АДСОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ МИКРОЦЕЛЛЮЛОЗЫ

ADSORPTION CAPACITY OF MICROCELLULOSE

Darya Zorina

Student, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

Ekaterina Khoziainova

Student, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

Lyudmila Voropai

Scientific Supervisor, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Biology and Chemistry, Vologda State University,

Russia, Vologda

АННОТАЦИЯ

В статье исследованы зависимость адсорбционных свойств образцов микроцеллюлозы от видового и химического состава древесины. Образцы микроцеллюлозы получали в результате кислотного гидролиза при обработке еловых, осиновых или березовых опилок смесью 5-%-ного раствора уксусной кислоты и 3-%-ного перекиси водорода. Для активации процесса проводили ультразвуковую обработку смеси опилок и отмывочного раствора в течение 60 минут. Исключается дополнительный нагрев жидкости. При определении адсорбционной способности образцы микроцеллюлозы помещали в растворы сульфата меди, хлорида цинка и хлорида железа, выдерживали в течение 40 минут и по изменению концентрации сорбатов Cu²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺ фотоэлектроколориметрическим методом рассчитывали адсорбционную емкость. Максимальная адсорбционная емкость характерна для образцов микроцеллюлозы, полученных из осиновых опилок, минимальная – из еловых опилок.

ABSTRACT

The article investigates the dependence of the adsorption properties of microcellulose samples on the species and chemical composition of wood. Microcellulose samples were obtained as a result of acid hydrolysis when processing spruce, aspen or birch sawdust with a mixture of 5% acetic acid solution and 3% hydrogen peroxide. To activate the process, ultrasonic treatment of a mixture of sawdust and washing solution was carried out for 60 minutes. Additional heating of the liquid is excluded. When determining the adsorption capacity, microcellulose samples were placed in solutions of copper sulfate, zinc chloride and iron chloride, kept for 40 minutes and the adsorption capacity was calculated by photoelectrocolorimetric method based on changes in the concentration of sorbates Cu2+, Zn2+, Fe3+. The maximum adsorption capacity is typical for microcellulose samples obtained from aspen sawdust, the minimum is from spruce sawdust.

Ключевые слова: микроцеллюлоза, адсорбционная емкость, сорбаты.

Keywords: microcellulose, adsorption capacity, sorbates.

Микроцеллюлоза (МКЦ) – аморфный или кристаллический порошок белого цвета, полученный при глубокой переработке древесины [1].

Благодаря особым свойствам (развитая пористая поверхность, механическая прочность, устойчивость к действию окислителей) микроцеллюлоза находит широкое применение в различных отраслях промышленности, включая пищевую, парфюмерную, фармацевтическую, производство лакокрасочных изделий, композиционных материалов [2]. Применение микроцеллюлозы в фармацевтике основано на ее адсорбционных свойствах, которые зависят от многих факторов, включая видовой и химический составы, а также возраст древесины, степень диспергирования, наличие примесей в отмытой целлюлозе, технологических условий получения.

В последние годы для производства микроцеллюлозы с более развитой пористой поверхностью и высоким индексом чистоты внедрены ультразвуковые технологии, основанные на эффектах кавитации. Установлено, что эффективность сорбции полученных образцов микроцеллюлозы ультразвуковым способом зависит от видового состава древесины, которая используется для её производства.

Выполненный аналитический поиск свидетельствует, что наиболее изучены свойства микроцеллюлозы, выделенной из хлопкового сырья [3]. Для образцов микроцеллюлозы, полученных из древесных отходов методом ультразвукового экстрагирования, определяли индекс чистоты по лигнину, влагопоглощение. Однако не исследована зависимость адсорбционных свойств поверхности микроцеллюлозы от видового состава древесины, которая используются в качестве сырья. В связи с этим поставлена цель, установить зависимость степени сорбции образцов микроцеллюлозы от видового состава древесного сырья.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. исследовать адсорбционную способность образцов микроцеллюлозы, полученных ультразвуковым способом из древесных опилок ели, осины, березы по отношению к неорганическим сорбатам Cu²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺;
2. установить зависимость адсорбционной способности от видового состава сырья и времени озвучивания.

