ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧЕРЕЖДЕНЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический  факультет

Кафедра безопасности жизнедеятельности в техносфере

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЛЕСОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 
(курсовая работа)

Выполнил  студент 
4 курса, 674 группы

______________

(подпись) 
Алексей Александрович Аушев

Научный руководитель 
преподаватель

______________ Е. А. Савицкая

(подпись)

Работа  защищена____________

(дата)

Оценка___________________

Барнаул 2011

Содержание

Введение...................................................................................................................4

1 Химический метод переработки  отходов лесоперерабатывающих производств..............................................................................................................6

1.1 Суспензионный метод карбоксиметилирования  древесины.......................6

1.1.1 Карбоксиметилирование  растительного сырья (древесины) 

суспензионным способом (Способ I)..............................................................8

1.1.2 Карбоксиметилирование  растительного сырья (древесины) 

суспензионным способом (Способ II).............................................................8

1.1.3 Карбоксиметилирование  растительного сырья (древесины) 

суспензионным способом (Способ III)............................................................9

1.2 Достоинства  и недостатки метода карбоксиметилирования  растительного сырья (древесины)  суспензионным способом..........................9

1.3 Возможные  сферы применения продуктов карбоксиметилирования  древесины.............................................................................................................10

1.3.1 Карбоксиметилированное растительное  сырье как ркеагент для приготовления  промывочных жидкостей.......................................................11

1.3.2 Сорбционная емкость модифицированных  продуктов древесины по отношению к нефти.........................................................................................12

1.3.3 Стимуляторы роста растений на основе карбоксиметилированного растительного сырья.................................................................................................13

1.3.4 Получение клея на основе карбоксиметилированного растительного сырья.................................................................................................................17

2 Получение клея карбоксиметилированием древесины (КМД-С)..................19

2.1 Методика получения клея КМД-С...............................................................19

2.2 Исследование свойств клея  КМД-С............................................................20

2.2.1 Определение содержания карбоксиметильных  групп............................20

2.3 Характеристики клея КМД-С.......................................................................21

3 Технологическая линия производства  карбоксиметилированной древисины...............................................................................................................22

4. Охрана окружающей среды. Охрана  труда.....................................................24

4.1 Нормирование в области охраны окружающей среды..............................24

4.2 Нормирование в области охраны  труда......................................................26

Заключение............................................................................................................28

Литература.............................................................................................................29

Введение

Алтайский край является малолесным регионом России. Общая площадь земель лесного фонда на 18 ноября 2010 года составляет 4422 тыс. Га. Общий запас стволовой древесины, не считая сучьев, составляет около 395 млн. м³ [1, 2].

Комплексное и рациональное использование  лесных ресурсов предусматривает переработку  отходов древесины, которые образуются в процессе лесозаготовок и лесопиления. В настоящее время на каждый кубометр вывезенной древесины приходится до 500 кг неиспользуемого органического вещества, оставляемого в лесу в виде пней, корней, ветвей, хвои, листьев и т. п.

На лесосеках  при сплошных рубках в отходах  остается более 20% всей органической массы, а при рубках ухода от 80 до 100%. Это ведет к большим потерям  для народного хозяйства, т. к. названные  «отходы» являются потенциальным сырьем для производства целого ряда ценных продуктов, технического, кормового  и пищевого назначения, а так же для производства лечебных и биоактивных  препаратов и продуктов парфюмерно-косметического назначения [3].

Ограниченность запасов  ископаемых органических ресурсов, постоянный рост цен на основной источник химического  сырья – нефть заставляют обратить особое внимание на использование потенциала растительного сырья. Растительное сырье является ценным, ежегодно возобновляемым источником таких высокомолекулярных соединений как целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы, потребность в котором постоянно  возрастает, т.к. оно способно заменить истощающиеся невозобновимые ресурсы. На гидролизных, целлюлозно-бумажных предприятиях из перерабатываемой древесины эффективно используется лишь углеводная компонента – целлюлоза. Многотоннажные отходы, состоящие из ценных продуктов и пригодные для использования в целом ряде направлений, либо сжигаются, либо выводятся в отвалы, что негативно отражается на экономике и экологической обстановке в районах расположения этих производств.

