Сложный трехмерный сетчатый биополимер , ароматической природы . Не существует общей структурной формулы, равно как и названия для Лигнина Гидролизного.
Химические свойства
Данное вещество представляет собой аморфное порошкообразное соединение. Цвет: различные оттенки коричневого. Соединение обладает специфическим запахом. Молекулярная масса от 5000 до 10000. В Лигнине Гидролизном самого лигнина – порядка 50-80%, все остальное — примеси (трудногидролизуемые полисахариды , смолистые вещества, зольные ферменты ). Средство плохо растворимо в воде и органических растворителях .
В сухом виде вещество хорошо горит, при распылении взрывоопасно. Температура воспламенения 195 градусов Цельсия, тлеть средство начинает при 185 градусах.
Гидролизный Лигнин нашел широкое применение в различных отраслях науки и промышленности.
Его используют:
- для производства топливных брикетов, газа, топлива для котлов;
- в качестве сырья для производства брикетированных восстановителей металла и кремния;
- в производстве нитролигнина , пластмассы, удобрений, кирпича, структурообразователей для почвы;
- в качестве гербицида ;
- в химической промышленности в качестве сырья для производства уксусной кислоты, щавелевой кислоты ;
- для создания и прочих энтеросорбентов ;
- в качестве сорбента в медицине и ветеринарии.
Фармакологическое действие
Сорбирующее, антиоксидантное, антидиарейное, гиполипидемическое .
Фармакодинамика и фармакокинетика
В желудочно-кишечном тракте вещество адсорбирует различные микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, ксенобиотики , радиоактивные изотопы , аллергены, аммиак , тяжелые металлы. Средство оказывает положительное влияние в целом на функционирование ЖКТ , тем самым, компенсируя недостаток пищевых волокон, нормализуя микрофлору.
Данное соединение не метаболизируется, после проникновения в желудочно-кишечный тракт выводится в неизменном виде.
Показания к применению
Лекарственное средство используют:
- при острых отравлениях препаратами, алкалоидами , солями тяжелых металлов , алкоголем;
- для лечения , пищевых интоксикаций, дисбактериоза , сальмонеллеза ;
- при заболеваниях почек и печени;
- лицам, страдающим от нарушений обмена веществ (липидного), ;
- при и на лекарства.
Противопоказания
Препараты на основе Лигнина Гидролизного противопоказаны:
- при аллергии на компоненты лекарства;
- если в ЖКТ имеются кровотечения, язвы или эрозии;
- при антацидном гастрите .
Побочные действия
Обычно вещество хорошо переносится. Редко могут возникнуть: , реакции гиперчувствительности , .
Лигнин Гидролизный, инструкция по применению (Способ и дозировка)
Средство выпускают в виде таблеток, гранул, пасты или порошка. В любом случае показан прием вещества перед едой, несколько раз в день.
Перед употреблением вещество необходимо растворить в 300-400 мл воды, перемешивая 2 минуты.
Дозировка устанавливается врачом в том или ином конкретном случае.
Как правило, взрослым назначают от 5 до 7 грамм в средства в день. Для детей, в зависимости от веса, суточная дозировка вдвое меньше.
Курс лечения определяет врач.
Передозировка
Не отмечено случаев передозировки лекарственным средством.
Взаимодействие
Вследствие способности лигнина абсорбировать лекарственные средства, он может снижать их эффективность, замедлять всасывание в ЖКТ.
По своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, - бетону .
С химической точки зрения лигнин является ароматической частью древесины. Древесина лиственных пород содержит 18-24 % лигнина, хвойных - 27-30 %. В анализе древесины лигнин рассматривают как негидролизуемую часть древесины.
Лигнин в отличие от углеводов не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения. Именно поэтому невозможно написать его структурную формулу. В то же время известно, из каких структурных единиц он состоит и какими типами связей эти единицы объединены в макромолекулу. Мономерные звенья макромолекулы лигнина называют фенилпропановыми единицами (ФПЕ), поскольку эти структурные единицы являются производными фенилпропана. Хвойный лигнин состоит практически целиком из гваяцилпропановых структурных единиц. В состав лиственного лигнина кроме гваяцилпропановых единиц входят в большом количестве сирингилпропановые единицы. В состав некоторых лигнинов, главным образом травянистых растений, входят единицы, не содержащие метоксильных групп - гидроксифенилпропановые единицы.
Лигнин - ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах и в медицине .
Пожароопасные свойства
Пожароопасные свойства: Горючий порошок. Температура самовоспламенения: аэрогеля 300 °C, аэровзвеси 450 °C; нижний концентрационный предел распространения пламени 40 г/м3; максимальное давление взрыва 710 кПа; максимальная скорость нарастания давления 35 МПа/с; минимальная энергия зажигания 20 мДж; минимальное взрывоопасное содержание кислорода 17 % об.
Средства тушения: Распыленная вода, воздушно-механическая пена.
Предпринимались попытки тушения горящего лигнина на полигоне закачиванием глинистого раствора в пробуренные скважины.
Для тушения лигнина шламы (отходы ТЭЦ) распыляются на полигоне с помощью гидропульпы и проникают в поверхностный слой лигнина на глубину до 30 см. Благодаря минеральной составляющей они препятствуют возникновению возгораний. На месте безжизненных много лет дымящих полигонов уже нынешней весной можно высаживать траву.
Применение
Сульфатный лигнин ограниченно применяется в производстве полимерных материалов, фенолформальдегидных смол, и как компонент клеящих композиций в производстве ДСП , картона , фанеры и др. Гидролизный лигнин служит котельным топливом в лесохимических производствах, а также сырьем для получения гранулированного активного угля, пористого кирпича , удобрений, уксусной и щавелевой кислот , наполнителей.
