Химия древесины и целлюлозы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

О.А. Носкова, К.А. Синяев

ХИМИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2016

1

УДК 634.0.813 Н 84

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ф.Х. Хакимова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет),

канд. техн. наук, доц. Д.Р. Нагимов (ЗАО «Карбокам Пермь»)

Носкова, О.А.

Н 84 Химия древесины и целлюлозы: учеб.-метод. пособие / О.А. Носкова, К.А. Синяев. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. – 45 с.

ISBN 978-5-398-01578-2

Изложены краткие сведения о химическом составе древесины, строении и свойствах ее основных компонентов. Приведены методы определения содержания основных компонентов в древесине, а также описаны методики химического и физико-химического анализа целлюлозы.

Предназначено для студентов направления 240100.62 «Химическая технология» по профилю «Химическая технология переработки древесины» очного и заочного обучения.

УДК 634.0.813

2

1. ЦЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДРЕВЕСИНЫ И ДРУГОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

Химия древесины – это раздел технической химии, изучающий химический состав древесины; химизм образования, строения и химические свойства веществ, составляющих мертвую древесную ткань; методы выделения и анализа этих веществ, а также химическую сущность природных и технологических процессов переработки древесины и ее отдельных компонентов.

Химия древесины и целлюлозы является теоретической базой технологии химической переработки древесины и целлюлознобумажного производства.

Химический анализ древесины и другого растительного сырья имеет важное значение дли оценки его пригодности в производстве целлюлозы, гидролизных и лесохимических производствах. Основным сырьем в целлюлозно-бумажном производстве в разных странах мира служит древесина различных пород – хвойных и лиственных. В России главным образом используют древесину хвойных пород – сосны, ели, пихты и лиственницы. В связи с постепенным истощением ресурсов древесины хвойных пород и более низкими ценами на древесину лиственных пород доля последней в сырьевом балансе цел- люлозно-бумажной промышленности все возрастает. Во многих развивающихся странах тропической и субтропической климатических зон для целлюлозного, а также гидролизного производств все большее значение приобретает недревесное «однолетнее» сырье, такое как солома культурных злаков, бамбук, багасса сахарного тростника, дикорастущиетравянистыерастения, тростникразличных видов идр.

Разные отрасли производства предъявляют к сырью свои специфические требования. Так, при оценке сырья для производства технической целлюлозы и бумаги важно знать содержание целлюлозы, позволяющее предсказать возможный выход продукции, а также определить режим делигнификации (содержание лигнина). Определение выхода редуцирующих сахаров позволяет оценить древесину как сырье для гидролизных производств. При этом определение содержания пентозанов и гексозанов укажет на соотно-

4

шение сбраживаемых и несбраживаемых сахаров, а также на возможный выход фурфурола. Установление содержания отдельных групп экстрактивных веществ (таннинов, смол, летучих эфирных масел и др.) имеет важное значение для оценки сырья в канифоль- но-экстракционном производстве.

2. КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ ДРЕВЕСИНЫ

Схема компонентного (химического) состава древесины приведена на рис. 1. Абсолютно сухая древесина примерно на 99 % состоит из органических соединений (низко- и высокомолекулярных) и около 1 % минеральных.

Рис. 1. Химический состав древесины

Минеральные вещества при сжигании древесины и прокаливании остатка от сжигания в муфельной печи образуют золу.

К органическим веществам древесины относят углеводную, ароматическую части древесины и экстрактивные вещества.

Углеводная часть древесины представляет собой комплекс

полисахаридов, называемый холоцеллюлозой. Полисахариды, вхо-

дящие в холоцеллюлозу, – это высокомолекулярные соединения

5

(ВМС). Массовая доля холоцеллюлозы обычно 70–80 %, причем

вдревесине лиственных пород она выше, чем в древесине хвойных. В состав холоцеллюлозы входят целлюлоза и нецеллюлозные поли-

сахариды – гемицеллюлозы.

Целлюлоза – основной компонент древесины, составляющий 40–50 %. Это линейный полисахарид, макромолекулы которого построены из звеньев D-глюкозы, соединенных между собой гликозидной связью.

Целлюлоза нерастворима в органических растворителях, в воде и в растворах щелочей (гидроксидов натрия, калия и др.).

Гемицеллюлозы – это нецеллюлозные полисахариды, которые

вотличие от целлюлозы растворимы в щелочах, но нерастворимы ни в органических растворителях, ни в воде. Степень полимеризации (СП) гемицеллюлоз значительно меньше (100–200), чем у природной древесной целлюлозы (5000–10 000).

Гемицеллюлозы и другие нецеллюлозные полисахариды – это в основном смешанные полисахариды (гетерополисахариды), которые

ванализе древесины условно подразделяют на пентозаны и гексозаны. Пентозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят

в основном из звеньев пентоз, содержащих 5 атомов углерода. К пентозанам относятся ксиланы и арабинаны. Гексозаны – полисахариды, макромолекулы которых состоят в основном из звеньев гексоз, содержащих 6 атомов углерода. К гексозанам относятся различные маннаны, галактаны (галактан, арабиногалактан) и крахмал.

