Химия древесины и целлюлозы
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» О.А. Носкова, К.А. Синяев ХИМИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета 2016 1
УДК 634.0.813 Н 84 Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Ф.Х. Хакимова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет), канд. техн. наук, доц. Д.Р. Нагимов (ЗАО «Карбокам Пермь») Носкова, О.А. Н 84 Химия древесины и целлюлозы: учеб.-метод. пособие / О.А. Носкова, К.А. Синяев. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 45 с. ISBN 978-5-398-01578-2 Изложены краткие сведения о химическом составе древесины, строении и свойствах ее основных компонентов. Приведены методы определения содержания основных компонентов в древесине, а также описаны методики химического и физико-химического анализа целлюлозы. Предназначено для студентов направления 240100.62 «Химическая технология» по профилю «Химическая технология переработки древесины» очного и заочного обучения. УДК 634.0.813
| ISBN 978-5-398-01578-2 | ПНИПУ, 2016 |
2
| ОГЛАВЛЕНИЕ | |
| 1. Цели и особенности химического анализа | |
| древесины и другого растительного сырья. | 4 |
| 2. Компонентный состав древесины. | 5 |
| 3. Химический анализ древесины . | 7 |
| 3.1. Определение влажности древесины. | 7 |
| 3.2. Определение зольности древесины. | 10 |
| 3.3. Определение содержания экстрактивных веществ. | 11 |
| 3.3.1. Определение веществ, растворимых | |
| в органических растворителях . | 12 |
| 3.3.2. Методика определения веществ, | |
| растворимых в холодной воде. | 15 |
| 3.3.3. Методика определения веществ, | |
| растворимых в горячей воде. | 15 |
| 3.4. Определение содержания лигнина в древесине . | 16 |
| 3.5. Определение содержания целлюлозы в древесине. | 19 |
| 3.6. Определение содержания пентозанов в древесине. | 23 |
| 4. Химический и физико-химический анализ целлюлозы . | 26 |
| 4.1. Определение медного числа целлюлозы. | 27 |
| 4.2. Определение устойчивости целлюлозы | |
| к растворяющему действию щелочей. | 30 |
| 4.2.1. Методика определения альфа-целлюлозы. | 31 |
| 4.2.2. Методика определения — и -целлюлозы. | 32 |
| 4.3. Определение вязкости и средней степени | |
| полимеризации целлюлозы. | 34 |
| 4.3.1. Определение вязкости медно-аммиачного | |
| раствора целлюлозы. | 36 |
| 4.3.2. Методика определения СП | |
| в медно-аммиачном растворе. | 39 |
| Правила безопасности ведения работ в лаборатории | |
| химии древесины и целлюлозы. | 42 |
| Список рекомендуемой литературы. | 44 |
| 3 |
1. ЦЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ И ДРУГОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ Химия древесины – это раздел технической химии, изучающий химический состав древесины; химизм образования, строения и химические свойства веществ, составляющих мертвую древесную ткань; методы выделения и анализа этих веществ, а также химическую сущность природных и технологических процессов переработки древесины и ее отдельных компонентов. Химия древесины и целлюлозы является теоретической базой технологии химической переработки древесины и целлюлознобумажного производства. Химический анализ древесины и другого растительного сырья имеет важное значение дли оценки его пригодности в производстве целлюлозы, гидролизных и лесохимических производствах. Основным сырьем в целлюлозно-бумажном производстве в разных странах мира служит древесина различных пород – хвойных и лиственных. В России главным образом используют древесину хвойных пород – сосны, ели, пихты и лиственницы. В связи с постепенным истощением ресурсов древесины хвойных пород и более низкими ценами на древесину лиственных пород доля последней в сырьевом балансе цел- люлозно-бумажной промышленности все возрастает. Во многих развивающихся странах тропической и субтропической климатических зон для целлюлозного, а также гидролизного производств все большее значение приобретает недревесное «однолетнее» сырье, такое как солома культурных злаков, бамбук, багасса сахарного тростника, дикорастущиетравянистыерастения, тростникразличных видов идр. Разные отрасли производства предъявляют к сырью свои специфические требования. Так, при оценке сырья для производства технической целлюлозы и бумаги важно знать содержание целлюлозы, позволяющее предсказать возможный выход продукции, а также определить режим делигнификации (содержание лигнина). Определение выхода редуцирующих сахаров позволяет оценить древесину как сырье для гидролизных производств. При этом определение содержания пентозанов и гексозанов укажет на соотно- 4
