ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2023.242.216-231isplta-17Research ArticleХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ. БИОТЕХНОЛОГИЯCHEMICAL TECHNOLOGY OF WOOD. BIO TECHNOLOGYДелигнификация соломы пшеницы растворами гидроксида калия с использованием калийного черного щелока в качестве органоминерального удобренияDelignification of wheat straw with potassium hydroxide solutions using potassium black liquor as an organomineral fertilizerВураскоА. В.VuraskoA. V.

ВУРАСКО Алеся Валерьевна – заведующая кафедрой технологий целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров, доктор технических наук, профессор

620100, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург

VURASKO Alesya V. – DSc (Technical), Professor of the department technology of pulp and paper industries and polymer processing

620100. Siberian tract 37. Yekaterinburg

vurasko2010@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7428-2878ШерстобитовА. Л.SherstobitovA. L.

ШЕРСТОБИТОВ Алексей Леонидович – инженер кафедры технологий целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров

620100, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург

ResearcherID: AAC -3200-2022

SHERSTOBITOV Alexey L. – Engineer of the Department of Technologies of Pulp and Paper Production and Polymer Processing

620100. Siberian tract 37. Yekaterinburg

sherstobitoval@m.usfeu.ruАгеевМ. А.AgeevM. A.

АГЕЕВ Максим Аркадьевич – доцент кафедры Технологий целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров

620100, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург

AGEEV Maksim A. – PhD (Technical), Associate Professor of the department technology of pulp and paper industries and polymer processing

620100. Siberian tract 37. Yekaterinburg

ageevma@m.usfeu.ruСиваковВ. П.SivakovV. P.

СИВАКОВ Валерий Павлович – профессор кафедры Технологических машин и технологии машиностроения, доктор технических наук, профессор

620100. Siberian tract 37. Yekaterinburg

SIVAKOV Valeriy P. – DSc (Technical), Professor Department of Technological Machines and Mechanical Engineering Technology

620100. Siberian tract 37. Yekaterinburg

sivakovvp@m.usfeu.ruУральский государственный лесотехнический университетРоссияUral State Forest Engineering UniversityRussian Federation2023080220240242216231Copyright © Вураско А.В., Шерстобитов А.Л., Агеев М.А., Сиваков В.П., 20242024Вураско А.В., Шерстобитов А.Л., Агеев М.А., Сиваков В.П.Vurasko A.V., Sherstobitov A.L., Ageev M.A., Sivakov V.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/17

При производстве целлюлозы натронным способом из недревесного сырья небольшие предприятия не могут утилизировать черные щелока, так как наличие отдела регенерации экономически оправдано только для крупных целлюлозно- бумажных комбинатов. Эффективно утилизировать отработанные варочные растворы можно при переходе на варку с растворами КОН взамен NaOH и черные щелока использовать как органоминеральное удобрение. Цель исследования – получение целлюлозы из соломы пшеницы с растворами гидроксида калия при различных условиях варки и оценка возможности использования отработанных варочных растворов в качестве органоминерального удобрения. Варки проводили при условиях: гидромодуль 8:1; расход щелочи в ед. К2О и Na2O 10–16% от абсолютно сухого сырья; подъем температуры 60 мин.; варка при температуре 160 С 60 мин. При варке с растворами КОН проводили и изучали стадию пропитки. Из отработанного черного щелока от варки соломы пшеницы с расходом 14% готовили растворы для полива с заданными концентрациями. Дополнительная пропитка дает возможность получить калийную целлюлозу, сопоставимую с натронной по массовой доле лигнина и с меньшей зольностью. Показано, чем выше начальная концентрация варочного раствора при пропитке, тем выше скачок температуры и выше температура при дальнейшей пропитке. Снижение температуры пропитки на 5 С приводит к снижению температуры разогрева суспензии на 0,4–2,3 С, сокращению продолжительности разогрева в 3 раза и ускорению охлаждения системы в среднем в 5 раз. Продолжительность пропитки не более 60 мин. Выявлено, что растворы КОН способствуют лучшему удалению SiO2 из растительного сырья, чем растворы NaOH в заданных условиях варки. Установлено, что отработанный варочный раствор пригоден в качестве органоминерального удобрения с концентрацией 2,8·10–5 г взвешенных веществ в 1 л.

In the production of cellulose by the natron method from non-wood raw materials small enterprises cannot dispose of black liquor. It is possible to effectively dispose of used cooking solutions in the transition to cooking with KOH solutions instead of NaOH and black liquor to use as an organomineral fertilizer. The goal of the study was to obtain cellulose from wheat straw with potassium hydroxide solutions under various cooking conditions and to evaluate the possibility of using spent cooking solutions as an organomineral fertilizer. Cooking was carried out under the conditions: hydromodule 8:1; consumption of alkali in units. K2O and Na2О – 10–16% of absolutely dry raw materials; temperature rise 60 min; cooking at 160 C – 60 min. When cooking with KOH solutions, the impregnation stage was carried out and studied. Solutions for irrigation with specified concentrations were prepared from the spent black liquor from cooking wheat straw with a consumption of 14%. Additional impregnation makes it possible to obtain potassium cellulose comparable to sodium in terms of the mass fraction of lignin and with a lower ash content. A decrease in the impregnation temperature by 5 C leads to a decrease in the heating temperature of the suspension by 0.4–2.3 C, a reduction in the heating time by 3 times and an acceleration of cooling of the system by an average of 5 times. It was found that KOH solutions promote better removal of SiO2 from plant raw materials than NaOH solutions under the specified cooking conditions. It was found that the used cooking solution is suitable as an organomineral fertilizer with a concentration of 2.8·10–5 g of suspended solids per liter.

