WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

РУДАКОВА

Инна Сергеевна

ИССДЕДОВАНИЕ АГРЕГАТИВНОЙ И СЕДИМЕНТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДИСПЕРСИЙ СУЛЬФАТНОГО ЛИГНИНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Специальность 02.00.11 – коллоидная химия и физико-химическая механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Санкт-Петербург – 2007

Работа выполнена на кафедре охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров.

Научный руководитель – доктор химических наук, профессор

Чернобережский Юрий Митрофанович

Официальные оппоненты – доктор химических наук

Голикова Евгения Викторовна

кандидат химических наук

Левашова Лариса Григорьевна

Ведущая организация – Санкт-Петербургская государственная

лесотехническая академия

имени С.М. Кирова

Защита состоится «___»______________в на заседании диссертационного совета № К 212.231.01 при Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров.

(198095, С–Петербург, ул. Ивана Черных, 4, СПбГТУРП).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУРП.

Автореферат разослан «___»____________2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Евдокимов А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Проблема устойчивости дисперсных систем до сих пор является одной из центральных в коллоидной химии. Несмотря на огромное число работ в этой области, обсуждающих природу агрегативной устойчивости (теория ДЛФО и ее дальнейшее развитие) и закономерностей, связанных с ее потерей – коагуляцией (кинетика быстрой, медленной и обратимой коагуляции), многие вопросы остаются еще недостаточно исследованными.

Помимо общенаучного (фундаментального) значения решение этих вопросов имеет большое прикладное значение. Так, исследование агрегативной и седиментационной устойчивости водных дисперсий сульфатного лигнина, образующегося при сульфатном способе варки древесины, является важным для решения широкого круга вопросов химической технологии переработки древесины, а также охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

В настоящее время этот способ варки древесины является наиболее распространенным и водоемким. В результате делигнификации древесины получают два продукта: сульфатную целлюлозу и черный щелок. Теоретически этот способ должен быть практически безотходным, так как черные щелока перерабатываются и при их регенерации получают химические компоненты, которые используются вновь в варочных процессах в основной технологии. Однако, как показывает практика, не весь объем черных щелоков извлекается и направляется на регенерацию. В результате обслуживания технологического оборудования и переливов образуются сточные воды, основным загрязняющим компонентом которых является сульфатный лигнин.

Большой объем загрязнений, сбрасываемых в водные объекты целлюлозно-бумажными предприятиями, связан с низкой эффективностью, а нередко и отсутствием локальных систем очистки, основное назначение которых – максимальное замыкание водооборота в конкретном технологическом процессе, очистка от специфических загрязнений.

Как было отмечено выше, специфическим загрязнением сточных вод сульфатного производства целлюлозы является сульфатный лигнин, который наиболее целесообразно удалять на стадии образования и выделения щелокосодержащего потока сточных вод до системы централизованной биологической очистки, так как существующие методы биологической очистки практически его не удаляют. В связи с этим требуется применение и детальная разработка физико-химических, и в частности, коагуляционных методов. Поэтому для проектирования и обоснования систем локальной очистки и доочистки сточных вод от этого специфического компонента необходимо иметь информацию о коллоидно-химических свойствах водных растворов сульфатного лигнина. Выбор и обоснование методов физико-химической очистки, нахождение оптимальных условий удаления лигносодержащих компонентов представляет важную для практики задачу.

Кроме того, в целлюлозно-бумажной промышленности для получения полезных продуктов используется только 50 – 60 % древесного сырья, в основном его полисахаридные компоненты, остальная часть, главным образом технические лигнины (щелочные лигнины, гидролизный лигнин, лигносульфонаты и др.), используется, в основном, в качестве топлива: 99,9% сульфатного лигнина сжигается при регенерации варочного щелока, также сжигается 35% гидролизного лигнина при общем коэффициенте полезного использования менее 40%. Одним из путей увеличения коэффициента полезного использования древесины в целлюлозно-бумажной промышленности является расширение производства полезных продуктов на основе технических лигнинов и прежде всего щелочного сульфатного лигнина. Целенаправленное решение этой задачи требует детального изучения физико-химических свойств лигнинов.

Таким образом, получение новой информации об агрегативной устойчивости водных дисперсий сульфатного лигнина, который в зависимости от рН водной среды может обладать как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами представляет интерес, как для фундаментальной науки – коллоидной химии, так и для решения прикладных задач, связанных с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов.

