процесса ультрафильтрации сульфитного щелока

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ СУЛЬФИТНОГО
ЩЕЛОКА
А. П. Вишнякова, Т.Ф. Личутина, О.С. Бровка
Институт экологических проблем Севера УрО РАН, г. Архангельск.
Перспективность использования многотоннажных лигнинсодержащих отходов
целлюлозного производства является одним из важных вопросов при решении проблем
комплексного использования растительного сырья. Официально меняется
статус
лигнина: из «отхода» производства лигнин превращается в «побочный» продукт,
рассматриваемый как сырье для получения экологически безопасной продукции с
высокой
добавочной
интегрировано
в
стоимостью.
инфраструктуру
Получение
такой
существующих
продукции
и
должно
развиваемых
быть
технологий
переработки биомассы для улучшения их экономики и снижения экологических
рисков.
Необходимость изучения и использования лигнина диктуется тем, что он
является вторым после целлюлозы возобновляемым органическим полимером и
практически единственным возобновляемым источником для получения продуктов с
ароматической структурой.
К настоящему времени можно выделить следующие перспективные продукты на
основе лигнина:
поверхностно-активные
вещества
-
диспергаторы,
эмульгаторы,
пластификаторы для промышленных дисперсных систем;
- сорбенты, биосорбенты, ионообменники;
- компоненты полимерных материалов и систем - активные наполнители с
развитой
микроповерхностью,
поликомплексов,
полимерных
адгезивы,
смесей,
антиоксиданты,
композитных
со-компоненты
материалов,
в
том
числе
нанокомпозитных, и гибридных материалов;
- углеродные
сорбенты.
материалы
-
активные
угли,
включая
высокоселективные
Одним из видов «побочного» продукта целлюлозно-бумажного производства
являются лигносульфонаты.
Лигносульфонаты представляют собой универсальный продукт с широким
диапазоном
потребительских
свойств,
доступностью,
относительно
низкой
стоимостью, что обусловливает их практическую значимость.
Однако, несмотря на широкий
спектр возможных
областей
лигносульфонатов, в России существует проблема утилизации и
применения
использования
сульфитных щелоков на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности, так
как
в
последние
годы
многие
предприятия
отказываются
от
биохимической
переработки сульфитных щелоков.
Образующиеся при сульфитной делигнификации щелока содержат широкий
спектр органических веществ, из которых до 70 % составляют лигносульфонаты,
минеральные и экстрактивные вещества древесины и другие соединения. В состав
органических соединений входят углеводы. Показатель углеводы включает всю массу
моно- и олигосахаридов и определяется по показателю редуцирующие вещества (РВ).
Стабилизация и улучшение качественных характеристик и потребительских
свойств лигносульфонатов при их применении, как поверхностно-активных добавок,
могут
быть
достигнуты
очисткой
их
от
углеводов,
которые
ухудшают
диспергирующую (пластифицирующую) способность лигносульфонатов, минеральных
примесей и фракционированием по молекулярной массе. Перспективным в этом плане
выглядит метод ультрафильтрации сульфитных щелоков.
Целью нашей работы явилось изучение возможности использования метода
ультрафильтрации для очистки, концентрирования и фракционирования сульфитного
щелока.
Ультрафильтрацию сульфитного щелока ОАО «Котласский ЦБК» проводили на
лабораторной установке типа ФМ 02-1000 с перемешиванием. Объем ячейки 1000 см .
Температура эксперимента 20±2 °С. В работе использовали полисульфонамидные
мембраны ПСУ-50 и ПСУ-100. Рабочее давление в системе 0,4 МПа.
В ячейку заливали 300 мл сульфитного щелока с содержанием сухих веществ
10,3 %. Объемы пермеата отбирали, соответствующие степеням отбора Z = 0,5 и 0,7.
После проведения ультрафильтрации получены следующие продукты мембранного
разделения: концентрат и пермеат. В них было определено содержание сухих веществ,
золы, редуцирующих веществ, лигносульфонатов, а также молекулярно - массовое
распределение (ММР) пермеатов и концентратов.
В таблице 1 приведены характеристики исходного сульфитного щелока и
продуктов его мембранного разделения.
Таблица 1
Характеристика сульфитного щелока и продуктов мембранного разделения
Образцы
Сухие
Зола, % к
Содержание
РВ, % к а.с.в.