целлюлозачерный щелокотработанный варочный растворкалийная варкаделигнификацияорганоминеральные удобренияпосевcelluloseblack liquorspent cooking solutionpotash cookingdelignificationorganomineral fertilizerssowingReferencesАзаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб.: СПбЛТА, 2010. 624 с.Azarov V.I., Burov A.V., Obolenskaya A.V. Chemistry of wood and synthetic polymers. St. Petersburg: SPbLTA, 2010. 624 p. (In Russ.)Волошин Е.И., Аветисян А.Т. Руководство по удобрению капустных культур (ярового рапса, сурепицы, горчицы, редьки масличной) [Электрон. ресурс] / Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2017. 28 с.Davlyashin K.S., Pazukhina G.A. Delignification of pine wood under conditions of low-temperature cooking in solutions of sodium and potassium hydroxides. Izvestia Sankt-Peterburgskoj Lesotehniceskoj Akademii, 2010, iss. 191, pp. 188–194. (In Russ.)Вураско А.В., Шерстобитов А.Л., Агеев М.А., Алтыбаев Н.Н. Влияние вида щелочи на характеристики целлюлозы из соломы пшеницы // Химия. Экология. Урбанистика. 2021. Т. 4. С. 87–91.Huang G., Liang H., Chen Z., Li S. Eco-friendly cooking of rice straw to eliminate the release of black liquor. TUPPY's magazine, 2010, pp. 7–12.Давляшин К.С., Пазухина Г.А. Делигнификация древесины сосны в условиях низкотемпературной варки в растворах гидроксидов натрия и калия // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2010. Вып. 191. С. 188–194.Huang G., Liang H., Chen Z., Li S. An environmentally friendly process of cooking rice straw to eliminate the release of black liquor TAPPI Journal, 2011, pp. 39–44.Непенин Н.Н., Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т. 3. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы получения целлюлозы. М.: Экология, 1994. 592 с.Huang G., Shi J.H., Langrish T.A. Mechanisms and kinetics of cooking NH4 OHKOH from rice straw. Technology of bioresources, 2007, 98(6), pp. 1218–1223.Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Лесн. пром-сть, 1991. 320 с.Huang G., Zhang K., Chen Z. Cooking wheat straw using caustic potassiumammonia aqueous solutions and its kinetics. Chinese J. Chem. Eng., 2006, vol. 14(6), pp. 729–733.Роговин З.А. Химия целлюлозы. М.: Химия, 1972. 520 с.Huang G., Zhang K., Fang Yu. J. Cleaner production of wheat straw, Technological process, 2002, 2(6), pp. 547–552.Смирнова Е.Г., Лоцманова Е.М., Журавлева Н.М. [и др.]. Материалы из нетрадиционных видов волокон: технологии получения, свойства, перспективы применения: монография / под ред. А.В. Вураско. Екатеринбург: УГЛТУ, 2020. 252 с. URL: https://e.lanbook.com/book/157266 (дата обращения: 12.12.2022).Jahan M. S., Actor T., Nayim J., Samaddar P. R., Moniruzzaman M. Cooking from spontaneous sugar with potassium hydroxide (kash). Journal of Science and Technology for Forest Products and Processes, 2016, vol. 6, no. 1, pp. 46–53.Huang G., Liang X., Chen Z., Li C. Environmentally friendly pulping of rice straw to eliminate black liquor discharge // TAPPI Journal. 2010. Р. 7–12. DOI: 10.32964/TJ10.6.39Nepenin N.N., Nepenin Yu.N. Cellulose technology // Vol.3 Purification, drying and bleaching of cellulose. Other methods of obtaining cellulose. M.: Ecology, 1994. 592 p. (In Russ.)Huang G., Liang X., Chen Z., Li C. Environmentally friendly pulping process for rice straw to eliminate black liquor discharge // TAPPI Journal. 2011. Р. 39–44.Obolenskaya A.V., Yelnitskaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratory work on the chemistry of wood and cellulose. M.: Lesn. prom-st, 1991. 320 p. (In Russ.)Huang G., Shi J.X., Langrish T.A. NH4 OH-KOH Pulping Mechanisms and Kinetics of Rice Straw // Bioresource Technology. 2007. 