Целлюлозно-бумажная промышленность
Целлюлозно-бумажная промышленность является одной из наиболее значимых в Российской Федерации и выпускает около 2 % от объема промышленной продукции России. На территории России работают 270 объектов целлюлозно-бумажной промышленности, среди которых 20 крупных комбинатов по переработке целлюлозы с высокой мощностью производства (более 100 тыс. т в год), производящие 80 % продукции целлюлозно-бумажной промышленности РФ.
Технологический процесс получения и обработки целлюлозы на территории России с 50-70-х годов практически не изменился. Оборудование, применяемое для производства целлюлозы, является низкопроизводительным, с физическим износом более 80 % и остро нуждается в замене или модернизации. Глубина переработки исходного сырья в 2-3 раза ниже, чем в развитых западных странах. (Пашкевич, 2019)
Отходы целлюлозно-бумажной промышленности
Одним из главных отходов целлюлозно-бумажной промышленности является лигнин. Лигнин (от латинского слова lignum – дерево) - аморфный, сложный, природный полимер, состоящий из гетерогенных фенилпропановых единиц, не имеющий определенной первичной структуры. Известно, что лигнин:
● является главной неуглеводной частью древесины и связующим материалом клеточных стенок растений.
● выполняет защитную функцию от механических, химических и биологических воздействий.
● составляет 30% от всего неископаемого углерода на Земле (Фиофилова, 2016).
|
|
|
Древесина лиственных пород содержит 18–25% лигнина, хвойных – 23–50%, солома злаков –12– 20% от массы. При химической переработке древесины в качестве побочных продуктов получают технические лигнины: щелочные лигнины или лигносульфонаты (составляют около 85% от всего лигнина) и гидролизные лигнины (Арапова, 2020).
Химические и физические свойства лигнина. Полимер образуется путем окислительного сочетания так называемых монолигнолов, к которым в первую очередь относятся три гидроксикоричных спирта: n-кумаровый, конифериловый и синапиловый. В соответствии с этим, фенилпропановые звенья в молекуле лигнина различаются количеством и природой заместителей в ароматических кольцах и обозначаются буквами Н, G и S – начальные буквы английских названий ароматических фрагментов (р‑hydroxyphenyl, guaiacyl and syringyl units). Лигнины разного происхождения могут сильно различаться по соотношению этих звеньев. Так, лигнин древесины хвойных деревьев содержит главным образом G, следы S и небольшое количество Н-звеньев, тогда как лигнин лиственных пород деревьев состоит из приблизительно равных количеств G и S со следами Н‑звеньев. Однодольные травы содержат все три мономера в соотношении G : S : H около 70 : 25 : 5. Следует иметь в виду, что различия в структуре клеточных стенок разных видов, органов и тканей растений могут приводить к значительным отклонениям в составе лигнинов разного происхождения от указанных средних значений. Необходимо отметить, что уникальность лигнина как высокомолекулярного соединения заключается еще и в многообразии структурных единиц (дилигнолов), из которых он построен, и в поливалентном типе связей между ними (Фиофилова, 2016).
|
|
|
Проблема утилизации. Одной из главных проблем целлюлозно-бумажной промышленности является утилизация лигнинсодержащих отходов, которых производится около 50 миллионов тонн по всему миру ежегодно (Inone-Kauffmann, 2009). В России такие отходы в основном вывозятся на полигоны или сжигаются из-за их энергетической ценности, и только небольшая часть превращается в различные ценные химические вещества, такие как ванилин, диметилсульфоксид и муравьиная кислота, необходимые в различных отраслях промышленности.
Захоронение лигнина не является безопасным, так как он закисляет почву, поверхностные и подземные воды, загрязняет воздушный бассейн. Также отвалы лигнина занимают большую площадь и способны самовозгораться, что может привести к техногенной катастрофе и выбросу большого количества парниковых газов и оксидов серы (Арапова, 2020). Сжигание лигнина также не является экологичным способом его утилизации, так как приводит к уничтожению ценного ресурса и сильному загрязнению атмосферы (выбросу оксида серы, азота и диоксинов, подавляющих иммунитет человека).
|
|
|
В настоящее время в России по различным оценкам от 100 до 200 млн т лигнина располагается на свалках. Лигнин хорошо гранулируется и брикетируется, поэтому иногда его добавляют к труднопрессуемому сырью, например, березовым отходам, для улучшения качества полученных гранул и брикетов. За счет меньшего содержания кислорода теплота сгорания лигнина почти в 1,5 раза выше, чем целлюлозы. В хранилищах лигнин частично распадается и снижается теплота его сгорания, но чаще всего она выше, чем у древесины. Поэтому гранулированный или брикетированный лигнин является хорошим топливом.
