Проблемы утилизации лигнина и отходов целлюлозно-бумажного производства
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное
государственное бюджетное
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический
университет им. И.И. Ползунова»
Факультет пищевых
и химических производств
Кафедра технологии переработки пластических
масс и эластомеров
Реферат
На тему:
« Проблемы утилизации лигнина и отходов
целлюлозно-бумажного
производства»
Р 240502 10 000
Студента группы ТППиЭ - 91 Крих Юлия Игоревна
Руководитель к.х.н., доцент Коньшин Вадим Владимирович
Барнаул 2012
Содержание с.
- Введение ………………………………………………………………………..3
- Происхождение и получение лигнина …………………………………………………4
- Формула и химические свойства лигнина ……………………………………………...5
- Утилизация лигнина в природе …………………………………………….…........6
- Очистка выбросов в атмосферу на ЦБК ……………………………………….………..7
- Особенности очистки воздуха на ЦБК ………………………………….……….……...8
- Очистка сбросов в гидросферу с ЦБК…………………………………………………..10
- Метод очистки сточных вод предприятия с помощью ультрафиолетового облучения ....11
- Проблема утилизации отходов целлюлозно-бумажной промышленности ………..….....12
- Проблемы переработки макулатуры на целлюлозно-бумажных комбинатах ... …..…...14
- Заключение ……………………………………………………………………...…
.….15 - Список использованной литературы .…………………………………….……..…16
Введение
Целлюлозно-бумажная промышленность является одним из главных потребителей чистой воды. Например, расход воды на выработку одной тонны бумаги составляет 100000 литров. Следует отметить, что при производстве целлюлозы и бумаги в сточные воды попадает большое количество минеральных и органических веществ. Например, только в процессе получения волокнистого сырья в раствор переходит 37 - 1708 кг органических веществ на 1 т волокна, которые при отсутствии системы очистки сточных вод попадают в водоемы. Сточные воды целлюлозных заводов содержат также взвешенное волокно за счет промоев при промыве, сортировании целлюлозы и многократных процессов разбавления и сгущения.
В связи с ежегодным увеличением отходов технических лигнинов загрязнение ими окружающей среды постоянно возрастает. Практическая реализация проблемы утилизации отходов, химической обработки древесины зависит от квалифицированного решения ряда экономических вопросов. Так, необходимо не только знать, где можно использовать лигнин, но и четко представлять, где его переработка наиболее выгодна, какую продукцию из него можно получать.
Переработка лигнина — это сложная
проблема, в которой можно выделить
научно-технический и
Экономический аспект должен содержать решения наиболее рационального пути использования лигниновых отходов[1].
Происхождение и получение лигнина
Лигнин от лат. lignum - дерево, - сложный (сетчатый) ароматический природный полимер входящий в состав наземных растений, продукт биосинтеза. После целлюлозы, - лигнин самый распространенный полимер на земле, играющий важную роль в природном круговороте углерода. Возникновение лигнина произошло в ходе эволюции при переходе растений от водного к наземному образу жизни для обеспечения жесткости и устойчивости стеблей и стволов (подобно хитину у членистоногих).
На английском и немецком языках лигнин - lignin, реже lignen или lignine.
Как известно, растительная ткань состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. В древесине хвойных пород содержится 23-38 % лигнина, в лиственных породах - 14-25%, в соломе злаков 12 - 20 % от массы. Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна.
Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнин обеспечивает герметичность клеточных стенок (для воды и питательных веществ) и благодаря содержащимся в нем красителям определяет цвет одревесневавшей ткани. Лигнин прочно физически и химически инкорпорирован в структуре растительной ткани и эффективное выделение его оттуда промышленными методами представляет весьма сложную инженерную задачу. Принято различать протолигнин, - лигнин содержащийся внутри растения в его естественной форме, и технические его формы, полученные извлечением из растительной ткани при помощи различнных физикохимических методов. Лигнин не изготавливают специально; он и его химически модифицированные формы являются отходами биохимического производства. В ходе физико-химической переработки растительной ткани молекулярная масса лигнина уменьшается в несколько раз, а его химическая активность возрастает.
В гидролизной промышленности получают
порошковый т.н. гидролизный лигнин.
В целлюлозном производстве образуются
водорастворимые формы лигнина. Существуют
две основные технологии варки целлюлозы,
более распространенная сульфатная варка
(щелочная) и менее употребляемая сульфитная
(кислотная) варка.