Цель и задачи исследования.

Целью работы являлось исследование агрегативной и седиментационной устойчивости разбавленных (10 мг/л) водных дисперсий сульфатного лигнина при различных значениях рН.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать агрегативную и седиментационную устойчивость водных дисперсий сульфатного лигнина в широком диапазоне рН (12.0 – 2.3) при концентрации сульфатного лигнина 10 мг/л методами поточной ультрамикроскопии и спектрофотометрии.

2. Исследовать зависимость размеров частиц водных дисперсий сульфатного лигнина от рН (9.4 – 2.1) при концентрации сульфатного лигнина 10 мг/л методом фильтрации на трековых мембранах.

Научная новизна.

В ходе данной работы впервые:

– Для исследования данной системы были применены методы поточной ультрамикроскопии и мембранной фильтрации

– Показано, что низкоконцентрированная (10 мг/л) дисперсия сульфатного лигнина во всем исследованном диапазоне рН (12.0 – 2.1) является полидисперсной системой.

– Показано, что процесс агрегации частиц сульфатного лигнина «начинается» уже при рН 11.0 и интенсивно протекает при рН 4.5, в то время как по данным, полученным методом спектрофотометрии, обнаружить это ранее не представлялось возможным.

– Метод фильтрации исследуемых дисперсий через трековые мембраны позволил определить их массовый фракционный состав (% масс.) для следующих интервалов размеров частиц: <30 нм, 30 – 50 нм, 50 – 70 нм, 70 – 100 нм, 100 – 200 нм и >200 нм. Показано, что в области рН 9.4 – 5.7 преобладающая масса частиц имеет размер 30 – 50 нм, максимальное содержание частиц размером 100 – 200 нм находится в области рН 4.6 – 3.8. При рН 2.1 95 % частиц имеют размер >200 нм.

Практическая ценность.

Полученные данные могут представлять значительный интерес для практики, так как позволяют оптимизировать существующий процесс выделения сульфатного лигнина из щелокосодержащих потоков и разрабатывать системы локальной очистки этих стоков.

На защиту выносятся:

– результаты исследования процесса агрегации низкоконцентрированных (10 мг/л) водных дисперсий сульфатного лигнина в широком интервале рН (12.0 – 2.3), полученные методами поточной ультрамикроскопии и спектрофотометрии;

– массовый фракционный состав дисперсий сульфатного лигнина в интервале рН 9.4 – 2.1, определенный методом мембранной фильтрации.

Апробация работы и публикации.

Основные положения диссертационной работы докладывались на международной конференции «Физико-химия лигнина» (Архангельск, 2005) и на всероссийском семинаре заведующих кафедрами экологии и охраны окружающей среды (Пермь, 2006). Основные результаты работы опубликованы в виде 2 статей и 3 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 118 страницах, включает 30 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы – 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение. Во введении дана краткая характеристика проблем, затрагиваемых в диссертации, формулировка основных ее целей и задач, приведены положения, выносимые на защиту.

Глава 1 является обзором литературы. В ней рассмотрены классические представления об устойчивости дисперсных систем, состав и основные свойства сульфатного лигнина (электроповерхностные свойства, агрегативная и седиментационная устойчивость).

Глава 2 посвящена описанию объектов и методов исследования.

Для исследования был выбран сульфатный лигнин, представляющий собой среднюю пробу опытно-промышленной партии, полученной в лигнинном цехе Соломбальского ЦБК. Лигнин осаждался из черного щелока подкислением серной кислотой.

Навеску сульфатного лигнина растворяли 0.01 н NaOH, после чего выдерживали не менее 24 часов для достижения полного растворения сульфатного лигнина. Концентрация сульфатного лигнина в растворе составляла 1.0 г/л (рН 11.2). Из полученного раствора методом «мгновенного смешения» приготавливали исследуемые системы с необходимым значением рН и концентрацией лигнина 10 мг/л. Для регулирования величины рН использовали 0.1 н раствор H2SO4 и 1 н раствор NaOH.

