Способ этерификации торфа
Владельцы патента RU 2451690:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Югорский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к ацетилированнию производных торфа и может быть использовано в производстве пластических масс. Способ этерификации торфа заключается в механохимической обработке торфа гидроксидом натрия при измельчении на планетарной мельнице АГО-3 с последующей этерификацией уксусным ангидридом при 80-100°С в течение 2-8 ч. Технический результат - расширение сырьевой базы вовлечением торфа в химическую переработку ацетилированием, сокращение расхода реагентов и продолжительности процесса. 3 табл.
Изобретение относится к области химической технологии и конкретно к способу получения ацетилированных производных торфа и может быть использовано в производстве пластических масс и композиционных материалов с минеральными и органическими наполнителями.
Известны способы этерификации древесины с помощью обычных этерифицирующих реагентов: уксусный ангидрид с серной кислотой в качестве катализатора. Получаемые ацетилированные производные сохраняют внешний вид исходной древесины и мало растворимы в органических растворителях, что является основным недостатком этого способа, поскольку продукты не представляют интереса для промышленного использования [Химия древесины / Под ред. Л.Э.Уайза и Э.С.Джана. - М.-Л.: Гослесбумиздат, 1960. т.2. - С.243].
Торф в отличие от древесины должен быть более податлив к химической модификации, так как его полимерная матрица в результате гумификации более доступная и реакционно-способная [Г.В.Наумова. Торф в биотехнологии. Минск: Наука и техника, 1987. - 158 с.].
Известен способ ацетилирования лигноуглеводных материалов, заключающийся в их обработке уксусным ангидридом в количестве 1-3 моль на 1 моль ОН-групп сырья при интенсивном механическом измельчении при 25°С в течение 0.5-3 ч в присутствии 20 мас.% сульфата аммония в качестве катализатора [Патент РФ №2285698. МПК С08В 3/06. Опубликован 20.10. 2006. БИ №29].
Недостатком известного способа является использование в качестве только лигноуглеводных материалов, в которых компоненты химически связаны в лигноуглеводный комплекс и малореакционно-способны.
Использование в качестве сырья торфов различного генезиса позволяет расширить сырьевую базу и получать продукты с более широким спектром свойств.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является способ ацетилирования древесины путем ее обработки уксусным ангидридом при 25°С в течение 0.5-48 ч в присутствии в качестве катализатора гидроксида натрия (прототип) [Базарнова Н.Г., Худенко СБ., Галочкин А.И., Ольхов Ю.А. Ацетилирование древесины осины уксусным ангидридом в присутствии гидроксида натрия // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1998. Т. 41. Вып.6. С.120-123].
Общие признаки прототипа и предлагаемого изобретения заключаются в том, что для ацетилирования используется уксусный ангидрид в присутствии гидроксида натрия в качестве катализатора. К недостаткам прототипа следует отнести: высокий расход ацетилирующего реагента (до 10 моль), длительность процесса до 48 ч, использование в качестве сырья только древесины.
Предлагаемое изобретение позволяет устранить основные недостатки прототипа. Использование торфа в качестве сырья позволяет расширить сырьевую базу и получить продукты с более широким спектром свойств.
Применение механохимической активации торфа на планетарной мельнице АГО-3 позволяет снизить последующий расход ацетилирующего реагента от 1-10 до 1-7 моль/моль ОН-групп торфа, сократить продолжительность процесса от 48 до 2-8 ч, то есть интенсифицировать процесс.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в механохимической обработке торфа гидроксидом натрия в количестве 25% от массы торфяного сырья с последующей этерификацией под действием уксусного ангидрида в количестве 1-7 моль на 1 моль ОН групп торфа при 80-100°С в течение 2-8 ч.
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.
В реактор планетарной мельницы АГО-3 со 100 стальными стержнями (10·100 мм) загружают навеску воздушно-сухого торфа массой 200 г, добавляют гидроксид натрия (из расчета 25% от массы торфа) и подвергают механохимической обработке в течение 5 минут.
Затем навеску активированного торфа массой 2.0 г вносят в круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, помещенную в термостатируемую масляную баню (80-120°С), добавляют уксусный ангидрид (из расчета 1-7 моль/моль ОН-групп торфа) и выдерживают в течение 2-8 ч. Далее полученные продукты отфильтровывают, промывают водой до нейтральной среды и сушат в эксикаторе до постоянной массы.