Лигнин получаемый в сульфатном производстве,
т.н. сульфатный лигнин в большой степени
утилизируется в энергетических установках
целлюлозных заводов.
В сульфитном производстве образуются
растворы сульфитных лигнинов ( лигносульфонатов),
часть которых накапливается в лигнохранилищах,
а часть уходит со сточными водами предприятия
в реки и озера.
В английской литературе выделяют также: бессернистый лигнин - sulfur-free lignin (гидролизный лигнин); сернистый лигнины - sulfur lignin ( т.е. лигнин с целлюлозных производств). В той или иной степени утилизацией лигнина занимаются сами производящие его предприятия, но гидролизный лигнин, сульфатный лигнин и лигносульфонаты присутствуют на рынке и как товарные продукты. Международных или российских стандартов на технические лигнины не существует, и они поставляются по различным заводским техническим условиям[2].
Формула и химические свойства лигнина
В химическом смысле лигнин - понятие
условное и обобщающее. Как нет
двух одинаковых людей, так и нет
двух одинаковых лигнинов.
Принято считать, что молекула лигнина
состоит из атомов углерода, кислорода
и водорода.
В литературе встречается несколько вариантов
формулы лигнина.
На рисунке приведено представление химической структуры лигнина рекомендуемое Международным институтом лигнина (ILI - International Lgnin Institute ). Лигнины получаемые из разных растений значительно отличаются друг от друга по химическому составу. Молекула лигнина неопределенно велика и имеет много разнообразных функциональных групп.
Общей структурной единицей всех видов лигнина является фенилпропан (C9H10), а различия связаны с разным содержанием функциональных групп.
В соотвествие с современными познаниями
лигнин - сложный трехмерный сетчатый
полимер, имеющий ароматическую природу,
получающийся в результате поликонденсации
нескольких монолигнолов - коричных спиртов
(паракумарового, конеферилового, синапового),
см. формулы ниже
При нормальных условиях лигнин плохо растворяется в воде и органических растворителях. В химических технологиях и в окружающей среде лигнин может участвовать в самых разнообразных химических рекациях и превращениях. Обладает биологической активностью.
Лигнин проявляет пластические свойства при повышенном давлении и температуре, особенно во влажном состоянии[3].
Утилизация лигнина в природе
Лигнин практически не усваивается при пищеварении у высших животных; в природе его переработкой заняты различные грибы, насекомые, земляные черви и бактерии. Главную роль в этом процессе играют грибы-базидиомицеты. К ним относятся многие грибы, живущие как на живых, так и на мёртвых деревьях, а так же грибы, разлагающие листовой опад. Среди лигнинолитических грибов есть съедобные ( опенок, вешенка, шампиньон).
Деградация полимерного
Основным продуктом разложения лигнина в природе является гумус. Декомпозиция лигнина в естественных условиях происходит в присутствии других элементов растительной ткани - целлюлозы и гемицеллюлозы[4].
Очистка выбросов в атмосферу на ЦБК
Очистка газов от паров летучих органических соединений (ЛОС). Общая методология.
Адсорбционные методы: это, прежде всего классические рекуперационные методы очистки, основанные на улавливании паров ЛОС активным углем, с последующей десорбцией уловленных веществ водяным паром при повышенных температурах (105 – 120 0С). После совместной конденсации паров воды и десорбированных ЛОС, полученный конденсат органических соединений отделяют в сепараторе от водной фазы. Если десорбируемые органические соединения растворимы в воде, то для выделения органических соединений конденсат подвергают дистилляции.
Если в очищаемом газе концентрация ЛОС мала (<1 г/м3), то нецелесообразно проводить регенерацию адсорбента водяным паром, а необходимо провести десорбцию горячим (200 – 250 0С) инертным газом (обычно дымовыми газами).
Десорбированные пары ЛОС не утилизируют, а сжигают каталитическим либо термическим методом.
Адсорбционной разновидностью очистки газов является адсорбционно-каталитический процесс. В этом случае в качестве адсорбента используются оксидные катализаторы, которые в процессе очистки накапливают пары ЛОС, а при регенерации, за счёт нагрева катализатора, происходит каталитическое окисление уловленных ЛОС, на этом же бифункциональном адсорбенте-катализаторе.
- Окислительные методы: эта группа методов основана на полной окислительной деструкции молекул ЛОС до СО2 и Н2О.
- Термические методы – методы сжигания органических загрязнителей воздуха. Обычно используется, когда источник выделения загрязнённого воздуха располагается вблизи какого-либо топочного устройства. В этом случае загрязнённый воздух используется как дутьевой.