Использование лигнина. На данный момент исследовано много полезных свойств лигнина, которые можно использовать, рассмотрим основные из них:
● Природная полимерная структура лигнина в сочетании с широким спектром ионогенных группировок позволяет рассматривать его в качестве сорбента при очистке сточных вод от различных загрязнителей (Минаевская, 2012).
|
|
|
● Диспергирующие свойства лигносульфонатов позволяют использовать лигнин при приготовлении бурового раствора для нефтяных скважин (Inone-Kauffmann, 2009).
● Древесные отходы богаты различными витаминными комплексами, поэтому могут служить сырьевой базой для производства кормов для животноводства (Фомина, 2013).
● Гидролизный лигнин улучшает агрофизические, агрохимические и биохимические свойства почв, тем самым позитивно влияя на питание растений и плодородие почв (Комаров, 2009).
● Современная технология замены известнякового минерального порошка на лигнинсодержащие полимеры делает возможным использование лигнина в асфальтобетонных смесях, не снижая их качество (Киселев, 2013).
● Примерно половина выпускаемых в мире лигносульфонатов используется при производстве цемента и бетона. Применение лигносульфонатов при получении цемента облегчает размол клникера. При приготовлении бетонов функции лигносульфонатов заключаются в снижении водопотребления, ускорении нарастания прочности и улучшении перерабатываемости.
● Лигносульфонаты широко используются в производстве кирпичей. Они обычно применяются как добавка (0.5-2.0%) в пластичное сырье для упрочнения сырых изделий. что обеспечивает высокий выход неповрежденных кирпичей при их изготовлении.
● Лигносульфонаты используются как диспергаторы при производстве сухой штукатурки.
● Неочищенные лигносульфонаты наиболее часто применяются для борьбы с пылью, в частности, для пылеподавления в дорожном строительстве, а также при переработке минеральных руд.
● Лигносульфонаты применяются как диспергаторы и ингибиторы отложения при использовании воды в котлах, охлаждающих башнях и о установках.
● Модифицированные лигносульфонаты в последнее время нашли применение как агенты для нейтрализации биоцидов. включая детоксикацию четвертичных аммонийных соединений, которые выпускаются для контроля численности нежелательных водных организмов (Дайнеко, 2012).
На данный момент одним из самых простых и перспективных направлений использования отходов ЦБК является его добавление в сельскохозяйственные земли в качестве удобрения. Но зачастую промышленный лигнин загрязнён токсичными веществами, поэтому необходимы современные технологии отчистки лигнина для дальнейшего использования. Пример вредных веществ в шлам-лигнине можно увидеть в таблице 3.
Таблица 3. Оценка показателей пригодности лигнин-шлама как мелиоранта при создании почвенно-плодородных смесей
"Жидкое дерево". Одним из самых перспективных направлений использования лигнина является производство биопластика, который также называют "жидким деревом". На данный момент самым известным и исследованным биопластиком на основе лигнина является Арбоформ, который представляет из себя смесь лигнина (выступающего в качестве матрицы или связующего компонента), натуральных волокон растений (выполняющих армирующую роль) и натуральных добавок (имеющие функцию пластификаторов или красителей). Арбоформ является патентованным продуктом немецкой фирмы TECNARO GmbH, который начали производить в 2000 году. Такого рода биопластики имеют существенные преимущества по сравнению с синтетическими пластмассами и древесиной:
1. Их можно перерабатывать как пластик на стандартной литьевой машине;
2. Можно использовать лигнин из различных процессов и источников;
3. Применение в конструкционных материалах и машиностроении способствует снижению потребления топлива за счёт относительно низкой плотности волокон лигноцеллюлозы;
4. Можно создавать детали с высокой точностью, так как усадка при литье под давлением мала;
5. Гипоаллергенен, нетоксичен, не содержит вредных химических примесей и соединений;
6. Низкая температура обработки (<160 ° C) способствует экономии энергии и ресурсов;
7. Использование вторсырья сокращает потребление первичных природных ресурсов;
8. Биопластик способен к биологическому разложению, как древесина (Inone-Kauffmann, 2009).
