Проблемы утилизации лигнина и отходов целлюлозно-бумажного производства

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение 
высшего профессионального образования 
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

 

Факультет пищевых  и химических производств 
Кафедра технологии переработки пластических масс и эластомеров

 

                                                       Реферат защищен с оценкой  ____________  

                                                               Руководитель _________В.В.Коньшин

                                                                                   

                                                            "_____"________________2012 г.

 

 

Реферат

На тему:

« Проблемы утилизации лигнина и отходов

целлюлозно-бумажного  производства» 

 

Р 240502 10 000

 

 

Студента  группы ТППиЭ - 91        Крих Юлия Игоревна

Руководитель  к.х.н., доцент           Коньшин Вадим Владимирович

   

 

 
Барнаул 2012

Содержание  с.

1. Введение ………………………………………………………………………..3
2. Происхождение и получение  лигнина …………………………………………………4
3. Формула и химические свойства лигнина ……………………………………………...5
4. Утилизация лигнина в природе …………………………………………….…........6
5. Очистка выбросов в атмосферу на ЦБК ……………………………………….………..7
6. Особенности очистки воздуха на ЦБК ………………………………….……….……...8
7. Очистка сбросов в гидросферу с ЦБК…………………………………………………..10
8. Метод очистки сточных вод предприятия с помощью ультрафиолетового облучения ....11
9. Проблема утилизации отходов целлюлозно-бумажной промышленности ………..….....12
10. Проблемы переработки макулатуры на целлюлозно-бумажных комбинатах   ... …..…...14
11. Заключение ……………………………………………………………………...….….15
12. Список использованной литературы .…………………………………….……..…16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целлюлозно-бумажная промышленность является одним из главных потребителей чистой воды. Например, расход воды на выработку одной тонны бумаги составляет 100000 литров. Следует отметить, что при производстве целлюлозы и бумаги в сточные воды попадает большое количество минеральных и органических веществ. Например, только в процессе получения волокнистого сырья в раствор переходит 37 - 1708 кг органических веществ на 1 т волокна, которые при отсутствии системы очистки сточных вод попадают в водоемы. Сточные воды целлюлозных заводов содержат также взвешенное волокно за счет промоев при промыве, сортировании целлюлозы и многократных процессов разбавления и сгущения.

В связи с ежегодным увеличением  отходов технических лигнинов загрязнение  ими окружающей среды постоянно  возрастает. Практическая реализация проблемы утилизации отходов, химической обработки древесины зависит  от квалифицированного решения ряда экономических вопросов. Так, необходимо не только знать, где можно использовать лигнин, но и четко представлять, где его переработка наиболее выгодна, какую продукцию из него можно получать.

Переработка лигнина — это сложная  проблема, в которой можно выделить научно-технический и экономический  аспекты. Научно-технический аспект, включает в себя всю совокупность разработок в области утилизации технических лигнинов и состоит  из теоретических, поисковых и прикладных исследований, а также технических разработок.

Экономический аспект должен содержать  решения наиболее рационального  пути использования лигниновых отходов[1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Происхождение и получение  лигнина

Лигнин от лат. lignum - дерево,  - сложный (сетчатый) ароматический природный  полимер  входящий  в состав наземных растений, продукт биосинтеза. После целлюлозы, -  лигнин самый распространенный полимер  на земле, играющий важную роль в природном круговороте углерода.  Возникновение лигнина произошло в ходе  эволюции  при переходе растений от водного к наземному образу жизни для обеспечения  жесткости и устойчивости стеблей и стволов (подобно хитину у членистоногих).

На английском и немецком языках  лигнин -  lignin, реже lignen или lignine. 

Как известно, растительная ткань состоит  главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы  и лигнина.  В древесине хвойных пород содержится 23-38 % лигнина, в лиственных породах - 14-25%, в соломе  злаков  12 - 20 % от массы. Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. 

Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность  стволов и стеблей. Лигнин обеспечивает герметичность  клеточных стенок (для воды и питательных  веществ) и благодаря содержащимся в нем  красителям определяет цвет одревесневавшей ткани.   Лигнин прочно физически и химически инкорпорирован в структуре растительной ткани и эффективное выделение его оттуда промышленными методами представляет весьма сложную инженерную задачу. Принято различать протолигнин, - лигнин содержащийся  внутри растения в его естественной форме,  и технические его формы, полученные  извлечением  из  растительной ткани при помощи   различнных физикохимических методов.  Лигнин  не изготавливают специально; он  и его  химически модифицированные формы являются  отходами биохимического производства. В ходе физико-химической  переработки растительной ткани  молекулярная масса  лигнина уменьшается в несколько раз, а его химическая активность возрастает. 

