева, Т.А. Павлова. М.: Лесная промышленность, 1976. - 72 с.110

55. Низовкин В.К., Емельянова И.З. Эбулиостатический метод определения редуцирующих Сахаров // Журнал прикладной химии. 1959. - № 11.-С. 2516.

56. Смитт А. Прикладная инфракрасная спектроскопия / Пер. с англ. М.: Мир, 1982.- 327 с.

57. Кендалл Д. Прикладная инфракрасная спектроскопия.- М.: Мир, 1970.-376 с.

58. Майер Л.В., Чухчин Д.Г., Соколов О.М. Эксклюзионная хроматография технических лигнинов // Лесохимия и органический синтез: Тезисы докл. 2-е совещание. Сыктывкар, 1996.

59. Чухчин Д.Г. Ресурсосберегающая переработка древесины с использованием плазмохимической технологии. Архангельск, 1998. - 128 с.

60. Непенин Н.Н., Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы, т. 3. М.: Экология, 1994. - 592 с.

61. Гельфанд Е.Д. Технология гидролизных производств / Методич. указания. Архангельск, 1987. - 32 с.

62. Емельянова И.З. Химико-технологический контроль гидролизных производств. М.: Лесная промышленность, 1976. - 328 с.

63. ГОСТ 14363.4 89. Целлюлоза. Метод подготовки проб к физико-механическим испытаниям.

64. ГОСТ 13525.1 79. Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Методы определения прочности на разрыв и удлинения при растяжении.

65. ГОСТ 13525.8 86. Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения сопротивления продавливанию.

66. Комаров В.И., Казаков Я.В. Анализ механического поведения целлюлозно-бумажных материалов при приложении растягивающей нагрузки // Лесной вестник. Изд-во Московского университета леса. 2000. -№ 3. - С. 52-62.1.l

67. Лойко M.H., Шиманский B.C., Братишко Р.Ф. Исследование процесса выращивания кормовых дрожжей на древесно-торфяных гидролиза-тах // Торфяная промышленность. 1971. - № 10. - С. 15-16.

68. Богдановская Ж.Н., Братишко Р.Ф., Лойко М.Н. Выращивание кормовых дрожжей на гидролизатах древесины с добавлением гидролиза-тов торфа // Биологически активные вещества микроорганизмов. Минск: Наука и техника, 1975.- С. 97.

69. Совместная гидролитическая переработка отходов древесины и верхового малоразложившегося торфа / Г.В. Наумова, Р.Ф. Братишко, М.Н. Лойко и др. // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1985. - № 6. - С. 13-15.

70. Шишкова З.П., Кальнина В.К., Гайлитис Ю.П. Выращивание кормовых дрожжей на торфяных гидролизатах // Известия АН Латв. ССР, серия хим. наук. 1963. - № 11. - С. 93.

71. Толчельникова С.Н. Характеристика верхового слаборазложив-шегося торфа как сырья для гидролизной промышленности // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1969. - № 2. - С. 19-20.

72. Толчельникова С.Н. Характеристика верховых слаборазложив-шихся торфов как сырья для гидролизно-дрожжевого производства. Л, 1971.- 194 с.

73. Шишкова З.П., Гайлитис Ю.П. Результаты опытных испытаний по подготовке торфяных субстратов к выращиванию дрожжей // Гидролитическая и биохимическая переработка торфа слабой степени разложения. Рига: Зинатне. 1971. - С. 140-152.

74. Гайлитис Ю.П., Шишкова З.П. Повышение доброкачественности торфяных субстратов // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1974. - № 7. -С. 12-13.

75. Совершенствование подготовки субстратов из торфяных гидро-лизатов / З.П. Шишкова, Ю.П. Гайлитис, У .Я. Шмит и др. // Гидролизная и лесохим. пром-сть. 1975. - № 2. - С. 7-8.

76. Выращивание дрожжей на гидролизатах торфа / З.П. Шишкова, Ю.П. Гайлитис, В.К. Кальнина и др. // Гидролизная и лесохим. пром-сть.1970.-№3.- С. 19-21.

77. Получение кормовых дрожжей из торфа / Н.С. Панкратов, B.C. Шиманский, Р.Ф. Братишко и др. // Материалы 4-й комиссии МТО, Рига.1971.-С. 5.

78. Особенности получения белковых кормовых дрожжей из верхового малоразложившегося торфа / З.П. Шишкова, Ю.П. Гайлитис, У.Я. Шмит, В.П. Крастинын // Продукты переработки древесины сельскому хозяйству. Рига: Зинатне, 1973. - т. 1. - С. 246-251.

79. Евдокимова Г.А., Райцина Г.И. Выращивание кормовых дрожжей на гидролизатах верхового торфа // Прикладная биохимия и микробиология. 1974.- т. 10. - № 5. - С. 780-785.

80. Биологически активные вещества торфа и их использование для интенсификации процесса роста дрожжей и растений / Г.А. Евдокимова, В.Е. Раковский, B.C. Шиманский и др. // Торф и его использование. Минск, 1974.-С. 59-61.

81. Получение кормовых дрожжей из торфа / Под ред. В.Е. Раковско-го. Минск, 1977.-230 с.

82. Влияние продуктов гидролиза различных видов торфа на рост белковых дрожжей / Г.В. Наумова, Г.И. Райцина, В.В. Лях и др. // Торфяная промышленность. 1981. - № 7. - С. 22-23.

83. О химическом составе гидролизатов верхового и низинного торфа / Г.В. Наумова, Г.И. Райцина, В.В. Лях и др. // Известия АН БССР. серия хим. - 1982.-№ 2. - С. 94-97.

84. Овчинникова Т.Ф. Влияние природы минеральной кислоты на биологическую активность гидролизатов торфа // Торфяная промышленность. 1990. - № 11.-С. 41-44.

85. Климентов А.С., Скворцов С.В., Ершов Б.Г. Влияние у-облуче-ния на химический состав гидролизатов древесины // Журнал прикладной химии. 1980.-т. 53.-С. 1608-1611.

86. Богданович Н.И. Расчеты в планировании эксперимента. Л.: изд. ЛТА.- 1978.-80 с.

87. Перекальский Н.П., Филатенков В.Ф. Влияние гемицеллюлоз на процесс размола и свойства бумаги. М.: Лесная пром-сть.-1962. - 36 с.

88. Фляте Д.М. Свойства бумаги,- М.: Лесн.пром-сть, 1986. 680 с.

89. Милиховски М. О механизме взаимодействий в бумагообра-зующих гидрофильных системах // Химия древесины. 1990. - № 1. - С. 69-78.

90. Легоцкий С.С., Стебунов О.Б., Иванов М.А. Использование у-излучения для интенсификации размола целлюлозных материалов и обеззараживания макулатурной массы // Бумажная пром-сть. 1985. - № 2. - С. 6-9.

91. Применение плазмохимически модифицированной древесины в производстве бумаги / Соколов О.М., Комаров В.И., Казаков Я.В. и др. // Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. т. 2.- Москва, 2001. - С. 76-77.

92. Применение щелочерастворимых экстрактов плазмохимически модифицированной древесины для упрочнения бумаги / О.М. Соколов, В.И. Комаров, Д.Г. Чухчин и др. // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2001. -№ 5-6. -С.28-31.