Пример 1. В реактор планетарной мельницы АГО-3 со 100 стальными стержнями (10·100 мм) загружают навеску воздушно-сухого торфа массой 200 г, добавляют гидроксид натрия (из расчета 25% от массы торфа) и подвергают механохимической обработке в течение 5 минут.
Затем навеску активированного торфа массой 2.0 г вносят в круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, помещенную в термостатируемую масляную баню (100°С), добавляют уксусный ангидрид (из расчета 3 моль/моль ОН-групп торфа) и выдерживают в течение 2 ч. Далее полученные продукты отфильтровывают, промывают водой до нейтральной среды и сушат в эксикаторе до постоянной массы. Растворимость в хлороформе - 18%, содержание связанных ацетильных групп - 12.0%.
Примеры 2-4 проведены в условиях, аналогичных примеру 1, но при различной продолжительности этерификации (табл.1).
| Таблица 1 | |||
| Влияние продолжительности ацетилирования механохимически активированного в присутствии NaOH торфа на свойства полученных продуктов* | |||
| Пример | Продолжительность ацетилирования, ч | Содержание ацетильных групп, % | Растворимость в ацетоне, % |
| Исходный торф | - | - | 5 |
| 1 | 2 | 12.0 | 18 |
| 2 | 4 | 13.6 | 19 |
| 3 | 6 | 14.5 | 20 |
| 4 | 8 | 18.5 | 20 |
| * масса торфа - 2.0 г, мольное соотношение ОН:Ас2О=1:3, температура ацетилирования - 100°С. |
Примеры 5-8 проведены в условиях, аналогичных примеру 3, но при различной температуре этерификации (табл.2). Примеры 9-11 проведены в условиях, аналогичных примеру 3, но при различных мольных соотношениях ОН:Ас2О (табл.3).
В ИК-спектрах этерифицированного торфа наблюдается пик в области 3600-3200 см-1, соответствующий валентным колебаниям незамещенных ОН-групп, очень интенсивные пики в области 1725, 1370, 1240, 600 см-1, соответствующие колебаниям сложноэфирных группировок, а также пики в области 2920-2850 см-1, относящиеся к колебаниям -СН3 группы в алифатическом остатке уксусной кислоты. Пики в области 1600, 1515, 1450 см-1, характерные для ароматических лигнинных и гуминовых структур, присутствуют в спектрах, однако их интенсивность незначительна.
| Таблица 2 | |||
| Влияние температуры ацетилирования механохимически активированного в присутствии NaOH торфа на свойства полученных продуктов* | |||
| Пример | Температура ацетилирования, °С | Содержание ацетильных групп, % | Растворимость в ацетоне, % |
| Исходный торф | - | - | 5 |
| 3 | 100 | 14.5 | 20 |
| 5 | 80 | 10.8 | 14 |
| 6 | 90 | 11.3 | 20 |
| 7 | 110 | 13.5 | 24 |
| 8 | 120 | 13.8 | 24 |
| * масса торфа - 2.0 г, мольное соотношение ОН:Ас2О=1:3, продолжительность ацетилирования - 6 ч. |
| Таблица 3 | |||
| Влияние мольного соотношения ОН:Ас2О при ацетилировании механохимически активированного в присутствии NaOH торфа на свойства полученных продуктов* | |||
| Пример | Мольное соотношение ОН:Ас2O | Содержание ацетильных групп, % | Растворимость в ацетоне, % |
| Исходный торф | - | - | 5 |
| 3 | 1:3 | 14.5 | 20 |
| 9 | 1:1 | 12.2 | 16 |
| 10 | 1:5 | 15.6 | 29 |
| 11 | 1:7 | 18.9 | 40 |
| * масса торфа - 2.0 г, температура ацетилирования - 100°С, продолжительность ацетилирования - 6 ч. |
Таким образом, получены новые ацетилированные производные торфа, которые могут быть использованы в качестве термопластичных материалов.
Способ этерификации торфа, включающий его обработку уксусным ангидридом в присутствии катализатора, при этом обработку торфа проводят в присутствии гидроксида натрия в количестве 25% от его массы при механическом измельчении на планетарной мельнице АГО-3 в течение 5 мин, и ацетилированием уксусным ангидридом в количестве 1-7 моль на 1 моль ОН-групп торфа при 80-120°С в течение 2-8 ч.