В связи с этим особенно актуальна проблема безотходного использования  высокомолекулярных компонентов древесины, с целью получения из нее ряда необходимых народному хозяйству  продуктов. Одно из решений этой проблемы связано с разработкой новых  подходов к ее химической переработке [4].

В настоящее время  древесные отходы используются преимущественно  в производстве ДВП, ДСП, а также  в гидролизной промышленности.

Необходимы новые  методы переработки отходов древесного сырья, которые бы полностью ликвидировали  проблему загрязнения окружающей среды  при переработке древесины.

Таким образом, целью моей работы является разработка технологии переработки отходов древесного сырья химическим способом на примере карбоксиметилирования древесины.

Задачи работы:

• Описать химизм метода;
• Выявить достоинства и недостатки;
• Предложить технологическую линию практического применения метода.

На практике, данная технология переработки отходов будет способствовать снижению экологической нагрузки на экологическую среду, в то же время приносить экономический доход.

1 Химический метод переработки отходов лесоперерабатывающих производств

Основное направление  химической переработки древесины  – делигнификация с целью получения  из неё целлюлозы. При этом другие составляющие древесины практически  не находят квалифицированного применения.

При выборе химического  метода для переработки отходов  лесоперерабатывающей промышленности основополагались на:

• Простоту метода;
• Доступность и мобильность использования метода;
• Небольшие  экономические затраты при использовании метода;
• Минимизация воздействия на экологическую среду;
• Максимально полное обеспечение переработки древесины.

По этому, наиболее подходящим методом химической переработки  отходов древесины, на мой взгляд, является способ карбоксиметилирования древесины суспензионным способом.

1.1 Суспензионный метод карбоксиметилирования древесины

Древесина с точки зрения химического строения представляет собой полимерную композицию трех основных структурных компонентов: целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз. При химическом модифицировании происходит взаимодействие, прежде всего ОН-групп, основных компонентов с реагентом. При этом следует выделить: химическое модифицирование поверхности древесных изделий с целью придания им полезных эксплуатационных свойств и глубокое химическое модифицирование с компонентами клеточной стенки, приводящее к получению полимерных композиций, обладающих совершенно новыми свойствами [5].

Карбоксиметилирование как метод химического модифицировании может быть с успехом применен к древесной массе в целом, без ее предвари тельного разделения на отдельные компоненты [6, 7]. По аналогии с карбоксиметилированием целлюлозы, для древесины (и другого растительного сырья) могут быть использованы традиционные суспензионный и твердофазный способы проведения реакции.

Карбоксиметилирование древесины суспензионным способом предполагает проведение реакции в среде различных растворителей, как правило, в две стадии: активация щелочью и карбоксиметилирование. Стадия обработки щелочью носит двоякий характер: NaOH способствует, с одной строны, образованию алкоксидных ионов, а с другой – разрушению надмолекулярной структуры и водородных связей, гидролизу некоторых лигноуглеводных связей. Поэтому стадию обработки щелочью можно рассматривать как самостоятельную необходимую стадию подготовки исходного сырья для проведения химической реакции [5].

При обработке  щелочью, в древесине наблюдаются  значительные структурные и химические изменения, особенно интенсивно они протекают при более высоких температурах предобработки. Предварительная обработка древесины раствором щелочи способствует изменению объема и структуры субмикроскопических капилляров, увеличению внутренней поверхности, набуханию клеточных стенок, расщеплению сложноэфирных и иных поперечных связей в клеточных стенках древесины, расщеплению микрофибрилл на элементарные фибриллы, повышению гидрофильности образованию алкалисоединений отдельных компонентов, тем самым создавая предпосылки к увеличению ее реакционной способности при химической переработке.

При карбоксиметилировании  растительного сырья в среде  органических растворителей содержание карбоксиметилированной гемоцеллюлозы (КМГ) и растворимость в воде продуктов увеличивается в апротонных и уменьшается протонных растворителях с увеличением их полярности. При этом в каждом отдельном случае можно изменять условия реакции: время, температура, соотношение реагентов и др. [5]

Рассмотрим  методику лабораторного получения  карбоксиметилированной древесины  суспензионнзионным способом [4].

