Lignin: co to jest, podstawowe właściwości i zastosowania. Hydrolizowana lignina

Lignina (z łacińskiego lignum - drewno) jest złożonym aromatycznym polimerem naturalnego pochodzenia. Substancja jest częścią roślin i jest produktem biosyntezy. Jest to najczęstszy polimer na świecie, po celulozie, i odgrywa ważną rolę w naturalnym cyklu węglowym. Uważa się, że lignina powstała w trakcie ewolucji, gdy lądowy tryb życia zastąpił wodny. Jest jak chityna u stawonogów, zaprojektowana w celu zapewnienia sztywności i stabilności łodyg i pędów roślin. Dziś dowiemy się więcej o tym, czym jest lignina i jak jest ona stosowana w nowoczesnym przemyśle.

Krótki opis

Głównymi składnikami tkanki roślinnej są celuloza, hemiceluloza i lignina. Drewno drzew iglastych zawiera do 38% tej substancji, w drzewach liściastych - do 25%, aw słomie zbóż - do 20%. Lignina znajduje się w ścianach komórkowych i przestrzeni zewnątrzkomórkowej, mocując włókna celulozowe. W połączeniu z hemicelulozą zapewnia wytrzymałość mechaniczną pni drzew. Ponadto naturalny polimer odpowiada za szczelność ściany komórkowe (dla składników odżywczych i wody) i określa kolor zdrewniałej tkanki. Lignina jest chemicznie i fizycznie silnie włączona do struktury tkanki roślinnej, dlatego izolowanie jej stamtąd przemysłowo jest bardzo trudnym zadaniem inżynieryjnym.

Klasyfikacja

Zwykle protolignin jest polimerem zawartym w naturalnej postaci wewnątrz rośliny i jego technicznych pochodnych, które są otrzymywane przez ekstrakcję z tkanki roślinnej, przy użyciu różnych metod fizykochemicznych. Ta substancja nie jest wytwarzana w sposób specyficzny, jest otrzymywana jako odpad produkcji biochemicznej. Podczas fizyko-chemicznego wpływu na ligniny jego masa cząsteczkowa wielokrotnie się zmniejsza, a aktywność reakcji wzrasta.

W przemyśle hydrolizy otrzymamy hydrolizowaną ligninę, która jest również nazywana proszkiem.

W produkcji form celulozowych polimeru, rozpuszczalnych w wodzie. Roztwarzanie odbywa się głównie za pomocą dwóch technologii: siarczanu (zasadowego) i siarczynu (kwasu). Metoda alkaliczna jest bardziej powszechna. Ligniny produkowane w produkcji siarczanu nazywa się odpowiednio siarczanem i są wykorzystywane głównie w elektrowniach celulozowni. Ale polimer otrzymywany w produkcji siarczynu powstaje w postaci roztworów lignosulfonianów, z których jedna gromadzi się w specjalnych magazynach, a druga część trafia do ścieki.

Literatura obcojęzyczna zawiera informacje na temat oddzielania ligniny od siarki i siarkawy. Pierwszy rodzaj to w istocie polimer hydrolityczny, a drugi to polimer produkowany w przemyśle celulozowym.

Przedsiębiorstwa, które otrzymują produkt uboczny jako produkt uboczny, mają tendencję do recyklingu. Niemniej jednak hydrolizę i ligninę siarczanową, a także lignosulfoniany można znaleźć na rynku jako osobny produkt. Najbardziej rozpowszechnionym produktem opartym na tej substancji są brykiety paliwowe. Nie istnieją żadne normy dotyczące lignin technicznych, dlatego przedsiębiorstwa, które je kupują, podają swoje własne parametry jakości.

Formuła i właściwości

Z chemicznego punktu widzenia lignina jest koncepcją warunkową i uogólnioną. Tak jak nie ma identycznych osób, nie ma identycznych polimerów. Przyjmuje się, że skład ligniny obejmuje atomy węgla, wodoru i tlenu. Ligniny pochodzące z różnych roślin mogą się znacznie różnić pod względem składu chemicznego. Substancja ma nieskończenie dużą cząsteczkę i wiele różnych grup funkcyjnych.

Podstawą wszystkich rodzajów ligniny jest taka jednostka strukturalna jak fenylopropan (C ₉ H ₁₀ ). Różnice między gatunkami wynikają z zawartości różnych grup funkcyjnych. Z punktu widzenia współczesnej nauki odpowiedź na pytanie, czym jest taka lignina, wygląda następująco: "Lignina jest złożonym trójwymiarowym polimerem, który ma strukturę siatkową i aromatyczną, wynikającą z polikondensacji pewnej liczby monolignoli (alkoholi cynamonowych)".

W normalnych warunkach substancja jest słabo rozpuszczalna zarówno w wodzie, jak i w rozpuszczalnikach organicznych. W środowisku może uczestniczyć w wielu różnych przemianach i reakcjach. Lignina uważana jest za biologicznie czynną. Podwyższony nacisk wykazuje właściwości plastyczne, szczególnie w stanie mokrym.

