Сведения об авторах

Застосування активованої води в процесі кислотного гідролізування

рослинних відходів з високим умістом пентозанів

 

Кашковський В. І., Каменських Д. С., Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії, Національної академії наук України, Київ, Україна

 

З біомаси можна виробляти різноманітні хімічні речовини. Головними складовими рослинних тканин є полісахариди та лігнін. Гідролізування полісахаридів з великим вмістом пентозанів дозволяє виготовляти надзвичайно цінний продукт — фурфурол, який широко використовують у різних галузях народного господарства. В Україні виробництво фурфуролу відсутнє, хоча сировинна база для цього досить потужна: із загального об'єму біомаси (24 млн т в перерахунку на умовне паливо) солома складає 23–24 %, а інші сільськогосподарські відходи (стебла, качани, лушпиння) — 19–20 %. Значним є об'єм утворення відходи деревопереробних підприємств. Сучасні методи дозволяють комплексно переробляти сировину, суміщаючи в одному технологічному циклі принаймні два процеси, наприклад одержання фурфуролу і біоетанолу. Зважаючи не це, необхідність утилізувати  біомасу, наявну у величезній кількості, не викликає сумніву.

 

У промисловості гідролізування пентозановмісної сировини проводять, використовуючи розбавлені та концентровані кислоти. Цей процес має низку недоліків (малий вихід цільового продукту, високу енергоємність,  утворення целолігніну і значних об'ємів стічних вод), які змушують розробляти нові підходи до його оформлення. Значні недоліки притаманні і сольовим каталізаторам.

 

Досить перспективним є використання у ролі каталізатора активованої води, яку через її характеристики застосовують у багатьох процесах народного господарства. Взагалі вода є основою всіх хімічних і біохімічних процесів і  виступає одним із головних реагентів при утворенні біомаси. Звідси виглядає привабливим використати воду у зворотному напрямку — як каталізатор часткової деструкції біомаси з виробленням необхідних продуктів. Застосування активованої води в ролі каталізатора пов'язано з тим, що вона  набуває аномальні властивості після будь-якого енергетичного впливу: омагнічення, електрообробки, кавітації, обробки звуковими хвилями та інше. Однією із найважливіших характеристик активованої води є окисно-відновний потенціал, який відображає окисну чи відновну здатності активованої води. Додатний потенціал вказує на окисну здатність, а від'ємний — на відновну. Величина потенціалу дозволяє оцінити енергетику активних іонів і можливість застосувати їх для тих чи інших процесів.

 

Таким чином, унікальна здатність активованої води накопичувати і зберігати певний час активні частинки з надлишковою енергією створює можливість здійснювати каталітичний вплив на активаційні бар'єри між взаємодійними речовинами. Це є доброю передумовою для ефективного застосування активованої води, що має значну кислотність («мертвої»), як альтернативного каталізатора в процесі виробляння фурфуролу для заміни мінеральних кислот.

 

Активовану воду готували електрообробленням водних розчинів з різним умістом хлориду натрію (табл. 1).

 Таблиця 1

Окисно-відновний потенціал і рН розчинів хлориду натрію після

анодного електроактивування

 

 

Гідролізування проводили на кукурудзяних качанах, які містять максимальну кількість пентозанів у порівнянні з іншими видами біомаси. Як каталізатор використовували активовану воду. Результати досліджень представлені у табл. 2.

Таблиця 2

Вихід фурфуролу залежно від властивостей активованої води

 

 

Після проведення експерименту рН і окисно-відновний потенціал зменшуються. Найкращі каталітичні властивості проявляє активована вода, виготовлена з 1%-го розчину хлориду натрію. В табл. 3 показана її каталітична спроможність у порівнянні з 12%-м розчином HCl при рН до реакції, практично однакових для обох каталізаторів (табл. 3).

Таблиця 3

Вихід фурфуролу при використанні активованої води

та  соляної кислоти

 

 

На початку реакції окисно-відновний потенціал активованої води вдвічі більший, ніж соляної кислоти. Порівняння виходів фурфуролу показує, що ефективність активованої води у 1,5 рази вища за HCl. Це досить обнадійливі результати, оскільки вони відкривають новий шлях до оформлення процесу вироблення фурфуролу і дають підставу для пошуку оптимального варіанту.
 

Виявлено, що при рН = 2,58 активована вода значно агресивніше впливає на мідну пластинку, ніж соляна кислота.

 

Ще однією важливою характеристикою каталізаторів є стабільність у часі. Встановлено, що активована вода, приготована електроактивуванням 1%-го розчину хлориду натрію, здатна зберігати свої властивості протягом 10 діб із незначною зміною рН і окисно-відновного потенціалу (табл. 4).

Таблиця 4

Змінювання рН і окисно-відновного потенціалу активованої води залежно від часу*

 

                           * Вихідні показники розчину: рН = 5,31, Eh = 627 мВ.

 

Таким чином, при гідролізуванні пентозановмісної сировини активована вода проявила себе як достатньо перспективний каталізатор.

 

Додаткові експерименти з приготування активованої води з низьким рН показали, що необхідно використовувати водні розчини солей, до складу яких входять аніонні залишки сильних мінеральних кислот (табл. 5).

Таблиця 5

Показники електроактивованих розчинів солей

 

 

Достатньо вагомим аргументом використання сольових розчинів є те, що час їх електричного оброблення, необхідний для досягнення постійного значення рН, складає від 30 до 200 секунд.

 

Таким чином, застосування електроактивованої води відкриває перспективний шлях для створення високоефективної технології вироблення фурфуролу із пентозановмісних відходів рослинного походження.

 Activated Water Use in the Process of Acid Hydrolysis of Pentosan-Rich Vegetable Waste   

Kashkovskiy V. I., Kamenskykh D. S., Institute of Bioorganic Chemistry and Petrolchemistry, National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, Ukraine

 

It is shown, that for the preparation of activated water with low pH it is necessary to use aqueous solutions of salts having anionic remains of strong mineral acids. The comparative analysis of catalytic and corrosion properties of activated water and hydrochloric acid is performed. It is found that activated water shows 1,5 times higher catalytic activity for the same pH values than hydrochloric acid and can be an alternative substitute for conventional liquid catalysts.

 

 

Сведения об авторах

Кашковський Володимир Ілліч, канд. хім. наук, заст. директора з наукової роботи, Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ, 02094, Україна. Тел. +38 (044)  559-70-21, факс +38 (044) 559-98-00. E-mail₁, e-mail₂

Каменських Дмитро Сергійович, канд. хім. наук, наук. співр., Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ, 02094, Україна. Тел. + 38 (044) 559-60-70, факс +38 (044) 559-98-00. E-mail