книги / Химия древесины и целлюлозы
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
О.А. Носкова, К.А. Синяев
ХИМИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2016
1
УДК 634.0.813 Н 84
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. Ф.Х. Хакимова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет),
канд. техн. наук, доц. Д.Р. Нагимов (ЗАО «Карбокам Пермь»)
Носкова, О.А.
Н 84 Химия древесины и целлюлозы: учеб.-метод. пособие / О.А. Носкова, К.А. Синяев. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 45 с.
ISBN 978-5-398-01578-2
Изложены краткие сведения о химическом составе древесины, строении и свойствах ее основных компонентов. Приведены методы определения содержания основных компонентов в древесине, а также описаны методики химического и физико-химического анализа целлюлозы.
Предназначено для студентов направления 240100.62 «Химическая технология» по профилю «Химическая технология переработки древесины» очного и заочного обучения.
УДК 634.0.813
ISBN 978-5-398-01578-2 |
ПНИПУ, 2016 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. Цели и особенности химического анализа |
|
древесины и другого растительного сырья.................................... |
4 |
2. Компонентный состав древесины................................................ |
5 |
3. Химический анализ древесины .................................................... |
7 |
3.1. Определение влажности древесины........................................ |
7 |
3.2. Определение зольности древесины....................................... |
10 |
3.3. Определение содержания экстрактивных веществ.............. |
11 |
3.3.1. Определение веществ, растворимых |
|
в органических растворителях ........................................................... |
12 |
3.3.2. Методика определения веществ, |
|
растворимых в холодной воде............................................................ |
15 |
3.3.3. Методика определения веществ, |
|
растворимых в горячей воде............................................................... |
15 |
3.4. Определение содержания лигнина в древесине ................... |
16 |
3.5. Определение содержания целлюлозы в древесине.............. |
19 |
3.6. Определение содержания пентозанов в древесине.............. |
23 |
4. Химический и физико-химический анализ целлюлозы ........ |
26 |
4.1. Определение медного числа целлюлозы............................... |
27 |
4.2. Определение устойчивости целлюлозы |
|
к растворяющему действию щелочей................................................ |
30 |
4.2.1. Методика определения альфа-целлюлозы...................... |
31 |
4.2.2. Методика определения - и -целлюлозы....................... |
32 |
4.3. Определение вязкости и средней степени |
|
полимеризации целлюлозы................................................................. |
34 |
4.3.1. Определение вязкости медно-аммиачного |
|
раствора целлюлозы............................................................................ |
36 |
4.3.2. Методика определения СП |
|
в медно-аммиачном растворе............................................................. |
39 |
Правила безопасности ведения работ в лаборатории |
|
химии древесины и целлюлозы...................................................... |
42 |
Список рекомендуемой литературы.............................................. |
44 |
|
3 |
1. ЦЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ И ДРУГОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Химия древесины – это раздел технической химии, изучающий химический состав древесины; химизм образования, строения и химические свойства веществ, составляющих мертвую древесную ткань; методы выделения и анализа этих веществ, а также химическую сущность природных и технологических процессов переработки древесины и ее отдельных компонентов.
Химия древесины и целлюлозы является теоретической базой технологии химической переработки древесины и целлюлознобумажного производства.
Химический анализ древесины и другого растительного сырья имеет важное значение дли оценки его пригодности в производстве целлюлозы, гидролизных и лесохимических производствах. Основным сырьем в целлюлозно-бумажном производстве в разных странах мира служит древесина различных пород – хвойных и лиственных. В России главным образом используют древесину хвойных пород – сосны, ели, пихты и лиственницы. В связи с постепенным истощением ресурсов древесины хвойных пород и более низкими ценами на древесину лиственных пород доля последней в сырьевом балансе цел- люлозно-бумажной промышленности все возрастает. Во многих развивающихся странах тропической и субтропической климатических зон для целлюлозного, а также гидролизного производств все большее значение приобретает недревесное «однолетнее» сырье, такое как солома культурных злаков, бамбук, багасса сахарного тростника, дикорастущиетравянистыерастения, тростникразличных видов идр.
Разные отрасли производства предъявляют к сырью свои специфические требования. Так, при оценке сырья для производства технической целлюлозы и бумаги важно знать содержание целлюлозы, позволяющее предсказать возможный выход продукции, а также определить режим делигнификации (содержание лигнина). Определение выхода редуцирующих сахаров позволяет оценить древесину как сырье для гидролизных производств. При этом определение содержания пентозанов и гексозанов укажет на соотно-
4
шение сбраживаемых и несбраживаемых сахаров, а также на возможный выход фурфурола. Установление содержания отдельных групп экстрактивных веществ (таннинов, смол, летучих эфирных масел и др.) имеет важное значение для оценки сырья в канифоль- но-экстракционном производстве.
2. КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ДРЕВЕСИНЫ
Схема компонентного (химического) состава древесины приведена на рис. 1. Абсолютно сухая древесина примерно на 99 % состоит из органических соединений (низко- и высокомолекулярных) и около 1 % минеральных.
Рис. 1. Химический состав древесины
Минеральные вещества при сжигании древесины и прокаливании остатка от сжигания в муфельной печи образуют золу.
К органическим веществам древесины относят углеводную, ароматическую части древесины и экстрактивные вещества.
Углеводная часть древесины представляет собой комплекс
полисахаридов, называемый холоцеллюлозой. Полисахариды, вхо-
дящие в холоцеллюлозу, – это высокомолекулярные соединения
5
(ВМС). Массовая доля холоцеллюлозы обычно 70–80 %, причем
вдревесине лиственных пород она выше, чем в древесине хвойных. В состав холоцеллюлозы входят целлюлоза и нецеллюлозные поли-
сахариды – гемицеллюлозы.
Целлюлоза – основной компонент древесины, составляющий 40–50 %. Это линейный полисахарид, макромолекулы которого построены из звеньев D-глюкозы, соединенных между собой гликозидной связью.
Целлюлоза нерастворима в органических растворителях, в воде и в растворах щелочей (гидроксидов натрия, калия и др.).
Гемицеллюлозы – это нецеллюлозные полисахариды, которые
вотличие от целлюлозы растворимы в щелочах, но нерастворимы ни в органических растворителях, ни в воде. Степень полимеризации (СП) гемицеллюлоз значительно меньше (100–200), чем у природной древесной целлюлозы (5000–10 000).
Гемицеллюлозы и другие нецеллюлозные полисахариды – это в основном смешанные полисахариды (гетерополисахариды), которые
ванализе древесины условно подразделяют на пентозаны и гексозаны. Пентозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят
в основном из звеньев пентоз, содержащих 5 атомов углерода. К пентозанам относятся ксиланы и арабинаны. Гексозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят в основном из звеньев гексоз, содержащих 6 атомов углерода. К гексозанам относятся различные маннаны, галактаны (галактан, арабиногалактан) и крахмал.
Древесина хвойных пород содержит меньше гемицеллюлоз, чем древесина лиственных пород умеренной климатической зоны. В древесине хвойных пород содержание пентозанов и гексозанов примерно одинаково, тогда как древесина лиственных пород содержит главным образом пентозаны и сравнительно мало гексозанов.
Кроме гемицеллюлоз, в древесине содержатся также некоторые водорастворимые нецеллюлозные полисахариды (крахмал, арабиногалактан), пектиновые вещества (комплекс трех компонентов – пектиновой кислоты, арабинана и галактана). Их рассматривают как водорастворимые экстрактивные вещества.
6
Ароматическая часть древесины, или лигнин, представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения. Доля лигнина в древесине обычно равна 20–30 %. При этом больше лигнина содержит древесинахвойныхпород именьше– лиственных.
Экстрактивные вещества древесины не входят в состав клеточных стенок (но могут иногда пропитывать их). Они находятся
вполостях клеток или в межклеточных каналах (в смоляных ходах
вдревесине хвойных пород) Эти вещества могут экстрагироваться из древесины нейтральными растворителями (водой или органиче-
скими растворителями). Массовая |
доля экстрактивных |
веществ |
||||||||||
в древесных породах умеренной зоны невелика (до 3–4 %). |
|
|
||||||||||
Компонентный состав древесины некоторых отечественных |
||||||||||||
пород представлен в таблице. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Массовая доля (%) основных компонентов |
|
|
||||||||
|
|
|
в различных породах древесины |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лигно-углеводный комплекс |
|
Экстрактивные вещества |
|
|
|||||||
|
|
Холоцеллюлоза |
|
|
раство- |
раство- |
|
|
Мине- |
|||
|
|
Гемицеллюлозы |
|
|
римые в |
римые |
|
|
||||
Поро- |
|
|
|
лету- |
|
ральные |
||||||
да |
Целю- |
|
|
|
Пекти- |
Лиг- |
|
органи- |
в холод- |
чие с |
|
вещест- |
|
лоза |
Гексо- |
Пенто- |
новые |
нин |
|
ческих |
ной |
паром |
|
ва |
|
|
|
заны |
|
заны |
веще- |
|
|
раство- |
и горя- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ства |
|
|
рителях |
чей воде |
|
|
|
Ель |
44,2 |
12,3 |
|
10,3 |
1,2 |
29,0 |
|
2,2 |
1,9 |
0,3 |
|
0,2 |
Сосна |
43,3 |
11,8 |
|
10,4 |
1,1 |
27,5 |
|
3,4 |
2,3 |
0,4 |
|
0,2 |
Осина |
43,6 |
2,0 |
|
26,0 |
1,8 |
20,1 |
|
1,6 |
2,3 |
– |
|
0,26 |
Береза |
41,0 |
3,0 |
|
28,0 |
1,5 |
21,0 |
|
1,8 |
2,2 |
– |
|
0,35 |
3.ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ
3.1.Определение влажности древесины
Методы определения влажности древесины, целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов являются общими. В основе методики определения влажности лежит уменьшение массы растительного сырья при высушивании до постоянной массы.