Recykling w przyrodzie

Ten naturalny polimer praktycznie nie jest wchłaniany w procesie trawienia u zwierząt wyższych. W środowisku naturalnym za jego przetwarzanie odpowiedzialne są wszelkiego rodzaju grzyby, owady, bakterie i dżdżownice. Główną rolę w tym procesie odgrywały podstawczaki. Należą do nich gatunki żyjące na drzewach (żywe lub martwe) i przetwarzające opadłe liście. Wśród nich są nawet grzyby jadalne: boczniak, grzyb, pieczarka.

Lignina jest rozkładana przez działanie oksydoreduktaz - pozakomórkowych enzymów grzybów. Należą do nich głównie peroksydazy lininolityczne (peroksydaza ligninowa i Mn) i oksydaza pozakomórkowa (lakkaza). Ponadto, kompleks ligninolityczny grzybów obejmuje enzymy pomocnicze, które wytwarzają nadtlenek wodoru i aktywne enzymy tlenowe.

Głównym produktem rozkładu ligniny w warunkach naturalnych jest próchnica. Rozkład substancji w naturze występuje w obecności elementów tkanki roślinnej, takich jak celuloza i hemiceluloza.

Wartość ekonomiczna

Około 70 milionów ton ligniny technicznej rocznie produkuje się na świecie. Pomimo faktu, że jest uważany za cenny surowiec chemiczny, sprzedaż substancji jest bardzo słaba. Ponadto, ze względu na brak opłacalnej technologii produkcji, użycie tego polimeru nie jest opłacalne ekonomicznie. Na przykład rozkład ligniny na mniej złożone związki chemiczne (benzen, fenol itp.) Jest droższy niż synteza tych związków z ropy i gazu. Statystyki Międzynarodowego Instytutu Lgnina pokazują, że na świecie tylko 2% technicznych lignin jest wykorzystywanych do celów rolniczych, przemysłowych i innych. Zasadniczo są one wykorzystywane do produkcji peletek ligninowych, nawozów i innych produktów o niskim tonażu. Pozostałe 98% spalane jest w elektrowniach lub po prostu pochowane na cmentarzach.

Trudność przemysłowej obróbki ligniny wiąże się ze złożonością jej natury, dużą zmiennością jednostek strukturalnych i ich połączeń, a także niestabilnością polimeru przed ekspozycją chemiczną i termiczną. Odpady przedsiębiorstw nie zawierają naturalnego polimeru, lecz substancje zawierające ligniny lub mieszaniny substancji o większej aktywności chemicznej i biologicznej. Bez zanieczyszczeń również nie.

Uważa się, że w pobliżu przechowywania ligniny nie jest pożądane życie. Substancja jest łatwopalna i dobrze wypalona, ​​z uwolnieniem związków azotu, siarki i innych nieprzyjemnych związków. Gaśnictwo magazynów jest utrudnione ze względu na ich duże rozmiary i właściwości płonące polimeru. Niektóre badania potwierdziły mutagenną aktywność substancji. Tak więc, istnieją wszelkie powody, aby twierdzić, że techniczne ligniny w bilansie gospodarki narodowej stanowią imponującą, stale rosnącą wartość ujemną.

Hydrolizowana lignina

Ten rodzaj polimeru jest proszkową bezpostaciową substancją, której gęstość zmienia się w zakresie 1,25-1,45 g / cm3, a kolor zmienia się ze śmietanki na brąz. Lignina hydrolityczna ma specyficzny zapach. Jego masa cząsteczkowa może wahać się od 5 do 10 tysięcy. Hydrolizowana lignina zawiera od 40 do 88% samej ligniny. Pozostały udział podzielono na: trudno hydrolizujące polisacharydy (13-45%); substancje żywiczne, a także substancje kompleksu lignocelowego (5-19%); i elementy popiołu (0,5-10%).

Lignina jest nietoksyczna. Ma dobrą pojemność sorpcyjną. W stanie suchym jest dobrze palny, a w postaci spryskanej jest substancją wybuchową. Zapłon polimeru następuje w temperaturze 195 ° C, a samozapłon - 425 ° C.

Zakres ligniny hydrolizy jest dość szeroki:

1. Produkcja brykietów paliwowych.
2. Produkcja paliwa gazowego, w tym w generatorach tłoków gazowych, z wytwarzaniem energii elektrycznej.
3. Recykling ligniny na biopaliwa.
4. Produkcja środków redukujących do metalu i krzemu, w postaci brykietów.
5. Sorbenty na bazie ligniny, oczyszczające ścieki miejskie i przemysłowe, produkty naftowe, cięższe metale i inne.
6. Produkcja węgla, w tym aktywowana.
7. Sorbenty dla medycyny i weterynarii ("Polyphepan" i inne).
8. Surowce do syntezy nitroligniny, stosowane w celu zmniejszenia lepkości roztworów gliny stosowanych podczas wiercenia.
9. Konwertery do produkcji cegieł i innych wyrobów ceramicznych.
10. Wypełniacz do materiałów kompozytowych i tworzyw sztucznych.
11. Produkcja nawozów ligninowych (minerałów organicznych i organicznych), a także herbicydów w uprawach roślin strączkowych.
12. Wytwarzanie kwasów (octowego i oksalnego) i fenolu.
13. Dodatek do betonu asfaltowego.