Вышеперечисленные преимущества биопластика делают его одним из самых перспективных и экологически безопасных материалов, который можно производить из лигнинсодержащих отходов.
В России также существует технология получения биопластика, при которой лигнин соединяется с древесной мукой в соотношении 3:1, соответственно, а затем – с природными пластификаторами, стабилизаторами и красителями. (Тунцев, 2014) В настоящее время главным недостатком этой технологии является малое количество исследованных рецептур, а, следовательно, такой биопластик не может заменить многие виды пластмасс.
Оценка количества биопластика. Каждый год целлюлозно-бумажные комбинаты в России накапливают большое количество лигнинсодержащих отходов. Например, ежегодно около 1 млн. тонн таких отходов вывозится на полигоны, и 11 тыс. тонн сульфатного лигнина сбрасывается в сточные воды России. По нашим оценкам из такого количества лигнинсодержащих отходов можно получить 1,6 млн тонн и 36 тыс. тонн биопластика, соответсвенно, что составляет около 20% и 0,4% от годового производства всей синтетической пластмассы в России. Кроме того, возможно производство биопластика из уже накопленных отходов. Например, при использовании отходов Байкальского ЦБК (8 млн тонн шлам-лигнина) можно получить около 13 млн тонн биопластика. В перспективе биопластик может заменить значительную часть различных пластмасс из углеводородного сырья, поэтому имеет смысл строить пилотные заводы вблизи ЦБК для изучения и внедрения биопластика на рынок.
Биопластики. На данный момент существуют биопластики не только на основе лигнина, но и на основе других органических отходов. Биополимеры из возобновляемых источников сырья подразделяют на три группы: природные полимеры, синтетические полимеры из природных мономеров, полимеры микробной ферментации. Основным сырьем для производства биоразлагаемых материалов для упаковки являются полисахариды, прежде всего крахмал, целлюлоза, хитозан, отходы деревопереработки. Известны разработки на основе крахмала кукурузного, который для повышения технологических характеристик пластифицируют глицерином или полиэтиленгликолем с молекулярной массой более 3000, что минимизирует хрупкость пленки. Для повышения эксплуатационных характеристик биополимерных пленок в состав композиционной суспензии могут вноситься целлюлозное волокно, которое имеет фибриллярное строение. Целлюлоза – это растительный полисахарид, получаемый из древесины, обладает меньшей гидрофильностью, чем крахмал, тем самым позволяет повысить ряд характеристик биоразлагаемого полимера, повысить устойчивость к деградации воды и повысить прочность пленочных материалов.
Аналитики прогнозируют значительное увеличение производства биопластиков в России. Наиболее крупным потребителем биоразрушаемой упаковки являются молочные изделия, которые занимают около 70 % выпускаемой продукции. Российская компания «ОптиКом» организовала в Московской области собственное производство лотков из жмыха пшеницы. Оксобиоразлагаемую упаковку выпускает ООО «Компания ЕвроБалт», биоразлагаемые пакеты выпускают ЗАО «Тико-Пластик» и ЗАО «Пагода». ООО «Артпласт» в 2010 году приступило к выпуску разлагаемой в почве упаковки. А производство биоразрушаемой упаковки из крахмалсодержащего сырья (картофеля, кукурузы и других биоматериалов) освоило предприятие ООО «Биаксплен». В состав оксоразлагаемых полимеров входят добавки, способствующие разрушению материала под воздействием кислорода воздуха (Потороко, 2020).
Разложение биосинтетических полимерных материалов. Одно из главных преимуществ биопластика – это его естественное разложение за относительно короткое время. Рассмотрим основные стадии разложения биопластика.
1. Первоначальное образование микротрещин и последующее разрушение изделий на фрагменты.
2. Крупные и мелкие фрагменты изделия при попадании в почву подвергаются интенсивному воздействию микроорганизмов.
