Экологическое обоснование возможности утилизации органического полимера (лигнина) с целью снижения геоэкологической нагрузки на окружающую среду

Введение…………………………………………………………… 5
Глава 1. Геоэкологические и технологические проблемы утилизации и переработки лигносульфонатов……………………………………………. 8
1.1 Анализ условий образования сульфитных щелоков и лигносульфонатов в целлюлозно-бумажной промышленности…………
8
1.2 Химический состав и физико-химические свойства сульфитных щелоков и лигносульфонатов……………………………………………… 15
1.3 Геоэкологическая оценка воздействия сульфитных щелоков, лигносульфонатов и техногенных накоплений на природные геосистемы…………………………………………………………………. 18
1.3.1 Воздействие сульфитных щелоков и лигносульфонатов на объекты окружающей среды…………………………………………………………. 18
1.3.2 Эколого-экономическая оценка ущерба от загрязнения почв при размещении лигносульфонатов…………………………………………… 22
1.4 Анализ способов утилизации и переработки сульфитных щелоков…. 25
1.5 Анализ областей применения лигносульфонатов……………………. 29
Глава 2. Методы и методики исследования. Характеристика объектов исследования………………………………………………………………… 34
2.1 Характеристика объекта исследования………………………………... 34
2.2 Методы и методики проведения исследований………………………. 36
2.2.1 Методика определения биостойкости лигноэпоксидных материалов…………………………………………………………………… 36
2.2.2 Методика определения токсичности полученных композиционных материалов…………………………………………………………………… 36
Глава 3. Исследование способов утилизации порошкообразных и жидких лигносульфонатов с получением композиционных строительных материалов…………………………………………………. 37
3.1 Обоснование выбора связующего для получения композиционных материалов на основе порошкообразных лигносульфонатов……………. 37
3.2 Определение биостойкости и токсичности лигноэпоксидных композиций…………………………………………………………………. 42
3.3 Обоснование выбора вяжущего для получения лигноцементных композиций…………………………………………………………………. 47
3.4 Оценка общей эффективности затрат на проведение природоохранных мероприятий по переработке лигносульфонатов……. 51
Заключение…………………………………………………………………. 59
Список сокращений и условных обозначений…………………………… 61
Список использованных источников………………………………………
62

Весь текст будет доступен после покупки

Актуальность темы исследования. В целлюлозно-бумажной промышленности для получения целлюлозы высокого качества, используемой в производстве печатной бумаги и картона, применяются сульфитный и бисульфитный способы термической обработки древесины. При этом образуются многотоннажные жидкие отходы – сульфитные щелока, содержащие лигносульфонаты (около 60% масс) и их производные - продукты гидролиза и химических превращений гемицеллюлоз, водорастворимые, экстрактивные и другие соединения. Удельный объём образования сульфитных щелоков в среднем составляет 6 - 8 м3/т целлюлозы. В настоящее время в России производство сульфитной и бисульфитной целлюлозы осуществляется на 10 крупных предприятиях и cоставляет более 700 тыс. т/год и, соответственно, образуется более 4 - 5 млн. т/год отработанных щелоков.
Основным способом утилизации отработанных сульфитных щелоков является их упаривание и/или сушка с получением технических лигносульфонатов (ЛС). ЛС обладают целым рядом уникальных коллоидно-химических свойств, что обусловливает их высокий ресурсный потенциал. Известно применение ЛС в качестве вяжущих добавок, реагентов для буровых растворов, пластифицирующих и водоредуцирующих добавок для бетона, красителей, связующего компонента в производстве композиционных материалов, сорбентов для очистки воздуха и воды, вяжущих веществ для топливных брикетов и др. (Сысоев А. К., Дайнеко И. П., Ruwoldt, Arpitha, Sudarshan, Thilak Kumar).
Несмотря на возможность получения целого ряда продуктов на основе ЛС, в России используют не более 10 % образующихся ЛС. Связано это с тем, что качество ЛС часто не отвечает заданным требованиям к продукту, а также объёмы их образования значительно превышают спрос, что приводит к формированию техногенных накоплений ЛС в окружающей среде, где они подвергаются медленной биологической деструкции под действием микроорганизмов, УФ-лучей и других факторов. Места складирования ЛС становятся источником эмиссий целого ряда соединений, в том числе высокотоксичных - фенолов, полифенолов и альдегидов, загрязняющих геосферные оболочки Земли. В связи с этим утилизация ЛС является актуальной геоэкологической и технологической задачей.
Проведённый анализ научно-технической информации по исследуемой проблеме показал принципиальную возможность разработки способов получения композиционных строительных материалов из модифицированных ЛС. Однако эта проблема ещё недостаточно изучена, исследование способов направленной модификации ЛС и создание на их основе композиционных строительных материалов позволит снизить экологическую нагрузку целлюлозно-бумажной промышленности на геосферные оболочки за счёт увеличения объёма сбыта отходов, а также создать новые биорезистентные строительные материалы.