98(6). Р.1218–1223. DOI: 10.1016/j.biortech.2006.05.002Park S.Yu., Koda K., Matsumoto Yu., Meshitsuka G., Liyama K. Comparison of kinetics of delignification and removal of silica during alkaline cooking of rice straw. Kami Pa Geke Shi., 1999, vol. 53(11), pp. 1492–1499. (in Japanese).Huang G., Zhang C., Chen Z. Pulping of wheat straw with caustic potashammonia aqueous solutions and its kinetics // Chinese J. Chem. Eng. 2006. Vol. 14(6). Р. 729–733. DOI: 10.1016/S1004-9541(07)60003-2Smirnova E.G., Lotsmanova E.M., Zhuravleva N.M. [et al.]. Materials from nontraditional types of fibers: production technologies, properties, application prospects: monograph / edited by A.V. Vurasko. Yekaterinburg: UGLTU, 2020. 252 p. URL: https://e.lanbook.com/book/157266 (accessed December 12, 2022). (In Russ.)Huang G., Zhang C., Fang Y.J. Cleaner Production of Wheat Straw // Process Eng. 2002. 2(6). Р. 547–552. DOI: 10.5772/intechopen.77274Qi K. China is catching up. Pulp and Paper int., 2004, 46(4), pp. 45–48.Jahan M. S., Akter T., Nayeem J., Samaddar P. R., Moniruzzaman M. Potassium hydroxide pulping of saccharum spontaneum (kash) // Journal of Science & Technology for Forest Products and Processes. 2016. Vol. 6, nо. 1. P. 46–53. DOI: 10.3329/bjsir.v53i1.35903Rainey T.J., Doherty W.O., Sharman S.A. Comparison of bagasse and water-saving alternatives using KOH/AQ cooking. Journal Appita, 2014, 67(2), pp. 128–132.Park S.Y., Koda K., Matsumoto Y., Meshitsuka G., Liyama K. Kinetics comparison between delignification and silica removal during alkaline pulping of rice straw // Kami Pa Gikyo Shi. 1999. Vol. 53(11). Р. 1492–1499. (in Japanese). DOI: 10.2524/jtappij.53.1492Rogovin Z.A. Chemistry of cellulose. M.: Chemistry, 1972. 520 p. (In Russ.)Qi K. China Catches Up // Pulp and Paper Int. 2004. 46(4). Р. 45–48.Sutradhar S., Sarkar M., Nayeem J., Sarwar Jahan M., Tian C. Potassium hydroxide pulping of four non-woods. Bangladesh J. Sci. Ind. Res., 2018, vol. 53(1), pp. 1–6.Rainey T.J., Doherty W.O., Sharman S.A. A Comparison between Bagasse and Water Efficient Alternatives using KOH/AQ Pulping // Appita Journal. 2014. 67(2). Р. 128–132.Voloshin E.I., Avetisyan A.T. Guidelines for fertilizing cabbage crops (spring rapeseed, mustard, mustard, oilseed radish) [Electronic resource] Krasnoyar. gos. agrar. un-T. Krasnoyarsk, 2017. 28 p. (In Russ.)Sutradhar S., Sarkar M., Nayeem J., Sarwar Jahan M., Tian C. Potassium hydroxide pulping of four non-woods // Bangladesh J. Sci. Ind. Res. 2018. Vol. 53(1). P. 1–6. DOI: http://dx.doi.org/10.3329/bjsir.v53i1.35903Vurasko A.V., Sherstobitov A.L., Ageev M.A., Altybaev N.N. The effect of the type of alkali on the characteristics of cellulose from wheat straw. Chemistry. Ecology. Urbanistics, 2021, vol. 4, pp. 87–91. (In Russ.)Xiao C., Fauci M., Bezdicek D. F., McKean W. T., Pan W. L. Soil microbial responses to potassium-based black liquor from straw pulping // Soil Biology & Biochemistry and Soil Fertility & Plant Nutrition. 2006. Vol. 70. Р. 72–77.Xiao K., Fauci M., Bezdichek D.F., McKean U.T., Pan U.L. Reaction of soil microbes to potassium-based black liquor during straw cooking. Biology and biochemistry of soil, soil fertility and plant nutrition, 2006, vol. 70, pp. 72–77.Xiao C., Stevens R., Fauci M., Bolton R., Lewis M., McKean W.T., Bezdicek D.F., Pan W.L. Soil microbial activity, aggregation and nutrient responses to straw pulping liquor in corn cropping // Biology and Fertility of Soils. 2007. Vol. 43, nо. 6. Р. 709–719.Xiao K., Stevens R., Fauci M., Bolton R., Lewis M., McKean U. T., Bezdichek D.F., Pan U.L. Microbiological activity of soil, aggregation and reaction of nutrients to the solution for cooking straw during corn cultivation. Biology and soil fertility, 2007, vol. 43, no. 6, pp. 709–719.Yang W., Mu H., Huang Y. Treatment of black liquor from the papermaking industry by acidification and reuse // Journal of Environmental Sciences. 2003. Vol. 15, no. 5. Р. 697–700.Yang V., Mu H., Huang Yu. Processing of black liquor from the paper industry by acidification and reuse. Journal of Environmental Sciences, 2003, vol. 15, no. 5, pp. 697–700.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.