шение сбраживаемых и несбраживаемых сахаров, а также на возможный выход фурфурола. Установление содержания отдельных групп экстрактивных веществ (таннинов, смол, летучих эфирных масел и др.) имеет важное значение для оценки сырья в канифоль- но-экстракционном производстве. 2. КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ДРЕВЕСИНЫ Схема компонентного (химического) состава древесины приведена на рис. 1. Абсолютно сухая древесина примерно на 99 % состоит из органических соединений (низко- и высокомолекулярных) и около 1 % минеральных. Рис. 1. Химический состав древесины Минеральные вещества при сжигании древесины и прокаливании остатка от сжигания в муфельной печи образуют золу. К органическим веществам древесины относят углеводную, ароматическую части древесины и экстрактивные вещества. Углеводная часть древесины представляет собой комплекс полисахаридов , называемый холоцеллюлозой . Полисахариды, вхо- дящие в холоцеллюлозу, – это высокомолекулярные соединения 5
(ВМС). Массовая доля холоцеллюлозы обычно 70–80 %, причем в древесине лиственных пород она выше, чем в древесине хвойных. В состав холоцеллюлозы входят целлюлоза и нецеллюлозные поли- сахариды – гемицеллюлозы . Целлюлоза – основной компонент древесины, составляющий 40–50 %. Это линейный полисахарид, макромолекулы которого построены из звеньев D-глюкозы, соединенных между собой гликозидной связью. Целлюлоза нерастворима в органических растворителях, в воде и в растворах щелочей (гидроксидов натрия, калия и др.). Гемицеллюлозы – это нецеллюлозные полисахариды, которые в отличие от целлюлозы растворимы в щелочах, но нерастворимы ни в органических растворителях, ни в воде. Степень полимеризации (СП) гемицеллюлоз значительно меньше (100–200), чем у природной древесной целлюлозы (5000–10 000). Гемицеллюлозы и другие нецеллюлозные полисахариды – это в основном смешанные полисахариды (гетерополисахариды), которые в анализе древесины условно подразделяют на пентозаны и гексозаны . Пентозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят в основном из звеньев пентоз, содержащих 5 атомов углерода. К пентозанам относятся ксиланы и арабинаны. Гексозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят в основном из звеньев гексоз, содержащих 6 атомов углерода. К гексозанам относятся различные маннаны, галактаны (галактан, арабиногалактан) и крахмал. Древесина хвойных пород содержит меньше гемицеллюлоз, чем древесина лиственных пород умеренной климатической зоны. В древесине хвойных пород содержание пентозанов и гексозанов примерно одинаково, тогда как древесина лиственных пород содержит главным образом пентозаны и сравнительно мало гексозанов. Кроме гемицеллюлоз, в древесине содержатся также некоторые водорастворимые нецеллюлозные полисахариды (крахмал, арабиногалактан), пектиновые вещества (комплекс трех компонентов – пектиновой кислоты, арабинана и галактана). Их рассматривают как водорастворимые экстрактивные вещества. 6
Ароматическая часть древесины, или лигнин , представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения. Доля лигнина в древесине обычно равна 20–30 %. При этом больше лигнина содержит древесинахвойныхпород именьше– лиственных. Экстрактивные вещества древесины не входят в состав клеточных стенок (но могут иногда пропитывать их). Они находятся в полостях клеток или в межклеточных каналах (в смоляных ходах в древесине хвойных пород) Эти вещества могут экстрагироваться из древесины нейтральными растворителями (водой или органиче-
| скими растворителями). Массовая | доля экстрактивных | веществ | ||||||||||
| в древесных породах умеренной зоны невелика (до 3–4 %). | ||||||||||||
| Компонентный состав древесины некоторых отечественных | ||||||||||||
| пород представлен в таблице. | ||||||||||||
| Массовая доля (%) основных компонентов | ||||||||||||
| в различных породах древесины | ||||||||||||
| Лигно-углеводный комплекс | Экстрактивные вещества | |||||||||||
| Холоцеллюлоза | раство- | раство- | Мине- | |||||||||
| Гемицеллюлозы | римые в | римые | ||||||||||
| Поро- | лету- | ральные | ||||||||||
| да | Целю- | Пекти- | Лиг- | органи- | в холод- | чие с | вещест- | |||||
| лоза | Гексо- | Пенто- | новые | нин | ческих | ной | паром | ва | ||||
| заны | заны | веще- | раство- | и горя- | ||||||||
| ства | рителях | чей воде | ||||||||||
| Ель | 44,2 | 12,3 | 10,3 | 1,2 | 29,0 | 2,2 | 1,9 | 0,3 | 0,2 | |||
| Сосна | 43,3 | 11,8 | 10,4 | 1,1 | 27,5 | 3,4 | 2,3 | 0,4 | 0,2 | |||