Древесина хвойных пород содержит меньше гемицеллюлоз, чем древесина лиственных пород умеренной климатической зоны. В древесине хвойных пород содержание пентозанов и гексозанов примерно одинаково, тогда как древесина лиственных пород содержит главным образом пентозаны и сравнительно мало гексозанов.

Кроме гемицеллюлоз, в древесине содержатся также некоторые водорастворимые нецеллюлозные полисахариды (крахмал, арабиногалактан), пектиновые вещества (комплекс трех компонентов – пектиновой кислоты, арабинана и галактана). Их рассматривают как водорастворимые экстрактивные вещества.

6

Ароматическая часть древесины, или лигнин, представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения. Доля лигнина в древесине обычно равна 20–30 %. При этом больше лигнина содержит древесинахвойныхпород именьше– лиственных.

Экстрактивные вещества древесины не входят в состав клеточных стенок (но могут иногда пропитывать их). Они находятся

вполостях клеток или в межклеточных каналах (в смоляных ходах

вдревесине хвойных пород) Эти вещества могут экстрагироваться из древесины нейтральными растворителями (водой или органиче-

3.ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ

3.1.Определение влажности древесины

Методы определения влажности древесины, целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов являются общими. В основе методики определения влажности лежит уменьшение массы растительного сырья при высушивании до постоянной массы.

7

Анализ обычно проводят высушиванием навески древесины (около 1 г или более) в бюксе (стеклянном или алюминиевом) до постоянной массы при температуре (103±2) °С. При температуре ниже 100 °С удаление воды может быть неполным, а при температуре выше 105 °С может наблюдаться деградация компонентов древесины, приводящая к потере массы.

Термин влажность означает отношение массы влаги в древесине (целлюлозе или в других волокнистых полуфабрикатах) к массе влажной древесины (целлюлозы).

Влагосодержание − отношение массы влаги к массе абсолютно сухой древесины.

Коэффициент сухости воздушно-сухого сырья − это содер-

жание абсолютно сухого вещества в 1 грамме воздушно-сухого растительного сырья.

Абсолютно сухая древесина – это древесина, высушенная в сушильномшкафу притемпературе(103±2)°С до постоянноймассы.

Постоянной массой древесины считают такое значение массы, которое отличается от предыдущего не более чем на 0,0002 г.

Методика определения

Чистый пустой бюкс (вместе с крышкой в открытом виде) высушивают в сушильном шкафу при (103±2) °С до постоянной массы. В бюкс помещают навеску воздушно-сухих опилок массой около 1 г древесины. Бюкс с опилками (навеской) взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. Сушат бюкс с навеской в сушильном шкафу при температуре (103±2) °С в течение 3–4 ч. Перед извлечением из сушильного шкафа бюкс закрывают крышкой, а затем помещают в эксикатор и охлаждают в эксикаторе 20 мин. Время охлаждения должно быть строго постоянным. Перед взвешиванием крышку бюкса на короткое время приоткрывают, чтобы уравнять давление воздуха. Высушивание бюкса повторяют по 1 ч (с последующим охлаждением и взвешиванием) до тех пор, пока масса не станет постоянной. После достижения постоянной массы бюкса с навеской необходимо взвесить пустой бюкс без навески.

8

Относительную влажность древесины вычисляют по формуле

W g g1 100 %, g

где g – масса навески воздушно-сухой древесины (до высушивания), г; g1 – масса навески абсолютно-сухой древесины (после высушивания), г.

Влагосодержание древесины Х вычисляют по формуле

X g g1 100 %. g1

Коэффициент сухости Kсух определяют по формуле

Kсух 100 W g1 .

100 g

Пример записи результатов взвешиваний и расчета коэффициента сухости

Результаты взвешивания:

1-е взвешивание…………. 32,4515 г

2-е взвешивание…………. 32,4420 г

3-е взвешивание…………. 32,4324 г

4-е взвешивание…………. 32,4327 г

После высушивания:

масса бюкса с навеской…... 32,4327 г масса пустого бюкса…….... 31,5026 г масса сухой навески…….... 0,9301 г

9

Коэффициент сухости Kсух 0,99740,9301 0,9325.

Во всех последующих химических анализах для расчета абсолютно сухой навески древесины значение взятой воздуш- но-сухой навески умножают на Ксух.

Контрольные вопросы

1.На чем основана методика определения влажности древе-

сины?

2.Что означает понятие «постоянная масса»?

3.Что такое влажность, влагосодержание, коэффициент сухости древесины?

4.Как, зная влажность древесины, рассчитать массу абсолютно сухой навески древесины (или воздушно-сухой навески)?

3.2.Определение зольности древесины

Всостав древесины наряду с органическими веществами входит также некоторое количество минеральных веществ. Состав минеральных веществ технических целлюлоз (или других волокнистых полуфабрикатов) может сильно отличаться от состава минеральной части древесины и зависит от условий получения полуфабрикатов.

Минеральные вещества при сжигании древесных материалов образуют золу. Содержание золы в древесине колеблется обычно от 0,25 до 1,0 %. Содержание золы в технических целлюлозах колеблется в очень широких пределах (от 0,02 до 1,0 %)

изависит от назначения технической целлюлозы.

Методы определения содержания золы основаны на сжигании навески древесного материала (целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов) в фарфоровом тигле с последующим прокаливанием остатка в муфельной печи при температурах от

550 до 600 °С.

10