7
Анализ обычно проводят высушиванием навески древесины (около 1 г или более) в бюксе (стеклянном или алюминиевом) до постоянной массы при температуре (103±2) °С. При температуре ниже 100 °С удаление воды может быть неполным, а при температуре выше 105 °С может наблюдаться деградация компонентов древесины, приводящая к потере массы.
Термин влажность означает отношение массы влаги в древесине (целлюлозе или в других волокнистых полуфабрикатах) к массе влажной древесины (целлюлозы).
Влагосодержание − отношение массы влаги к массе абсолютно сухой древесины.
Коэффициент сухости воздушно-сухого сырья − это содер-
жание абсолютно сухого вещества в 1 грамме воздушно-сухого растительного сырья.
Абсолютно сухая древесина – это древесина, высушенная в сушильномшкафу притемпературе(103±2)°С до постоянноймассы.
Постоянной массой древесины считают такое значение массы, которое отличается от предыдущего не более чем на 0,0002 г.
Методика определения
Чистый пустой бюкс (вместе с крышкой в открытом виде) высушивают в сушильном шкафу при (103±2) °С до постоянной массы. В бюкс помещают навеску воздушно-сухих опилок массой около 1 г древесины. Бюкс с опилками (навеской) взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Сушат бюкс с навеской в сушильном шкафу при температуре (103±2) °С в течение 3–4 ч. Перед извлечением из сушильного шкафа бюкс закрывают крышкой, а затем помещают в эксикатор и охлаждают в эксикаторе 20 мин. Время охлаждения должно быть строго постоянным. Перед взвешиванием крышку бюкса на короткое время приоткрывают, чтобы уравнять давление воздуха. Высушивание бюкса повторяют по 1 ч (с последующим охлаждением и взвешиванием) до тех пор, пока масса не станет постоянной. После достижения постоянной массы бюкса с навеской необходимо взвесить пустой бюкс без навески.
8
Относительную влажность древесины вычисляют по формуле
W g g1 100 %, g
где g – масса навески воздушно-сухой древесины (до высушивания), г; g1 – масса навески абсолютно-сухой древесины (после высушивания), г.
Влагосодержание древесины Х вычисляют по формуле
X g g1 100 %. g1
Коэффициент сухости Kсух определяют по формуле
Kсух 100 W g1 .
100 g
Пример записи результатов взвешиваний и расчета коэффициента сухости
До высушивания: |
|
масса бюкса с навеской…. |
32,5012 г |
масса пустого бюкса……. |
31,5038 г |
масса влажной навески..... |
0,9974 г |
Результаты взвешивания:
1-е взвешивание…………. 32,4515 г
2-е взвешивание…………. 32,4420 г
3-е взвешивание…………. 32,4324 г
4-е взвешивание…………. 32,4327 г
После высушивания:
масса бюкса с навеской…... 32,4327 г масса пустого бюкса…….... 31,5026 г масса сухой навески…….... 0,9301 г
9
Коэффициент сухости Kсух 0,99740,9301 0,9325.
Во всех последующих химических анализах для расчета абсолютно сухой навески древесины значение взятой воздуш- но-сухой навески умножают на Ксух.
Контрольные вопросы
1.На чем основана методика определения влажности древе-
сины?
2.Что означает понятие «постоянная масса»?
3.Что такое влажность, влагосодержание, коэффициент сухости древесины?
4.Как, зная влажность древесины, рассчитать массу абсолютно сухой навески древесины (или воздушно-сухой навески)?
3.2.Определение зольности древесины
Всостав древесины наряду с органическими веществами входит также некоторое количество минеральных веществ. Состав минеральных веществ технических целлюлоз (или других волокнистых полуфабрикатов) может сильно отличаться от состава минеральной части древесины и зависит от условий получения полуфабрикатов.
Минеральные вещества при сжигании древесных материалов образуют золу. Содержание золы в древесине колеблется обычно от 0,25 до 1,0 %. Содержание золы в технических целлюлозах колеблется в очень широких пределах (от 0,02 до 1,0 %)
изависит от назначения технической целлюлозы.
Методы определения содержания золы основаны на сжигании навески древесного материала (целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов) в фарфоровом тигле с последующим прокаливанием остатка в муфельной печи при температурах от
550 до 600 °С.
10