Способ получения водорастворимого производного гидролизного лигнина

Настоящее изобретение относится к способу получения гидролизного лигнина, растворимого в воде, предусматривающему окисление лигнина в растворе, содержащем кислоту и пероксид водорода, промывку водой с последующим растворением продукта окисления в растворе, содержащем гидроксид щелочного металла в количестве, стехиометрическом по отношению к содержащимся в нем кислым группам. Предлагаемый способ позволяет получить водные растворы гидролизного лигнина в широком диапазоне значений pH (2-14). 7 з.п. ф-лы, 5 пр.

 

Изобретение относится к способам переработки гидролизного лигнина и может быть использовано в химической промышленности.

Промышленный гидролиз древесины с целью получения этилового спирта, кормовых дрожжей и других полезных продуктов сопровождается образованием в качестве отхода больших количеств гидролизного лигнина.

Проблема использования гидролизного лигнина была и остается актуальной. В соответствии с опубликованными данными [1] на предприятиях гидролизной промышленности в качестве отходов образуется 3,5 млн т в год гидролизного лигнина. Решению данной проблемы посвящено множество публикаций, включая патенты и монографии [1, 2], однако предлагаемые методы утилизации гидролизного лигнина, за некоторым исключением [3], не вышли за рамки лабораторных и полупромышленных испытаний. Главной причиной, препятствующей разработке экономически целесообразной и экологически безопасной технологии переработки и использования этого многотоннажного отхода гидролизной промышленности, является нерастворимость гидролизного лигнина в традиционных растворителях.

Наиболее близким предлагаемому способу получения растворимого лигнина, выбранному в качестве прототипа, является так называемая щелочная активация [2]. Она предусматривает обработку гидролизного лигнина щелочью при высокой температуре (180°С) и соответствующем давлении, причем расход щелочи (NaOH) достигает 100% в расчете на лигнин при продолжительности процесса активации 4 ч.

Помимо использования высокой температуры и большого расхода реагента известный способ имеет еще один важный недостаток. Использование полученных растворов ограничено проведением реакций лигнина только в щелочной среде. В противном случае необходимо выделять лигнин подкислением минеральной кислотой в виде труднофильтруемого осадка, тщательно отмывать водой образовавшиеся соли и сушить.

Целью настоящего изобретения является разработка способа получения гидролизного лигнина, растворимого в воде, в виде его производного.

Указанная цель достигается за счет обработки гидролизного лигнина пероксидом водорода в кислой среде с последующим растворением в воде в виде соли щелочного металла.

Процесс осуществляется в 3 стадии.

1. Гидролизный лигнин окисляется в растворе, содержащем пероксид водорода (1-10 моль/л) и сильную минеральную кислоту (H₂SO₄, HCl, HNO₃) с концентрацией в интервале 0,1-3 моль/л, при гидромодуле 1:5-1:50 и температуре 20-100°С в течение 30-300 мин.

2. Окисленный гидролизный лигнин промывается водой и растворяется в растворе, содержащем стехиометрическое отношение 1:1 к содержащимся в нем кислым группам, количество гидроксида щелочного металла (NaOH, KOH, LiOH).

3. Полученный раствор окисленного гидролизного лигнина либо нейтрализуется кислотой до pH 7, либо значение pH раствора регулируется добавлением необходимого количества кислоты или основания.

Пример 1. Гидролизный лигнин (1 г) окисляли в растворе (20 мл), содержащем H₂SO₄ (0,1 моль/л) и Н₂О₂ (2,6 моль/л), при температуре 80°С в течение 150 мин. Растворимость окисленного гидролизного лигнина в 0,2 М растворе NaOH составила 77.5%.

Пример 2. Гидролизный лигнин (1 г) окисляли в растворе (20 мл), содержащем H₂SO₄ (0,2 моль/л) и Н₂О₂ (7,6 моль/л), при температуре 80°С в течение 150 мин. Растворимость окисленного гидролизного лигнина в 0,2 М растворе NaOH составила 94.6%.

Пример 3. Гидролизный лигнин (1 г) окисляли в растворе (20 мл), содержащем H₂SO₄ (0,2 моль/л) и Н₂О₂ (4,8 моль/л), при температуре 90°С в течение 150 мин. Растворимость окисленного гидролизного лигнина в 0,2 М растворе NaOH составила 91,8%.

Пример 4. Гидролизный лигнин (1 г) окисляли в растворе (20 мл), содержащем H₂SO₄ (1,2 моль/л) и Н₂О₂ (3,2 моль/л), при температуре 80°С в течение 150 мин. Растворимость окисленного гидролизного лигнина в 0,2 М растворе NaOH составила 94,5%.

Пример 5. Гидролизный лигнин (40 г) окисляли в растворе (400 мл), содержащем H₂SO₄ (1,2 моль/л) и Н₂О₂ (3,3 моль/л), при температуре 80°С в течение 150 мин. Растворимость окисленного гидролизного лигнина в 0,2 М растворе NaOH составила 91,8%.

Таким образом, преимуществами предлагаемого способа по сравнению с прототипом является возможность получения водных растворов гидролизного лигнина в широком диапазоне значений pH (2-14) при относительно низких температурах и нормальном давлении, что исключает необходимость использования специального оборудования и снижает энергетические затраты. Пероксид водорода, используемый по предлагаемому способу в качестве окислителя, является экологически безопасным реагентом, поскольку конечными продуктами его превращений являются кислород и вода.

Получение гидролизного лигнина, растворимого в воде, открывает новые возможности для утилизации этого многотоннажного отхода гидролизной промышленности.

Литература

1. Комплексное использование сырья и отходов / Б.М. Равич, В.П. Окладников, В.Н. Лыгач, М.А. Менковский. М.: Химия, 1988. 288 с.

2. Чудаков М.И. Промышленное использование лигнина. М.: Лесн. пром-сть, 1983. 200 с.

3. Леванова В.П. Лечебный лигнин. Санкт-Петербург: Центр сорбционных технологий, 1992. 136 с.

1. Способ получения гидролизного лигнина, растворимого в воде, отличающийся тем, что процесс его получения предусматривает окисление лигнина в растворе, содержащем кислоту и пероксид водорода, промывку водой с последующим растворением продукта окисления в растворе, содержащем гидроксид щелочного металла в количестве, стехиометрическом по отношению к содержащимся в нем кислым группам.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислоты используют сильные минеральные кислоты в ряду H₂SO₄, HCl, HNO₃ с концентрацией в интервале 0,1-3 моль/л.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используется концентрация Н₂О₂ в интервале 1-10 моль/л.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидромодуль процесса окисления лежит в интервале 1:5-1:50.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура процесса окисления лежит в интервале 20-100°С.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гидроксида щелочного металла используются растворы NaOH, KOH, LiOH.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что концентрация гидроксида щелочного металла выбирается таким образом, чтобы она соответствовала стехиометрическому отношению 1:1 в расчете на кислые группы, содержащиеся в окисленном гидролизном лигнине.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученный раствор окисленного гидролизного лигнина либо нейтрализуется кислотой до рН 7, либо значение рН раствора регулируется добавлением необходимого количества кислоты или основания.