3. Под действием ферментативных систем, имеющихся в живых организмах, полимерные фрагменты вовлекаются в гидролитические и окислительно-восстановительные реакции, в результате которых образуются свободные радикалы. Благодаря им интенсивно разрушаются макромолекулы синтетического полимера, в результате чего существенно понижается его молекулярная масса
Фрагменты синтетического полимера с пониженной до 5 000 молекулярной массой и ниже могут усваиваться некоторыми почвенными микроорганизмами с выделением СО2, H2O и других соединений, являющихся в свою очередь питательной средой для микрофлоры почвы (Ольхов, 2014).
Сложности производства биопластика в России. На данный момент производство биопластика из отходов в России затруднено. Это связано с отсутствием завершенных технологий по извлечению сырья из отходов, точных рецептур производства биопластика. Вероятно, в России он не скоро сможет заменить пластмассу из углеводородов из-за развитой нефтедобывающей и нефтехимической промышленности, которая играет доминирующую роль в экономике страны. Также дороговизна производства такого материала на первом этапе повлечёт рост цен на произведенные из него товары. Однако стоит учитывать, что биопластик можно переплавлять более десяти раз, а обычный – 2-3 раза, при этом для производства данного материала не требуется добыча полезных ископаемых, так как утилизируется отход.
Заключение
Таким образом, мы рассмотрели разные виды органических отходов, их использование в настоящее время, их вред для человека и природы, а также ознакомились с наиболее выгодными, с точки зрения природопользования, методами утилизации этих самых отходов.
Список литературы
1. Феофилова Е.П., Мысякина И.С. Лигнин: химическое строение, биодеградация, практическое использование (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология, 2016. – С. 573-581.
2. Арапова О.В., Чистяков А.В., Цодиков М.В., Моисеев И.И. Лигнин – возобновляемый ресурс углеводородных продуктов и энергоносителей (обзор) // Нефтехимия, 2020. – С. 227-243.
3. Inone-Kauffmann, E.R. ARBOFORM® - A lignin-based thermoplastic. International Sugar Journal, 2009, 10-11.
4. Минаевская Л.В., щеголихина Н.А. Лигнин в качестве сорбента при очистке промышленных сточных вод // Известия высших учебных заведений. Серия: химия и химическая технология, 2012. С – 114-116.
5. Фомина Н.Н., Филичкина М.В. Доходная идея использования древесных отходов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика, 2013. С. – 110-115
6. Комаров А.А. Гидролизный лигнин и некоторые его особенности //известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, 2009. С. 30-32.
7. Киселев В.П., Иванова Л.А., Шевченко В.А., Бугаенко М.Б., Кеменев Н.В. Лигнинсодержащие полимеры в асфальтобетонных смесях // Вестник иркутского государственного технического университета, 2013. С – 61-68.
8. Тунцев Д.В., Хайруллина М.Р., Гараева И.Ф., Савельев А.С., Романчева И.С. Технологическая схема получения биопластика на основе лигнина // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика, 2014. С. – 348-352.
9. М.А.Пашкевич, Т.А.Петрова, Э.Рудзиш. Оценка потенциальной возможности использования лигнин-шламов для лесохозяйственной рекультивации нарушенных земель // Записки Горного института, 2019. Т. 235, с. 106-112.
10. И.Ю. Потороко, А.В. Малинин, А.В. Цатуров, Удей Багале. Биоразлагаемые материалы на основе растительных полисахаридов для упаковки пищевых продуктов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Пищевые и биотехнологии». 2020. Т. 8, № 2. С. 21–28.
11. И.И.Дайнеко. Утилизация лигнинов: достижения, проблемы и перспективы // Журнал «Химия строительного сырья», 2012, №1, с. 5-20.
12. А. А. Ольхов, А. Л. Иорданский, Г. Е. Заиков, О. Ю. Емелина биопластики на основе термопластов: механизм биодеградации // Вестник Казанского технологического университета. 2014, с. 245-249.
13. И.С. Белюченко. Влияние сложного компоста на физические свойства почвенного покрова // Научный журнал КубГАУ. 2014, №95(01). с. 2-8, 25.
14. В.И. Лещинский, А.В. Маркевич, А.А. Стекольников, Э.Д. Джавадов. Устройство безреагентного обезвреживания отходов. Патент РФ, 27.09.2009.