Весь текст будет доступен после покупки

Глава 1. Геоэкологические и технологические проблемы утилизации и переработки лигносульфонатов
1.1 Анализ условий образования сульфитных щелоков и лигносульфонатов в целлюлозно-бумажной промышленности

В России объём производства сульфитной и сульфатной целлюлозы в 2021 году составил 8,8 млн. тонн в год [1], при этом 30% от всего производимого объёма приходится на долю сульфитной целлюлозы [2]. Сульфитная целлюлоза обладает высокими механическими свойствами, более высокой белизной и хорошей оптической плотностью в сравнении с сульфатной целлюлозой, что объясняет её широкое использование в производстве картона и газетной бумаги [3]. Производство сульфитной целлюлозы осуществляется на 10 крупных предприятиях и составляет 700 тыс. т/год, при этом образуется более 4 - 5 млн. т/год отработанных щелоков и, соответственно, 2-3 млн. т/год лигносульфонатов [4, 5].
В целлюлозно-бумажной промышленности при получении волокнистых полуфабрикатов в качестве сырья чаще всего используют древесину хвойных и лиственных пород. Древесина – это природный материал, состоящий из органических (? 99 %) и минеральных (0,3-1,0 %) веществ, основными компонентами которого являются: целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин (рисунок 1) [6, 7].


Рисунок 1 – Основные компоненты древесины

Целлюлоза является линейным гомополимером, состоящий из 7000-15000 единиц ?-D-глюкопиранозы, соединённых гликозидной связью 1-4. Высокомолекулярная структура целлюлозы образовывает кристаллическую решётку через водородные связи внутри молекул и между ними, что придает ей высокую механическую прочность [8, 9]. Целлюлоза очень стабильна и нерастворима в воде и традиционных растворителях.
Гемицеллюлозы представляют собой двумерный сополимер со степенью полимеризации равной n = 500-3000 [10, 11], преимущественно состоящий из гексозанов и пентозанов. [12].
Лигнин – это полимер ароматического характера, строение которого представляет собой гетерополимер, образованный неодинаковыми элементарными звеньями. Структурной единицей макромолекулы лигнина является фенилпропановая (С6-С3) единица (ФПЕ) [13, 14].
Фенилпропановые структурные единицы лигнина состоят из n- гидроксифенилпропановых (III), гваяцилпропановых (II) и сирингилпропановых (I) функциональных групп (рисунок 2) [15].

Рисунок 2 – Структурные фенилпропановые единицы лигнина хвойных и лиственных пород

Лигнин хвойных пород на 95% состоит из гваяцилпропановых единиц (I) и небольшого количеством n-гидроксифенилпропановых единиц (III). Лигнин лиственных пород представлен сирингилпропановыми (I) и гваяцилпропановыми (II) единицами [16].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Российский статистический ежегодник. 2021: Стат. сб. / Росстат. – М., 2021 – 692 с.
2. Кряжев А. М. Наилучшие доступные технологии - основа развития целлюлозно-бумажной промышленности и лесопромышленного комплекса России в XXI веке. - СПб., 2020. - 90 с. - URL: http://ecoline.ru/bat-basis-for-development-of- pulp-and-paper- industry-and-forestry-of-russia-in-21-century / (дата обращения: 08.12.2025).
3. Богомолов, Б.Д. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков: учебник для вузов / Б. Д. Богомолов, С.А. Сапотницкий, О.М. Соколов, А.А. Соколова и др. - М.: Лесная промышленность, 1989. – 360 с.
4. Сапотницкий С. А. Использование сульфитных щелоков. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Лесн. пром-сть, 1981. – 224 с.
5. Купряшкина Н. В. В центре внимания вопросы экологии сульфитно- целлюлозного производства // Бумажная промышленность. – 1990. № 4. с. 4 - 5.
6. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов. СПб.: СПбЛТА, 1999. – 628 с.
7. Постникова М. В., Носкова О. А. Химия древесины и синтетических полимеров: Конспект лекций. Перм. гос. техн. ун-т. 2003. Ч. 1. – 60 с.
8. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров. М.: Высшая школа, 1988. – 312 с.
9. Дудкин, М.С. Гемицеллюлозы / Дудкин М.С., Громов В.С., Ведерников Н.А. и др. // Рига: Зинатне.1991. – 488 с.
10. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и целлюлозы. М.: Лесная пром-сть, 1978. – 368 с.
11. Шарков В.И., Куйбина Н.И. Химия гемицеллюлоз. М.: Лесн. пром-сть, 1972. – 440 с.

Весь текст будет доступен после покупки