Объект исследования – влияние химического состава образцов микроцеллюлозы на адсорбционную способность. Предмет исследования – образцы микроцеллюлозы, полученные ультразвуковым способом из опилок ели, берёзы, осины.

При выполнении работы использовали гравиметрический, фотоэлектроколориметрический, титриметрический, хроматографический методы анализа.

На первом этапе определяли химический состав древесных опилок, которые далее подвергали кавитационной обработке в ультразвуковом реакторе контактного типа в растворе уксусной кислоты концентрации 5 % с добавлением 3-%-ного раствора пероксида водорода. При выполнении эксперимента выдерживали гидромодуль 1:5 (на одну массовую часть опилок используют 5 массовых частей отмывочного раствора смеси 5-%-ного раствора уксусной кислоты и 3-%-ного раствора пероксида водорода, взятых в объемном соотношении 10:1). Технологические условия озвучивания: время от 10 до 60 минут, число кавитации 600 – 800 и температура 75° – 95°С. Число кавитации и температура меняются одновременно с изменением скорости микропотоков жидкости. Следует отметить, что процесс обработки происходит без дополнительного нагревания реактора. Повышение температуры является следствием кавитационных эффектов [4]. Химический состав целлюлозосодержащих отходов до и после ультразвуковой отмывки представлен в таблицах 1 и 2 соответственно.

Таблица 1.

Химический состав целлюлозосодержащих отходов до отмывки, %

Следует отметить, что адсорбционные свойства микроцеллюлозы зависят от остаточного содержания лигнина, смолистых фракций после отмывки образцов опилок. Установлено, что максимальное содержание лигнина и смолистых фракций характерно для образцов микроцеллюлозы, полученных из еловых опилок.

Таблица 2.

Химический состав целлюлозосодержащих отходов после отмывки, %

Результаты анализа свидетельствуют, что максимальное содержание фракций лигнина после отмывки характерно для образцов ели; образцы березовых опилок легче подвергаются кислотному гидролизу и поэтому содержание лигнина после их отмывки меньше примерно в 1,688, в сравнении с образцами, полученными из еловых опилок. Такая же закономерность определяется для остаточного содержания смолистых фракций, так как их исходное содержание в необработанных еловых опилках больше в сравнении с березовыми. Образцы, изготовленные из осины, занимают среднее положение по остаточному содержанию лигнина, смолы и полисахаридов.

На втором этапе определяли адсорбционную активность образцов микроцеллюлозы по отношению к неорганическим сорбатам: Cu²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺ фотоэлектроколориметрическим методом. При исследовании адсорбционных свойств в качестве стандарта использовали адсорбционные свойства белого угля. Сорбционную емкость исследуемых образцов МКЦ A_t определяли по следующей формуле (1):

где А_t – сорбционная емкость, мг/г;

C₀ – начальная концентрация ионов;

C_t – концентрация ионов в определенный момент времени;

m – масса навески сорбента.

При определении сорбционной емкости навеску образцов микроцеллюлозы массой 0,5 г помещали в модельные растворы сульфата меди, хлорида цинка и хлорида железа и определяли изменения концентрации сорбатов через 10, 20, 30, 40, 50, 60 минут. Исследование проводили на фотоэлектроколориметре КФК-2МП. Длины волн для катионов меди, цинка и железа соответственно равны 620 нм, 535 нм и 400 – 430 нм. Время озвучивания составляет 40 минут.

Определение адсорбционной активности образцов МКЦ к ионам меди основано на получении интенсивно окрашенного комплексного соединения – аммиаката меди (II). При расчете адсорбционной емкости полученных лабораторных образцов микроцеллюлозы методом кислотного гидролиза в растворе уксусной кислоты концентрации 5 % с добавлением 3-%-ного раствора пироксида водорода, учитывали изменение концентрации катионов меди до и после сорбции и массу сухой навески исследуемых образцов. Сорбционную емкость определяли по формуле (1).