15. А.А. Марцев, А.А. Подолец. Перспективы разведения мухи HERMETIA ILLUCENS в России для утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий // Актуальные проблемы инновационного развития науки. Финансово-экономическое развитие и его роль в современных условиях. 2017. с 36,37.
16. Noleppa and Cartsburg. Das Große Wegschmeißen: Vom Acker bis zum Verbraucher: Ausmaß und Umwelteffekte der Lebensmittelverschwendung in Deutschland. 2015. Available online: https://www.wwf. de/fileadmin/fm-wwf/Publikationen-PDF/WWF_Studie_Das_grosse_Wegschmeissen.pdf (accessed on 8 November 2016). (In German)
17. Rückert-John, J. Natürlich Essen: Kantinen und Restaurants auf dem Weg zu Nachhaltiger Ernährung [Stuttgart-Hohenheim, Diss—Univ., 2006.], 1st ed.; Campus Verlag: Frankfurt am Main, Germany, 2007. (In German)
18. Göbel, C.; Blumenthal, A.; Niepagenkemper, L.; Baumkötter, D.; Teitscheid, P.; Wetter, C. Reduktion von Warenverlusten und Warenvernichtung in der AHV—Ein Beitrag zur Steigerung der Ressourceneffizienz: Bericht zum Forschungs- und Entwicklungsprojekt; Institut für Nachhaltige Ernährung und Ernährungswirtschaft—iSuN: Münster, Germany, 2014; Available online: http://www.hb.fh-muenster.de/opus/fhms/volltexte/2014/ 1057/ (accessed on 8 November 2016). (In German)
19. Klebert, K.; Schrader, E.; Straub, W.G. Moderations-Methode: Das Standardwerk, 3rd ed.; Windmühle: Hamburg, Germany, 2006. (In German)
20. Strotmann, C.; Niepagenkemper, L.; Göbel, C.; Flügge, F.; Friedrich, S.; Ritter, G.; Kreyenschmidt, J. The LAV Platform—A Participatory Approach to Minimizing Food Waste in the Food Industry—A Manual for Managers—The Participatory Development of an Online Toolbox of Instruments Encountering Food Waste and its Transfer into the Public. 2016; submitted.
21. Смирнов Ю. Д., Ковшов С. В., Никулин А. Н. Переработка органических отходов с помощью биогазвермитехнологии// Записки Горного института. – 2013. – С. 104-107.
22. Миронов В. В. Экобиотехнологии переработки органических отходов// Ежеквартальный научный журнал. – 2018. - № 1 (29). – С. 60-65.
23. Самоделкин А. Г., Титова В. И., Дабахова Е. В. Проблемы утилизации органических отходов на свиноводческих предприятиях промышленного типа// Агрохимический вестник. – 2013. - № 1. – С. 31-33.
24. Найман С. М., Ю., Тунакова Ю. А. Экологические и экономические аспекты применения биогазовых технологий для переработки органических отходов// Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – С. 191-196.
25. Sotirios Karellas , Ioannis Boukis, Georgios Kontopoulos. Development of an investment decision tool for biogas production from agricultural waste// Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2010. – V. 14. – P. 1273-1282.
26. Simbirskikh E. S. Application of biogas in Russia// AGRITECH-III-2020. – 2020. – P. 1-6.
27. Panagiotis G. Kougias , Irini Angelidaki. Biogas and its opportunities—A review// Springer Nature. – 2018. – P. 1-12.
28. Темников Д. О., Седых П. С., Ферзелиев Р. С. Исследование физико-химических свойств органических субстратов// Science Time. – 2015. – С. 507-510.
29. Филонов А. В., Крампит М. А., Романенко В. О. Современное состояние и перспективные направления использования вторичных пищевых материальных ресурсов пищевой промышленности// Фундаментальные исследования. – 2017. – № 5 – С. 215-219.
30. Капнинова О. С. Современное состояние утилизации отходов пищевой промышленности РФ// Научный Альманах. – 2014. - № 1. – С. 19-23.
31. Уланова Д. Е., Житин Ю. И., Свекольникова Н. В. Влияние внесения отходов пищевой промышленности на функционирование агроценозов центрального черноземья// Вестник Воронежского Государственного Аграрного Университета. – 2015. - № 4(47). – С. 27-33
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!