ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА НА ОСНОВЕ ЩЕПЫ САКСАУЛА ЧЕРНОГО И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Шилина Ю. А., Нечипуренко С. В., Ефремов С. А., Наурызбаев М. К., Центр физико-химических методов исследования и анализа Казахского национального университета имени аль-Фараби, Алматы, Казахстан

Древесина представляет собой постоянно возобновляемый источник сырья, значение которого в комплексной химической переработке непрерывно возрастает. Наиболее важная отрасль переработки — производство технической целлюлозы, лигнина и волокнистых полуфабрикатов.

В Республике Казахстан имеется уникальное растительное сырье для производства высококачественного лигнина — многотоннажные отходы санитарных вырубок в местах произрастания саксаула черного, относящегося к порядку гвоздичных семейства маревых. В работе предложен метод получения гидролизного лигнина из щепы саксаула.

Гидролизный лигнин представляет собой опилкоподобную массу с влажностью 65–70 %. В его состав входят собственно лигнин растительной клетки, часть полисахаридов, группа веществ лигногуминового комплекса, не отмытые после гидролиза моносахара минеральные и органические кислоты, зольные и другие вещества. Гидролизный лигнин характеризуется большим объемом пор, приближающимся к пористости древесного угля, высокой реакционной способностью по сравнению с традиционными углеродистыми восстановителями и вдвое большим по сравнению с древесиной содержанием твердого углерода, достигающим 30 % (почти половины количества углерода, содержащегося в древесном угле).

Частица гидролизного лигнина не является плотным телом, а имеет развитую систему микро- и макропор; площадь внутренней поверхности определяется влажностью.

Характеристики исходного сырья, в значительной степени влияющие на свойства получаемого лигнина, приведены в табл. 1.

Основные физические характеристики древесины саксаула

Зольность, %	Плотность, кг/м3	Пористость, %	Влажность, %	Экстракционные вещества, %
1,7	1 250	36,6	9	5

Древесина саксаула черного имеет высокую плотность и низкую зольность. Экстракционные вещества составляют 5 %, что при гидролизной переработке не будет создавать особых трудностей.

Выделение лигнина осуществляли в автоклаве в течение 1 ч при температуре 200 °С и массовом соотношении саксаул : кислота = 1 : 8. В реакционную камеру автоклава загружали 100 г воздушно-сухих обессмоленных этиловым эфиром опилок саксаула размером 2,0–4,0 мм и 800 мл 1 н H₂SO₄. После охлаждения содержимое автоклавов фильтровали на воронке Бюхнера. Осадок помещали в термостойкую колбу объемом 500 мл, добавляли 250–300 мл дистиллированной воды и при слабом кипении выдерживали 1 ч. Полученный гидролизный лигнин фильтровали и промывали дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод. Выход лигнина при использовании такого метода составил 29 % от исходной массы щепы саксаула. При использовании H₂SO₄ 72%-ной концентрации разница в выходе не превышала 0,3 %.

Основные физико-химические характеристики полученного гидролизного лигнина приведены в табл. 2.

Выход лигнина, %	Суммарный объем пор, см3/г	рН водной вытяжки	Влажность, %	Зольность, %	Сорбционная емкость по йоду, мг/г	Удельная поверхность, м2/г
29	1,157	9,4	7,5	8,2	63,5	874,7

Полученный лигнин обладает высокими показателями сорбционной емкости по йоду (63,5 мг/г) и большой удельной поверхностью (874,7 м²/г), что указывает на перспективность автоклавного метода гидролиза.
Для идентификации природы лигнина были сняты ИК-спектры полученного материала на спектрометре «IR 200» с Фурье-преобразователем. Результаты представлены на рисунке и в табл. 3.

ИК-спектр лигнина, полученного из щепы саксаула черного гидролизным методом в автоклаве

Отнесение полос поглощения в ИК-спектрах лигнина, полученного с 1 н H₂SO₄

Полоса поглощения, см^-1	Отнесение полосы поглощения
3 375,99	Валентные колебания –О-Н
1 701,63	Валентные колебания несопряженных С=О
1 602,50 и 1 510,33	Колебания ароматического кольца
1 305,53	Веерные СН₂ (углеводороды с неразветвленными цепями)
1 269,46	Скелетные колебания гваяцильного кольца
1 213,87	Валентные колебания –С-ОН
1 113,89	Скелетные валентные колебания (ацетали)
1 031,53	Деформационные колебания связей С-Н и С-О
848,61	Деформационные С-Н (3-замещенная двойная связь в 6-членном цикле)
722,41	Маятниковые СН₂

Для лигнина наиболее характерны полосы поглощения в областях 1 510 и 1 600 см^-1 (колебания ароматического кольца). Первую из них используют для доказательства присутствия лигнина, поскольку в этой области практически нет других полос. Типичные полосы для гваяцильных и сирингильных колец находятся соответственно около 1 270 и 1 330 см^-1. Интенсивные полосы поглощения, проявляющиеся в интервале 1 660–1 715 см^-1, обусловлены карбонильными группами и позволяют сделать заключение о присутствии этих групп в структуре лигнина. В спектре видна полоса валентных колебаний гидроксильных групп в области 3 400 см^-1, которую, однако, нельзя использовать для оценки структуры таких сложных молекул, как лигнин. То же относится к полосам в интервале 1 000–1 400 см^-1, возникающим вследствие комбинации и перекрывания полос валентных колебаний связей С-О и некоторых деформационных колебаний. Ширина и интенсивность полос 1 000–1 100 см^-1характеризуют присутствие примесей сахаров или полисахаридов.

Таким образом, определены параметры и физические свойства исходного сырья, получен гидролизный лигнин с 1 н H₂SO₄, установлены его основные физико-химические характеристики и с помощью ИК-спектроскопии идентифицирована природа лигнина.

Shilina Yu. A., Nechipurenko S. V., Efremov S. A., Nauryzbaev M. K., Center of Physical and Chemical Methods of Research and Analysis, al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan

The hydrolytic lignin was recovered from black saxaul chips. The paper describes its physical and chemical characteristics, and provides the IR-spectroscopy results to confirm the nature and origin of lignin.

Шилина Юлия Александровна, магистр, Центр физико-химических методов исследования и анализа Казахского национального университета имени аль-Фараби, ул. Карасай батыра, 95А, Алматы, 050012, Казахстан. Тел./факс (7272) 92-37-31. E-mail₁, e-mail₂, e-mail₃
Нечипуренко Сергей Витальевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., Центр физико-химических методов исследования и анализа Казахского национального университета имени аль-Фараби, ул. Карасай батыра, 95А, Алматы, 050012, Казахстан. Тел./факс (7272) 92-37-31. E-mail₁, e-mail₂
Ефремов Сергей Анатольевич, канд. техн. наук, доц., вед. науч. сотр., Центр физико-химических методов исследования и анализа Казахского национального университета имени аль-Фараби, ул. Карасай батыра, 95А, Алматы, 050012, Казахстан. Тел./факс (7272) 92-37-31. E-mail₁, e-mail₂