Результаты эксперимента определения сорбционной емкости образцов микроцеллюлозы по отношению к катионам меди представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Сорбционная емкость образцов микроцеллюлозы по отношению к ионам меди, мг/г

Результаты свидетельствуют, что сорбционная активность образцов МКЦ из осиновых опилок по отношению к ионам меди имеет самые высокие показатели. Адсорбционная емкость этих образцов составляет 1,32 мг/г. Однако данная величина не превышает этот показатель для образцов белого угля, принятых в качестве стандарта. Минимальную адсорбционную емкость показывают образцы МКЦ, полученные из еловых опилок, которая составляет 1,24 мг/г.

Одновременно определяли адсорбционную активность образцов микроцеллюлозы по отношению к ионам цинка. Методика основана на образовании комплексных соединений цинка с дитизоном красного цвета. Сорбционную емкость определяли по формуле (1).

Результаты эксперимента определения сорбционной емкости микроцеллюлозы по отношению к ионам цинка представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Сорбционная емкость образцов микроцеллюлозы по отношению к ионам цинка, мг/г

Сорбционная активность образцов МКЦ из опилок осины, по отношению к ионам цинка имеет самые высокие показатели и составляет 1,06 мг/г. Однако они не превышают значений сорбционной емкости белого угля. Самыми низкими показателями адсорбционной емкости обладают образцы МКЦ, полученные из опилок ели. Они значительно уступают по данному показателю стандартному образцу. Этот факт объясняется высоким содержанием смолистых фракций в образцах ели, которые увеличивают гидрофобность и снижают гидрофильность. За счет высокого содержания лигнина при ультразвуковой обработке формируются мелкие поры, что также вызывает уменьшение адсорбционной активности образцов МКЦ к гидрофильным частицам, к которым относятся растворимые катионы металлов.

Также определяли адсорбционную активность образцов микроцеллюлозы по отношению к ионам железа. Методика определения основана на образовании окрашенных в желтый цвет комплексов железа с сульфосалициловой кислотой.

С учетом массы навески микроцеллюлозы и количества поглощенного сорбата определяли сорбционную емкость по формуле (1).

Результаты эксперимента определения сорбционной ёмкости представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Сорбционная емкость образцов микроцеллюлозы по отношению к ионам железа, мг/г

При сорбции катионов железа образцами МКЦ наблюдается та же самая закономерность, что и при исследовании сорбции катионов меди и цинка. Максимальная сорбционная емкость характерна для образцов МКЦ, полученных из осиновых опилок; минимальная – для еловых. Эти показатели не превышают значений степени сорбции ионов железа белым углем.

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Адсорбционная емкость образцов микроцеллюлозы, полученных по ультразвуковой технологии, зависит от видового и химического состава древесины
2. Для всех образцов микроцеллюлозы, полученных из еловых опилок, характерна минимальная адсорбционная емкость по отношению к сорбатам неорганического происхождения: Cu²⁺, Zn²⁺, Fe³⁺
3. Более развитую пористую поверхность имеют образцы микроцеллюлозы, полученные из осиновых опилок.

Список литературы:

1. Аутлов, С. А. Микрокристаллическая целлюлоза: структура, свойства, получение и области применения / С. А. Аутлов, Н. Г. Базарнова, В.Ю. Кушнир // Химия растительного сырья. – 2013. - № 3. – С. 33 – 41.
2. Патент RU № 2012155800/05, 06.06.2011 Рясянен Эркки Иикка Сакари, Робертсен Лейф, Вуоренпало Вели-Матти, Карппи Аско, Павиайнен Кари, Даль Олли, Ванхатало Кари Способ получения микроцеллюлозы
3. Кушнир, Е. Ю. Получение микрокристаллической целлюлозы непосредственно из древесины под воздействием микроволнового излучения / Е. Ю. Кушнир, С. А. Аутлов, Н. Г. Базарнова // Химия растительного сырья. – 2014. – № 2. – С. 41–50.
4. Сравнительные исследования физико-химических свойств и структуры хлопковой целлюлозы и её модифицированных форм / А. А. Атаханов, Б. Мамадиёров, М. Кузиева, С. М. Югай [и др.] // Химия растительного сырья. – 2019. – № 3. – С. 5–13.