- Каталитические методы –
методы дожигания конкретных
органических соединений на
- Гомогенные низкотемпературные окислительные процессы.
Введение озона в очищаемый газ. При концентрации озона 10 –20 мг/м3 очищаемого газа, эффективность очистки 90 –95 % по фенолу и формальдегидам.
Очистка с помощью высокочастотного стримерного разряда. В зоне действия разрядов происходит эффективная очистка от паров органических соединений, таких как бензол, толуол, фенол, стирол. При этом фенол конвертируется в аэрозоль гидрохинона, а стирол в аэрозоль полистирола. Диоксины и фураны переходят в конденсированные соединения.
- Жидкофазное окисление.
Процессы, основанные на абсорбции и последующем окислении паров ЛОС, обычно используют для очистки отходящих газов с малой концентрацией веществ с резким неприятным запахом. Очистка водным раствором гипохлорита натрия. Так сернистые соединения улавливаются на 99 %, карболовые кислоты на 98 %, альдегиды и кетоны на 90%, а фенолы и спирты на 85 %.
- Биохимические методы – методы, основанные на способности некоторых организмов поглощать и окислять ЛОС[5].
Особенности очистки воздуха на ЦБК
Из приведённого ранее, очевидна необходимость разработки несложного, доступного и эффективного способа и аппарата для очистки выбросов в атмосферу от пыли и серосодержащих соединений, ликвидации избыточной влаги парогазового потока и теплового загрязнения. Отличительными особенностями выбросов сульфатно-целлюлозного производства являются многочисленность источников и многокомпонентность выбрасываемых газовых смесей. Кроме того, выбросы от различных источников отличаются по объёму, качественному составу и концентрациям вредных веществ. Подход к очистке выбросов в атмосферу различен в зависимости от качественных характеристик выбросов, подразделяемых на две группы, парогазовые и газопылевые. Такое разделение основывается на различных методах подхода к обезвреживанию выбросов данных групп. Парогазовым выбросам присуще наличие значительных количеств водяного пара, а для ряда выбросов характерно состояние насыщения водяным паром. Большинство вредных веществ в выбросах представляет собой серосодержащие соединения, которые являются токсичными веществами, неблагоприятно влияющими на жизнедеятельность растительного и животного мира.
В настоящее время к вопросу очистки дурнопахнущих парогазовых выбросов сульфат-целлюлозного производства существует двоякий подход: первое – обезвреживание с получением какого-либо ценного побочного продукта; второе – доведение выбросов вредного вещества до санитарных норм, в лучшем случае с рекуперацией уловленного компонента в производство.
Очистка газопылевых выбросов предусматривает несколько иной подход.
Используют пылеулавливающие
установки. Современные установки
для улавливания серосодержащих
газообразных компонентов, присутствующих
в дымовых газах СРК, основаны
на абсорбционном методе очистки.
Различаются эти установки
Однако возникает ряд трудностей, сопряжённых с традиционным подходом к проблеме очистки: образование труднообрабатываемых стоков и шламов при абсорбционном методе очистки, необходимость регенерации адсорбента, влияния высокого содержания водяных паров на эффективность пылеулавливания, отсутствие утилизации тепла парогазовых выбросов и, как следствие, тепловое загрязнение атмосферы.
В настоящее время в ЦБП для очистки выбросов из РП СРК применяются:
- Одноступенчатые схемы в целях утилизации тепла и очистки от пылевых частиц плава и серосодержащих газов;
- Двухступенчатые схемы, где первая ступень (секционный кожухотрубный теплообменник) служит для утилизации тепла, а вторая – для очистки от загрязняющих веществ. Двухступенчатые схемы обычно состоят из теплообменных устройств в качестве первой ступени и скруббера или струйного газопромывателя – в качестве второй, например, принципиальная двухступенчатая схема: трёхходовой по ходу газов теплообменник является первой ступенью, струйный газопромыватель–второй. Анализ работы установок на Братском ЛПК и Байкальском ЦБК показывает, что эффективность улавливания пылевых частиц составляет 70…80%, а абсорбция сероводорода 92…95%. Реализация двухступенчатой схемы очистки выбросов из РП СРК связана со значительными капиталовложениями, так как кроме теплообменника и струйного газопромывателя он включает в себя каплеуловитель, промежуточные ёмкости, насосы, разветвлённую систему трубопроводов. Установка энергоёмка и металлоёмка, требует значительного количества свежей воды для теплообменника и орошающих растворов.