Lignosulfoniany

Są to pochodne sulfonianu ligniny, które są rozpuszczalne w wodzie i powstają podczas delignifikacji siarczanowej drewna. Są to sole sodowe kwasów lignosulfonowych zmieszane z domieszkami substancji mineralnych i redukujących.

Przemysłowe lignosulfoniany otrzymuje się przez odparowanie odsiarczonego ługu siarczynowego. Produkowane są w postaci koncentratów bardów litowych lub ciekłych bardów i alkoholi masa molowa od 200 do 60 000. Substancje mają dużą aktywność powierzchniową, więc są stosowane jako środki powierzchniowo czynne (surfaktanty).

Główne aplikacje:

1. Przemysł chemiczny . W postaci stabilizatorów, środków dyspergujących i wiążących, do produkcji brykietowanych środków ochrony roślin.
2. Przemysł naftowy. Jako odczynnik do regulacji parametrów płuczek wiertniczych.
3. Odlewnia. Jako środek wiążący do formowania mieszanek i dodatków do farb o właściwościach nieklejących.
4. Produkcja betonu i materiałów ogniotrwałych. Jako mieszanka zmiękczacza.
5. W budowie. W celu nadania materiałom i glebie najlepszej charakterystyki wytrzymałościowej oraz jako emulgator dla mieszanek drogowych.
6. Rolnictwo i leśnictwo. Aby chronić glebę przed erozją.
7. Produkcja wanilii. Jako surowiec.

Lignina siarczanowa

Ten rodzaj naturalnego polimeru jest roztworem soli sodowych o wysokiej gęstości i odporności chemicznej. Po wyschnięciu pudrowa substancja ma brązowy kolor. Średnica cząstek może się zmieniać w dość szerokim przejściu - 10 mikronów - 5 mm. Proszek składa się z pojedynczych cząstek o kulistym kształcie i ich kompleksów. Gęstość ligniny siarczanowej wynosi 1300 kg / m3. Substancja jest rozpuszczalna w: wodnych roztworach wodorotlenków metale alkaliczne dioksyny, wodne roztwory amoniaku, glikolu etylenowego, furfuralu, pirydyny i dimetylosulfotlenku. Podczas obróbki cieplnej polimer ulega rozkładowi, tworząc substancje lotne. Substancja jest uważana za praktycznie nietoksyczny produkt. Jest on stosowany w postaci wilgotnej pasty.

Kierunki użycia ligniny (siarczanu):

1. Surowce do produkcji tworzyw sztucznych i żywic fenolowo-formaldehydowych.
2. Spoiwo. Lignina jako klej stosowana jest do produkcji tektury, papieru, włókien i płyt wiórowych.
3. Dodatek modyfikujący dla gumy i lateksu.
4. Stabilizator do pianek chemicznych.
5. Plastyfikator do betonu, a także wyroby ogniotrwałe i ceramiczne.
6. Surowce do produkcji węgli rozjaśniających.

Perspektywy

Dowiedziawszy się, czym jest lignin, porozmawiajmy trochę o perspektywach jego przemysłowego wykorzystania. Technologia przetwarzania i delignifikacji surowców zawierających celulozę wiąże się z dużymi inwestycjami kapitałowymi i nie jest całkowicie korzystna z punktu widzenia ekologii. Naukowcy na całym świecie od dawna pracują nad stworzeniem wysoce wydajnych sposobów organizacji produkcji celulozy i biochemii, ale ich rozwój nie znalazł jeszcze szerokiego zastosowania. Niemniej jednak wiele zmian w dziedzinie wykorzystania świeżej i przechowywanej ligniny w różnych latach wprowadzono do przemysłu. Kwestie te mają szczególne znaczenie w świetle rosnącego zainteresowania zwalczaniem problemów środowiskowych i wykorzystaniem całego spektrum materiałów roślinnych. Tak więc zaprzeczyć, że perspektywa zastosowania ligniny w sektorze przemysłowym i rolniczym byłaby błędna.

Poziom produkcji i konsumpcji celulozy i innych produktów biochemii dla dużych krajów jest uważany za najważniejszy wskaźnik rozwoju gospodarczego. Oczywiście, nie-biochemicy wnoszą decydujący wkład w pogarszanie się sytuacji ekologicznej. Niemniej jednak w miejscach, gdzie działają takie przedsiębiorstwa, ich rola w zanieczyszczeniu środowiska może być dość znacząca.

Wniosek

Dzisiaj odpowiedzieliśmy na pytanie: "Lignin: co to jest?". Podsumowując, można zauważyć, że lignina to naturalnie występujący aromatyczny polimer, który jest częścią roślin i jest produktem biosyntezy. Formy substancji otrzymanych w przemyśle hydrolizy i celulozy znalazły szerokie zastosowanie. Niemniej jednak kwestia pełnego przetworzenia technicznych lignin nie została jeszcze rozwiązana.