В гидролизной промышленности получают порошковый т.н. гидролизный лигнин.  
В целлюлозном  производстве образуются водорастворимые формы лигнина. Существуют две основные технологии варки целлюлозы,  более распространенная сульфатная  варка (щелочная)  и  менее употребляемая сульфитная (кислотная) варка. 

Лигнин получаемый в  сульфатном производстве, т.н. сульфатный лигнин в большой степени  утилизируется в энергетических установках целлюлозных заводов. 
В сульфитном производстве образуются растворы сульфитных лигнинов ( лигносульфонатов), часть которых  накапливается  в лигнохранилищах, а часть уходит со сточными водами предприятия в реки и озера.

В английской литературе выделяют также:  бессернистый  лигнин  -  sulfur-free lignin (гидролизный лигнин); сернистый лигнины - sulfur lignin ( т.е. лигнин с  целлюлозных производств). В той или иной степени утилизацией лигнина занимаются сами производящие его предприятия, но гидролизный лигнин, сульфатный лигнин и лигносульфонаты присутствуют на рынке и как товарные продукты.   Международных или российских стандартов на  технические лигнины не существует, и они поставляются по различным заводским  техническим условиям[2].

 

Формула и химические свойства лигнина

 

В химическом смысле лигнин - понятие  условное и обобщающее. Как нет  двух одинаковых людей, так и нет  двух одинаковых лигнинов.  
Принято считать, что молекула лигнина  состоит из атомов  углерода,  кислорода и водорода. 
В литературе встречается несколько вариантов формулы лигнина.  

На рисунке  приведено представление  химической структуры  лигнина рекомендуемое Международным институтом лигнина (ILI - International Lgnin Institute ). Лигнины получаемые из разных растений  значительно отличаются друг от друга по химическому составу.  Молекула лигнина неопределенно велика и  имеет много  разнообразных функциональных групп.  

Общей структурной единицей всех видов  лигнина является фенилпропан (C9H10),  а различия связаны с разным содержанием функциональных групп.

В соотвествие с современными познаниями  лигнин - сложный  трехмерный сетчатый  полимер, имеющий ароматическую природу, получающийся в результате поликонденсации нескольких монолигнолов - коричных спиртов (паракумарового, конеферилового, синапового), см.  формулы ниже 

При нормальных условиях лигнин плохо  растворяется в воде и  органических растворителях.  В химических технологиях и в окружающей среде лигнин может участвовать в самых  разнообразных химических рекациях и превращениях.  Обладает биологической активностью.

Лигнин проявляет пластические свойства при повышенном давлении и  температуре, особенно во влажном состоянии[3].

 

 

Утилизация лигнина  в природе

 

Лигнин практически не усваивается  при пищеварении  у  высших животных; в природе  его переработкой заняты различные грибы,  насекомые, земляные черви и бактерии.  Главную роль в этом процессе играют грибы-базидиомицеты. К ним относятся многие грибы, живущие как на живых, так и на мёртвых деревьях, а так же грибы, разлагающие листовой опад. Среди лигнинолитических грибов есть съедобные ( опенок, вешенка, шампиньон).

Деградация полимерного лигнина  происходит под воздействием внеклеточных ферментов-оксидоредуктаз грибов. К данным ферментам в первую очередь относятся лининолитические пероксидазы: лигнин-пероксидаза и Mn-пероксидза,  а так же внеклеточная оксидаза – лакказа. Так же лигнинолитичекий комплекс грибов содержит вспомогательные ферменты, в первую очередь производящие перекись водорода для пероксидаз и активные фермы кислорода. Сюда включают такие ферменты как пиранозооксидаза, глюкзооксидаза, глиоксальоксидаза, алклгольарилоксидаза и целлобиозозодегидрогеназа.

Основным продуктом разложения лигнина в природе является гумус. Декомпозиция лигнина  в естественных условиях происходит в присутствии других элементов растительной ткани - целлюлозы и  гемицеллюлозы[4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очистка выбросов в атмосферу на ЦБК

 

         Очистка газов от паров летучих органических соединений (ЛОС). Общая методология.