Необходимость применения тягодутьевых устройств в данной схеме приводит к большому выносу щёлочной капельной влаги в атмосферу, что снижает надёжность работы тягодутьевых устройств, увеличивает потери химикатов, разрушает кровлю цеха и загрязняет атмосферу[6].
Очистка сбросов в гидросферу с ЦБК
Наиболее эффективным следует считать включение в технологический процесс замкнутой системы водоснабжения ЦБК, где вода многократно проходит технологический цикл. После каждого цикла производится её очистка и отстаивание. Воду необходимо очищать от волокон, наполнителей, клейких веществ, загрязнений различными примесями и остаточными химикатами.
Обработка воды осуществляется в несколько операций: сортирование, очистка, флотация, промывка. Одним из действенных методов очистки воды является её фильтрация через фильтр, но метод ограничен величиной дисперсности фильтра и наличием загрязнителей, диаметр молекул которых, меньше диаметра молекул воды. Другой метод – отстаивание воды позволяет только удалить взвешенные частицы. Также часто используются химические методы очистки сточных вод, где в воду добавляют химические вещества, которые вступают в химические реакции с загрязнителями, что приводит к их разложению до безопасных компонентов, нейтрализации либо выпадению в осадок. Существуют также биологические методы очистки, связанные со способностью некоторых организмов (бактерий, водорослей, микроорганизмов и др.) аккумулировать и перерабатывать отдельные химические соединения и элементы[7].
Метод очистки сточных вод предприятия с помощью ультрафиолетового
облучения
Одним из эффективных методов
является облучение воды
бактерицидным
В качестве источника ультрафиолетового излучения используют лампу типа БУВ – 30. В качестве источника дневного света – гелий-неоновая лампа типа ЕВЗ ЛП – 2. Для контроля теплового режима используют встроенный термометр, а тепловой режим обеспечивается теплообменником. Размер фракций кремня 5…35 мм. Данный способ наиболее эффективен для удаления органических веществ (в том числе фенолов и диоксинов), сульфатов и соединений хлора. Его эффективность по этим и многим другим веществам равна 96 – 99 %[8].
Проблема утилизации отходов целлюлозно-бумажной промышленности
Очень остро стоит в настоящее время проблема отходности целлюлозно-бумажных комбинатов. Многотонные отходы этих предприятий складируются, занимая большие площади и отрицательно воздействуя на окружающую среду.
Наиболее остро в настоящее время стоит проблема утилизации лигнина и шламов.
Основными методами борьбы с отходами являются их сжигание либо переработка с целью получения полезных продуктов. Факторами, ограничивающими возможность термической утилизации отходов являются высокая загрязнённость, низкая температура плавления некоторых отходов, наличие крупногабаритных включений и значительных колебаний насыпной плотности сжигаемых отходов. К приемлемым технологиям сжигания относят колосниковое сжигание и сжигание в кипящем слое. Основным достоинством же термических методов является их относительно низкая стоимость. Переработка отходов бумажных фабрик эффективна сточки зрения экологии, но убыточна по экономическим показателям. С другой стороны из отходов отрасли можно получить много ценных и полезных продуктов. Разберём это на примере переработки и использования лигнина
Лигнин присутствует в многотоннажных древесных отходах.
Содержание компонентов в
Общая зола % |
Лигнин % |
Геми-целлюлоза |
Целлюлоза % | |
Мягкая древесина. |
0.4 |
27.8 |
24 |
41 |
Твёрдая древесина. |
0.3 |
19.5 |
35 |
39 |
Солома злаков. |
6.6 |
16.7 |
28.2 |
39.9 |
Физические характеристики лигнина.
- Удельная масса – 0.2 ÷ 0.3 г/см3.
- Влагоёмкость – 300 ÷ 450 %
- Кислотность – 1.9 ÷ 2.2.
Химический состав 100г сухого вещества лигнина.
Вещество. |
Вес, мг |
Нитратный азот |
5.4 |
Подвижный фосфор |
7 |
Калий |
167.5 |
Кальций |
106 |
Магний |
66 |
Цинк |
>4 |
Марганец |
1.8 |
Медь |
0.33 |
железо |
2.5 |
Кроме того, лигнин содержит редуцирующие вещества, полисахариды метоксильных, карбоксильных и фенольных групп, золы и кислоты. Лигнин содержит 78 – 97 % органического сырья.