| Осина | 43,6 | 2,0 | 26,0 | 1,8 | 20,1 | 1,6 | 2,3 | – | 0,26 | |||
| Береза | 41,0 | 3,0 | 28,0 | 1,5 | 21,0 | 1,8 | 2,2 | – | 0,35 | |||
3. ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ 3.1. Определение влажности древесины Методы определения влажности древесины, целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов являются общими. В основе методики определения влажности лежит уменьшение массы растительного сырья при высушивании до постоянной массы. 7
Анализ обычно проводят высушиванием навески древесины (около 1 г или более) в бюксе (стеклянном или алюминиевом) до постоянной массы при температуре (103±2) °С. При температуре ниже 100 °С удаление воды может быть неполным, а при температуре выше 105 °С может наблюдаться деградация компонентов древесины, приводящая к потере массы. Термин влажность означает отношение массы влаги в древесине (целлюлозе или в других волокнистых полуфабрикатах) к массе влажной древесины (целлюлозы). Влагосодержание − отношение массы влаги к массе абсолютно сухой древесины. Коэффициент сухости воздушно-сухого сырья − это содер- жание абсолютно сухого вещества в 1 грамме воздушно-сухого растительного сырья. Абсолютно сухая древесина – это древесина, высушенная в сушильномшкафу притемпературе(103±2)°С до постоянноймассы. Постоянной массой древесины считают такое значение массы, которое отличается от предыдущего не более чем на 0,0002 г. Методика определения Чистый пустой бюкс (вместе с крышкой в открытом виде) высушивают в сушильном шкафу при (103±2) °С до постоянной массы. В бюкс помещают навеску воздушно-сухих опилок массой около 1 г древесины. Бюкс с опилками (навеской) взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Сушат бюкс с навеской в сушильном шкафу при температуре (103±2) °С в течение 3–4 ч. Перед извлечением из сушильного шкафа бюкс закрывают крышкой, а затем помещают в эксикатор и охлаждают в эксикаторе 20 мин. Время охлаждения должно быть строго постоянным. Перед взвешиванием крышку бюкса на короткое время приоткрывают, чтобы уравнять давление воздуха. Высушивание бюкса повторяют по 1 ч (с последующим охлаждением и взвешиванием) до тех пор, пока масса не станет постоянной. После достижения постоянной массы бюкса с навеской необходимо взвесить пустой бюкс без навески. 8
Относительную влажность древесины вычисляют по формуле W g g 1 100 %, g где g – масса навески воздушно-сухой древесины (до высушивания), г; g 1 – масса навески абсолютно-сухой древесины (после высушивания), г. Влагосодержание древесины Х вычисляют по формуле X g g 1 100 %. g 1 Коэффициент сухости K сух определяют по формуле K сух 100 W g 1 . 100 g Пример записи результатов взвешиваний и расчета коэффициента сухости
| До высушивания : | |
| масса бюкса с навеской…. | 32,5012 г |
| масса пустого бюкса……. | 31,5038 г |
| масса влажной навески. | 0,9974 г |
Результаты взвешивания : 1-е взвешивание…………. 32,4515 г 2-е взвешивание…………. 32,4420 г 3-е взвешивание…………. 32,4324 г 4-е взвешивание…………. 32,4327 г После высушивания : масса бюкса с навеской…. 32,4327 г масса пустого бюкса……. 31,5026 г масса сухой навески……. 0,9301 г 9
Коэффициент сухости K сух 0,9974 0,9301 0,9325. Во всех последующих химических анализах для расчета абсолютно сухой навески древесины значение взятой воздуш- но-сухой навески умножают на К сух . Контрольные вопросы 1. На чем основана методика определения влажности древе- сины? 2. Что означает понятие «постоянная масса»? 3. Что такое влажность, влагосодержание, коэффициент сухости древесины? 4. Как, зная влажность древесины, рассчитать массу абсолютно сухой навески древесины (или воздушно-сухой навески)? 3.2. Определение зольности древесины В состав древесины наряду с органическими веществами входит также некоторое количество минеральных веществ. Состав минеральных веществ технических целлюлоз (или других волокнистых полуфабрикатов) может сильно отличаться от состава минеральной части древесины и зависит от условий получения полуфабрикатов. Минеральные вещества при сжигании древесных материалов образуют золу. Содержание золы в древесине колеблется обычно от 0,25 до 1,0 %. Содержание золы в технических целлюлозах колеблется в очень широких пределах (от 0,02 до 1,0 %) и зависит от назначения технической целлюлозы. Методы определения содержания золы основаны на сжигании навески древесного материала (целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов) в фарфоровом тигле с последующим прокаливанием остатка в муфельной печи при температурах от 550 до 600 °С. 10
Источник