Адсорбционные методы: это, прежде всего  классические рекуперационные  методы очистки, основанные на улавливании паров ЛОС активным углем,  с последующей десорбцией уловленных веществ водяным паром при повышенных  температурах (105 – 120 0С). После совместной конденсации паров воды  и десорбированных ЛОС, полученный конденсат органических соединений отделяют в сепараторе  от водной фазы. Если десорбируемые органические соединения растворимы  в воде, то для выделения органических соединений конденсат подвергают дистилляции.

Если в очищаемом газе концентрация ЛОС мала (<1  г/м3),  то  нецелесообразно  проводить  регенерацию  адсорбента  водяным  паром,  а  необходимо  провести десорбцию горячим (200 – 250  0С) инертным газом (обычно дымовыми газами).

Десорбированные пары ЛОС не  утилизируют,  а сжигают каталитическим  либо термическим методом.

Адсорбционной   разновидностью   очистки   газов   является   адсорбционно-каталитический процесс. В этом случае  в  качестве  адсорбента  используются оксидные катализаторы, которые в процессе очистки накапливают  пары  ЛОС,  а при регенерации, за счёт  нагрева  катализатора,  происходит  каталитическое окисление  уловленных  ЛОС,  на   этом   же   бифункциональном   адсорбенте-катализаторе.

- Окислительные методы:  эта группа методов основана на  полной  окислительной деструкции молекул ЛОС до СО2 и Н2О.

- Термические методы – методы  сжигания органических загрязнителей  воздуха. Обычно  используется,  когда  источник  выделения  загрязнённого  воздуха располагается вблизи какого-либо  топочного  устройства.  В  этом  случае загрязнённый воздух используется как дутьевой.

-  Каталитические  методы  –   методы  дожигания   конкретных   органических соединений на известных  катализаторах, в том числе  блочных.

- Гомогенные низкотемпературные  окислительные процессы.

Введение озона в очищаемый  газ. При концентрации озона 10  –20  мг/м3 очищаемого  газа,  эффективность  очистки  90  –95  %  по  фенолу   и формальдегидам.

Очистка  с  помощью  высокочастотного  стримерного  разряда.  В зоне действия   разрядов   происходит   эффективная   очистка   от   паров органических соединений, таких как бензол, толуол, фенол, стирол. При этом фенол конвертируется в аэрозоль гидрохинона, а стирол в аэрозоль полистирола.  Диоксины  и   фураны   переходят   в   конденсированные соединения.

- Жидкофазное окисление.

Процессы, основанные на абсорбции  и последующем окислении паров  ЛОС, обычно используют для очистки  отходящих газов с  малой  концентрацией  веществ с резким неприятным запахом. Очистка водным раствором гипохлорита натрия. Так сернистые соединения улавливаются на 99 %, карболовые кислоты на 98 %, альдегиды и  кетоны на 90%, а фенолы и спирты на 85 %.

- Биохимические методы  –   методы,  основанные  на  способности   некоторых организмов поглощать и окислять ЛОС[5].

 

Особенности очистки воздуха на ЦБК

 

  Из  приведённого  ранее,  очевидна  необходимость  разработки   несложного, доступного и  эффективного  способа  и  аппарата  для  очистки  выбросов  в атмосферу от пыли и серосодержащих соединений, ликвидации избыточной  влаги парогазового потока и теплового загрязнения.  Отличительными  особенностями выбросов  сульфатно-целлюлозного  производства  являются   многочисленность источников и многокомпонентность выбрасываемых газовых смесей. Кроме того, выбросы от различных источников отличаются по объёму, качественному составу и концентрациям вредных веществ. Подход  к очистке выбросов  в атмосферу различен   в   зависимости   от   качественных   характеристик   выбросов, подразделяемых на две группы, парогазовые и газопылевые.  Такое  разделение основывается на различных методах подхода к обезвреживанию выбросов  данных групп. Парогазовым выбросам присуще наличие значительных количеств водяного пара, а для ряда выбросов характерно  состояние  насыщения  водяным  паром. Большинство вредных веществ в выбросах  представляет  собой  серосодержащие соединения,  которые   являются   токсичными   веществами,   неблагоприятно влияющими на жизнедеятельность растительного и животного мира.