Лигнин – аморфное, полифункциональное высокомолекулярное ароматическое соединение, состоящее из фенилпропановых структурных единиц, и не является веществом постоянного состава. Лигнин – конечный продукт растительного метаболизма.
В России на 15 заводах выпускающих сульфитную целлюлозу ежегодно получают 2.5 млн. т. органических веществ растворённых в сульфитном щёлоке. А основная часть лигнина в виде лигносульфоновых соединений переходит в сульфитный щёлок. Лигносульфониты образуют комплексы с ионами ряда металлов и, следовательно, их применяют для удаления из почвы элементов, препятствующих нормальному росту растений. Гидролизный лигнин – универсальный сорбент, увеличивающий воздухопроницаемость и пористость, улучшающий структуру и другие физико-химические свойства почв. Лигнин используют при выращивании съедобных грибов, используют в качестве сорбента азот-фиксирующих бактерий, а также используется в качестве компоста в сельском хозяйстве.
В утилизации лигнин используется в составе органо-минеральных удобрений (наличие в шламовых отходах ростовых факторов, а также макро- и микроэлементов позволило рекомендовать их в качестве составных частей органо-минеральных удобрений). Органо-минеральные удобрения способны адсорбировать хлор и сульфат ионов, содержащихся в почве. Повышать накопление почвой азота, фосфора и калия.
Различные виды лигнинов в почве
под воздействием почвенных бактерий
постепенно превращаются в гумусовые
вещества, которые способствуют плодородию
почвы. Применяют также
Проблемы переработки макулатуры на целлюлозно-бумажных комбинатах
Применение ресурсосберегающих технологий, каковыми являются и переработка отходов ЦБК и переработка макулатуры, кроме положительных моментов связанных с уменьшением потребления лесных ресурсов, имеет и свои отрицательные стороны. Прежде всего, это связано с включением новых технологических циклов на предприятии, применением необходимых по технологии вредных химических веществ, а также отходы появляющиеся в процессе переработки макулатуры.
Процесс переработки макулатуры в бумагу включает в себя следующие стадии обработки: роспуск, очистка при высокой концентрации, предварительное сортирование, флотация, очистка от тяжёлых включений, тонкое сортирование с удалением лёгких инородных включений, сгущения на дисковом фильтре и винтовом прессе, диспергирования, окончательной флотации и последующего сгущения товарной массы на двухсеточном прессе, с последующей сушкой массы для внутреннего пользования на винтовом прессе с последующей передачей на хранение. Белизна 60 %, зольность 4%. Из-за присутствия в макулатурной массе смоляных веществ необходимо применять шлицевые сортировки и центриклиперы.
Макулатуру распускают гидроразбавителем высокой концентрации с добавками химикатов Н2О2 - 1%, NaOH - 0.75%, NaSiO3 - 1.25%, ДТПА - 0.25%, жирные кислоты - 0.08%, также присутствуют NH и OH. Причём данные приведены для лучшей на данный момент технологии. При переработке на формовочных тканях и прессовых частях выпадает осадок полимерные компоненты ("клейкие осадки"), но также много химикатов образуется при смывке типографской краски - 30% минеральных веществ (глина, тальк, диоксид титана); 20% канифоли, жирные кислоты и их производные; 20% полимерные материалы; 7% углеводородных масел; остальное - волокна и неидентифицированные материалы. В осадках обнаружено значительное количество мыл. Возникла проблема механических (накипь) и биологических (смолы и слизь) отложений на оборудовании и трубопроводах. В общем, отходы при переработке макулатуры составляют 16% (сухие вещества) из них 50% горючие вещества. Зола и отходы процесса смывки типографской краски содержат тяжёлые металлы. А при сжигании отходов переработки макулатуры выделяются хлорорганические вещества, также оказывающих неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

- Проблемы утилизации отходов в Москве
- Проблемы утилизации отходов ЖКХ
- Проблемы утилизации отходов промышленности
- Проблемы утилизации ТБО
- Проблемы утилизации твердых бытовых отходов
- Проблемы утомления и способы восстановления организма работника
- Проблемы участия Азербайджана в ВТО
- Проблемы устойчивости личности
- Проблемы усыновления в России
- Проблемы усыновления детей в России
- Проблемы «утечки умов»
- Проблемы утилизации бытовых отходов
- Проблемы утилизации бытовых отходов
- Проблемы утилизации и использования сельскохозяйственных отходов в России