Агрегативная и седиментационная устойчивость водных дисперсий сульфатного лигнина на первом этапе исследовалась методом спектрофотометрии. Оптическая плотность системы определялась на спектрофотометре СФ – 46 при длине волны =280 нм. рН системы контролировали с помощью рН-метра-милливольтметра рН-673М с точностью ±0.05ед.рН. Эффективность коагуляционного выделения сульфатного лигнина определяли после двухчасового отстаивания системы по остаточной концентрации сульфатного лигнина в растворе (Ср) и в фильтрате (Сф). Фильтрация осуществлялась через бумажный фильтр «синяя лента». Остаточную концентрацию сульфатного лигнина определяли спетрофотометрически по предварительно полученной калибровочной зависимости, измеряя оптическую плотность исследуемого раствора при =280 нм.

Для наблюдения за процессом агрегации частиц сульфатного лигнина и определения их численной концентрации впервые была использована усовершенствованная конструкция поточного ультрамикроскопа ВДК – 4. Наличие в ней оптического клина, уменьшающего интенсивность падающего света, позволяло судить об изменении размеров образующихся агрегатов частиц сульфатного лигнина. Значение численной концентрации n взвешенных (коллоидных) частиц сульфатного лигнина в растворе с концентрацией Ссл=10 мг/л при заданных положениях оптического клина, различных значениях рН и времени наблюдения определяли по формуле:

n=(N*а*)/t*V, 1/см3,

где N – число вспышек, зарегистрированных за время наблюдения t (с); а – константа диафрагмы; – время прохождения через кювету объема исследуемой системы V (см3), с.

Для исследования зависимости размеров частиц водных дисперсий сульфатного лигнина от рН применяли метод фильтрации в тупиковом режиме на трековых мембранах с размерами пор 200, 100, 70, 50 и 30 нм. Применяли фильтрационную ячейку (объем 200 см3, площадь поперечного сечения 25.5 см2) производства Института аналитического приборостроения. Фильтрацию приготовленной дисперсии сульфатного лигнина осуществляли последовательно через трековые мембраны с убывающим размером пор. Весь процесс фильтрации занимал примерно 4 часа.

Эффективность фильтрационной задержки частиц сульфатного лигнина оценивали по следующей формуле:

Э=(D0-Di)/D0*100%,

где D0 – величина оптической плотности исходного раствора сульфатного лигнина; Di – величина оптической плотности фильтрата.

Величину оптической плотности исходного раствора и фильтратов сульфатного лигнина определяли на фотоэлектроколориметре КФК – 3 – 01 при длине волны 480 нм.

Глава 3 посвящена результатам исследования и их обсуждению.

В разделе 3.1 представлены результаты исследования агрегативной и седиментационной устойчивости раствора сульфатного лигнина с концентрацией Ссл=10 мг/л в широком диапазоне рН методом спектрофотометрии. На рис. 1. представлены зависимости остаточной концентрации сульфатного лигнина над осадком (Ср) и в фильтрате (Сф). Как видно из рисунка в диапазоне рН 11.0 – 3.2 исследуемая система является седиментационно устойчивой, о чем свидетельствует равенство величин Ср и Сф и соответствие их исходной концентрации сульфатного лигнина в растворе. При дальнейшем понижении рН наблюдается уменьшение величин Ср и Сф, что является результатом агрегации и седиментации частиц сульфатного лигнина.

Наблюдаемая резкая потеря седиментационной устойчивости сульфатного лигнина при рН<3.2 обусловлена уменьшением плотности заряда ( – потенциала) частиц по мере приближения к точке нулевого заряда (изоэлектрической точке), которая находится в области рН 2.

Таким образом, из данных полученных методом спектрофотометрии, можно сделать вывод о седиментационной устойчивости сульфатного лигнина в интервале рН 11.0 – 3.2. Однако процессы агрегации частиц сульфатного лигнина в этом интервале рН до сих пор остаются недостаточно изученными. В связи с этим для более детального исследования процесса агрегации водных дисперсий сульфатного лигнина были использованы методы поточной ультрамикроскопии и мембранной фильтрации.

В разделе 3.2 приведены результаты поточноультрамикроскопического исследования агрегативной устойчивости водных дисперсий сульфатного лигнина. Исходный раствор сульфатного лигнина (рН 12.0) является полидисперсной агрегативно устойчивой системой, о чем свидетельствует практическое отсутствие зависимости n от времени наблюдения и уменьшение величины n по мере уменьшения светопропускания оптического клина (рис. 2).

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»