1.1.1 Карбоксиметилирование растительного сырья (древесины) суспензионным способом (Способ I)

1.1.2 Карбоксиметилирование  растительного сырья (древесины)  суспензионным способом (Способ  II)

Навеску 10 г опилок древесины (фракция 0,4-0,75 мм) помещают в фарфоровую ступку, к  опилкам прибовляют 5,83 г предварительно измельченного NaOH, и энергитично растирают в ступке пестиком. Затем добавляют необходимое количество органического растворителя (10-70 мл), еще раз хорошо растирают и помещают в реакционную колбу, которая термостатированна при заданной температуре (25-100°С) определенное время (0,5-4 ч).

После этого  смесь из реакционной колбы переносят  в  фарфоровую ступку, добавляют  требуемое количество ClCH₂COONa, тщательно растирают пестиком, до получения однородной массы. Затем смесь переносят в реакционную колбу и термостатируют при 40°С в течении одного часа.

Продукт отмывают 96%-ным этиловым спиртом, добавляя для нейтрализации 90%-ную уксусную кислоту, до отрицательной реакции на щелочь по фенолфталеину и на хлорид ионы с раствором нитрата серебра. Продукт высушивают до постоянной массы [4].

1.1.3 Карбоксиметилирование  растительного сырья (древесины)  суспензионным способом (Способ  III)

Навеску 2 г воздушно-сухого сырья помещают в гомогенизатор с электрическим  обогревом. К опилкам прибавляют, энергично перемешивая, 0,66 г NaOH и 20 мл воды. Устанавливают нужную температуру до начала реакции и реакционную смесь подвергают интенсивной механической обработке в течении 1 мин. По мере протекания процесса щелочной обработки через каждые 15 мин смесь подвергается интенсивному механическому воздействию в течении 1 мин.

После окончания  предварительной щелочной обработки  в смесь добавляли 0,39 г CLCH₂COOH. Смесь вновь подвергают интенсивной механической обработке. Во время карбоксиметилирования смесь также подвергается через каждые 15 мин интенсивному размолу в течении 1 мин. Полученный продукт отмывают 96% этиловым спиртом, подкисленным 90% уксусной кислотой до pH=5, до отрицательной реакции на щелочь по фенолфталеину и на хлорид-ионы с раствором нитрата серебра. Продукт высушивают до постоянной массы [4].

1.2 Достоинства и недостатки  метода карбоксиметилирования растительного сырья (древесины) суспензионным способом

При анализе  химического  метода карбоксиметилирования растительного сырья, в частности древесины, были выявлены характеризующие параметры этого метода, как положительные, так и отрицательные. Анализ произведен с химической, биологической и экономической точек зрения.

Достоинства метода:

• Способствует утилизации отходов лесоперерабатывающих предприятий, уменьшает экологическую нагрузку;
• Способствует появлению новых веществ в строительной и химической промышленности, замене исчерпаемых природных ресурсов;
• Экономическая выгода от переработки отходов;
• Использование суспензионного способа карбоксиметилирования растительного сырья (КМД) дает однородный продукт, по сравнению с твердофазным способом КМД;
• При использование суспензионного способа КМД есть возможность варьировать и контролировать реакционный процесс, химические и физические параметры;

Недостатки метода:

• Использование растворителей, в частности воды;
• Использование дорогостоящих химических веществ;
• Возможность жидких отходов при использовании метода;

Еще один фактор, который можно рассматривать  как достоинство, так и недостаток этого метода. Это выделение тепла в окружающую среду во второй стадии метода, когда в раствор добавляют монохлорацетат натрия (экзотермическая реакция) [8].

1.3 Возможные сферы применения  продуктов карбоксиметилирования  древесины

1.3.1 Карбоксиметилированное растительное  сырье как ркеагент для приготовления  промывочных жидкостей

Продукты карбоксиметилирования на основе древесины содержат в своем составе карбоксиметилированные целлюлозу, гемицеллюлозы лигнин и могут быть использованы в качестве химического реагента для приготовления буровых растворов, наряду с карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ) [5]

На долю КМЦ, добавляемой  в буровые растворы, приходится примерно 25% от общего объема производимой КМЦ. При этом доля КМЦ, производимой в России, в последние годы неуклонно сокращается и составляет ориентировочно на 2002 г. около 20 000 т. Основные потребности в КМЦ отечественная нефтегазовая отрасль удовлетворяет за счет импортных реагентов.

