Делигнификация соломы пшеницы растворами гидроксида калия с использованием калийного черного щелока в качестве органоминерального удобрения

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.

1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб.: СПбЛТА, 2010. 624 с.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Непенин Н.Н., Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы. Т. 3. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы получения целлюлозы. М.: Экология, 1994. 592 с.

6. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Лесн. пром-сть, 1991. 320 с.

7. Роговин З.А. Химия целлюлозы. М.: Химия, 1972. 520 с.

8. 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).

9. 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/TJ10.6.39

10. 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.

11. 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.2006.05.002

12. 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)60003-2

13. Huang G., Zhang C., Fang Y.J. Cleaner Production of Wheat Straw // Process Eng. 2002. 2(6). Р. 547–552. DOI: 10.5772/intechopen.77274

14. 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.v53i1.35903

15. 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.53.1492

16. Qi K. China Catches Up // Pulp and Paper Int. 2004. 46(4). Р. 45–48.

17. 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.

18. 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.v53i1.35903

19. 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.

20. 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.

21. 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.