вещества, %
ЛС, %
Сульфитный
12,5
10,3
щелок
24,6
62,9
ПСУ 50, Z = 0,5
Концентрат
14,7
11,7
17,9
70,4
Пермеат
5,3
16,4
40,9
42,7
ПСУ 50, Z = 0,7
Концентрат
19,5
11,0
13,9
75,1
Пермеат
5,2
16,7
42,8
40,5
ПСУ 100, Z = 0,5
Концентрат
14,4
12,1
18,9
69,0
Пермеат
5,3
16,9
42,0
41,1
ПСУ 100, Z = 0,7
Концентрат
19,1
10,5
14,3
75,2
Пермеат
5,0
15,4
43,4
41,2
Приведенные данные показывают, что в процессе ультрафильтрации мембраны
задерживают высокомолекулярные фракции ЛС, а низкомолекулярные фракции ЛС и
вещества (неорганические
соли, частично углеводы) проходят через
мембраны.
Содержание сухих веществ в концентратах со степенью отбора 0,7 увеличилось почти в
два раза, в концентратах со степенью отбора 0,5, примерно в 1,5 раза по сравнению с
исходным сульфитным щелоком, при этом содержание сухих веществ в пермеатах
уменьшилось
примерно
в два
раза
независимо
от
степени
отбора.
Значения
концентрации РВ в концентратах в процессе ультрафильтрации на мембранах ПСУ-50
и ПСУ-100 со степенью отбора 0,7 уменьшились почти в 2 раза.
Молекулярные массы сульфитного щелока, концентрата и пермеата определяли
методом гельпроникающей хроматографии, который позволяет получить качественную
характеристику молекулярно - массового распределения изучаемого образца.
В таблице 2 представлена молекулярно - массовая характеристика исходного
щелока
и продуктов
сульфитного
щелока.
мембранного
разделения,
полученных
В результате
ультрафильтрации
ультрафильтрацией
сульфитного
щелока
на
мембранах ПСУ-50 и ПСУ-100 получаются две отличающиеся по молекулярной массе
фракции: низкомолекулярная - пермеат и высокомолекулярная - концентрат.
Анализ молекулярно - массового распределения исходного сульфитного щелока,
концентратов
и
пермеатов
свидетельствует
об
их
неоднородности.
По
полимолекулярному составу пермеаты более однородны, чем концентраты. Степень
полидисперсности пермеатов ниже этого показателя в исходном продукте примерно в 3
раза, а концентрата, наоборот, значительно выше. Это согласуется с имеющимися в
литературе данными и объясняется гелевой поляризацией
ультрафильтрационных
мембран. Молекулярные массы концентратов возрастают с увеличением
степени
отбора, а пермеатов уменьшаются.
Таблица 2
Молекулярно-массовые характеристики сульфитного щелока и продуктов его
мембранного разделения
Образцы
Сульфитный
Средне числовая
Среднемассовая
Z-средняя
Степень
молекулярная
молекулярная
молекулярная
полидисперсности
масса, М„, а.е.м.
масса, M , а.е.м.
масса, М , а.е.м.
MJ М„
7700
39000
130000
5,13
3,30
w
7
щелок
ПСУ 50, Z = 0,5
Концентрат
5500
51300
150500
9,37
2,94
Пермеат
4900
7200
9500
1,48
1,31
ПСУ 50,Z = 0,7
Концентрат
6600
54000
154000
8,29
2,84
Пермеат
3800
6200
8700
1,64
1,39
ПСУ 100, Z = 0,5
Концентрат
4900
50500
158400
10,30
3,10
Пермеат
4200
6400
8400
1,49
1,31
ПСУ 100, Z = 0,7
Концентрат
7900
52000
148000
6,57
2,84
Пермеат
3700
6100
8400
1,66
1,38
Проведенная сравнительная характеристика полисульфонамидных мембран по
размерам пор (ПСУ-50 и ПСУ-100), а также процесса ультрафильтрации по степени
отбора (Z = 0,5 и 0,7) показала, что ультрафильтрационный метод может быть
использован для получения товарных лигносульфонатов из сульфитного щелока.
Дальнейшее концентрирование и удаление углеводов из сульфитного щелока возможно
при использовании двух, трехступенчатых модулей и увеличении степени отбора.