Ранее предложено использовать продукт  карбоксиметилирования растительного  сырья без предварительного разделения на отдельные компоненты [8 – 10], в качестве реагента для промывочных жидкостей при бурении нефтяных и газовых скважин [11]. Было установлено, что карбоксиметилированные продукты, полученные из древесины осины, обеспечивая одновременное снижение показателя фильтрации, статического и динамического напряжения сдвига промывочных жидкостей, практически не оказывают влияния на их основные реологические свойства: пластическую и условную вязкости.

Буровые растворы используются для  бурения и обеспечения стабильной добычи в условиях высокого давления. При циркуляции в скважине буровой раствор:

• создает противодавление поровому давлению;
• очищает забой от выбуренной породы;
• формирует фильтрационную корку на стенках скважины, укрепляя таким образом неустойчивые отложения. Уменьшает воздействие фильтрата бурового раствора на породы разобщением разбуриваемых пластов и открытого ствола;
• транспортирует выбуренную породу из скважины и удерживает ее во взвешенном состоянии после прекращения циркуляции;
• передает гидравлическую энергию на забойный двигатель и долото;
• предупреждает осыпи, обвалы;
• обеспечивает качественное вскрытие продуктивных пластов;
• обеспечивает смазывающее и антикоррозионное действие на буровой инструмент;
• охлаждает и смазывает долото[12].

Использование КМД в качестве химического реагента для приготовления буровых растворов требует дальнейших исследований, но уже можно констатировать, что метод имеет перспективы в этой области.

Карбоксиметилированные продукты на основе растительного сырья являются перспективными реагентами для приготовления буровых растворов, обладающих комплексом полезных свойств, сравнимых с КМЦ, но являющихся экономически более выгодными. Технология их производства позволит снизить экологическую напряженность при переработке растительного сырья за счет значительного сокращения отходов [5].

1.3.2 Сорбционная емкость модифицированных  продуктов древесины по отношению к нефти

Загрязнение водоемов нефтепродуктами  является проблемой глобального  масштаба. Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды при перевозке нефти водным путем, со сточными водами предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности, с хозяйственно-бытовыми водами. В водных объектах .Алтайского края на 2006 г. было зарегистрировано 20 тонн нефтепродуктов.

Исследована способность  модифицированных продуктов древесины  сосны сорбировать нефть с  поверхности воды. В качестве сорбента были использованы: опилки древесины  сосны; КМД, продукт карбоксиметилирования  из древесины сосны, предварительно обработанной формальдегидом. Карбоксиметилдревесина (КМД) не тонет и практически полностью сорбирует нефть с поверхности воды.

Сорбционная емкость полученных продуктов оценивалась как отношение  массы поглощенной нефти к  массе сорбента, которые определялись по результатам взвешивания чашки  с водой, нефтью и чашки с водой, нефтью и адсорбентом, который целиком  поглощает всю разлитую по поверхности  нефть [13].

Как показано проведенными исследованиями, различные химические обработки по отношению к древесине  повышают ее сорбционную емкость  по отношению к нефти. Сорбционная  емкость исходной древесины (1,7 г/г) и КМД (3,5 г/г) сравнима с образцом из древесины сосны, обработанной формальдегидом (3,4 г/г) и подвергнутой нагреванию при 105°С (3,2 г/г) [14]. Сорбционная емкость на основе растительного сырья промышленных образцов Sokerol (Австралия) -2 г/г [15]; карбонизированные сорбенты на основе шелухи риса - 6 г/г [16], льняная пакля и костра льна - 5,7-14,7 г/г [13]. При этом следует отметить, что введение ионогенных групп (СООН) в древесину не приводит к значительному увеличению сорбционной емкости по отношению к нефти. Очевидно, определяющим фактором в данном случае является формирование трехмерной сетчатой структуры, что характерно для образца древесины, обработанной формальдегидом.[5]