Сравнительно недавно лигнин был успешно использован в производстве полиуретановой пены .
В 1998 году в Германии фирмой «Текнаро» был разработан процесс получения Арбоформа - материала, названного «жидкой древесиной». В 2000 г. под Карлсруэ был открыт завод по производству биопластика, сырьем для которого служит лигнин, волокна льна или конопли и некоторые добавки, также растительного происхождения. По своей внешней форме арбоформ в застывшем состоянии похож на пластик, но имеет свойства полированной древесины. Достоинством «жидкой древесины» является возможность её многократной переработки путём переплавки. Результаты анализа арбоформа после десяти циклов показали, что его параметры и свойства остались прежними.
Активированный путем щелочной обработки с последующей отмывкой и нейтрализацией лигнин используется для сбора разливов нефти и нефтепродуктов с водных и твердых поверхностей.
В медицине гидролизный лигнин зарегистрирован как международное непатентованное название и используется в качестве лекарственного средства(Полифан, Полифепан, Полифепана гранулы, Полифепана паста, БАД Полифепан плюс, Лигносорб, Энтегнин, Фильтрум-СТИ, Лактофильтрум) Энтеросорбент на основе природного полимера растительного происхождения лигнина был разработан в Германии Г. Шоллером, Л. Мейером и Р.Брауном в 1943 году под названием «порлизан». Лигнин успешно применялся как против диарей различного происхождения, а детям раннего возраста вводился клизмой. В 1971 году в Ленинграде создали «медицинский лигнин», который позднее был переименован в Полифепан. . Испытания, проводившиеся на лягушках и кроликах не выявили никаких признаков токсического действия препарата. П. И. Кашкин и О. Д. Васильев в том же году исследовали адсорбирующую способность лигнина и показали, что 1 г препарата поглощает и удерживает в своей структуре 7 300 000 бактерий. Очень высоким оказалось также и поглощение лигнином сальмонелл, холероподобного вибриона, жёлтого стафилококка и некоторых грибов.
Гидролизный лигнин также используется в ветеринарии для тех же целей, что и у человека.
Энтеросорбенты на основе лигнина оказывают энтеросорбирующее, дезинтоксикационное, противодиарейное, антиоксидантное, гиполипидемическое и комплексообразующее действие. Связывает различные микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности, токсины экзогенной и эндогенной природы, аллергены, ксенобиотики, тяжелые металлы, радиоактивные изотопы, аммиак, двухвалентные катионы и способствует их выведению через ЖКТ.
Применение энтерособрентов на основе гидролизного лигнина
Гастроэнтерология:
|
Лечение инфекционных заболеваний:
|
Лигнин - один из основных компонентов отвечающих за ванильный аромат старых книг. Лигнин как и древесная целлюлоза, разлагается со временем, под действием окислительных процессов, и источает приятный запах.
Примечания
- Maderas. Ciencia y tecnología - MECHANICALLY-INDUCED WOOD WELDING
- ScienceDirect - Current Biology: Discovery of Lignin in Seaweed Reveals Convergent Evolution of Cell-Wall Architecture
- «Лигнин», БСЭ
- Лигнин гидролизный; Полифан; Полифепан; Полифепана гранулы; Фильтрум-СТИ; Энтегнин; Энтегнин-Н. (рус.) . АМТ - справочник медикаментов. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011. Проверено 1 февраля 2010.
- А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - М.: Асе. «Пожнаука», 2004. Ч. 2. с.28
- Для тушения лигнина в Иркутской области будет применяться новая технология| ликвидация техногенных катастроф| ПЕРЕРАБОТКА МУСОРА
- Иркутскэнерго
- Вестник Иркутского научного центра СО РАН. Выпуск 31
- Лигнин - Химическая Энциклопедия
- Green plastic produced from biojoule material BioJoule Technologies Press Release, 12 July 2007.
- TECNARO GmbH - официальный сайт
- Арбоформ - жидкая древесина
- Жидкая древесина вместо пластика
- http://www.regmed.ru/SearchResults.asp
- Полифепан
- Фитос - Публикации. Проект Фитос Вып.1
- Статьи врачам о «Полифепан»
- Полифепан - самое эффективное средство от диареи(поноса), применяется при лечении поноса у беременных, взрослых людей
- Компания Сайнтек - производитель энтеросорбента Полифепан. Эффективного средства от диареи(поноса), гуминовых удобрений
- Поиск по базе данных ЛС, опции поиска: МНН - Лигнин гидролизный , флаги - «Искать ТКФС» . Обращение лекарственных средств . ФГУ «Научный центр экспертизы средств медицинского применения» Росздравнадзора РФ (26.11.2009). - Типовая клинико-фармакологическая статья является подзаконным актом и не охраняется авторским правом согласно части четвёртой Гражданского кодекса Российской Федерации №230-ФЗ от 18 декабря 2006 года.
Размещено 01.06.2010
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 в 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 одревесневевшей 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.
Формула и химические свойства лигнина
В химическом смысле лигнин - понятие условное и обобщающее. Как нет двух одинаковых людей, так и нет двух одинаковых лигнинов.
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 (C 9 H 10), 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.
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.
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 лигнина происходит под воздействием внеклеточных ферментов-оксидоредуктаз грибов. К данным ферментам в первую очередь относятся лининолитические пероксидазы: лигнин-пероксидаза и Mn-пероксидза, а так же внеклеточная оксидаза – лакказа. Так же лигнинолитичекий комплекс грибов содержит вспомогательные ферменты, в первую очередь производящие перекись водорода для пероксидаз и активные фермы кислорода. Сюда включают такие ферменты как пиранозооксидаза, глюкзооксидаза, глиоксальоксидаза, алклгольарилоксидаза и целлобиозозодегидрогеназа.
Основным продуктом разложения лигнина в природе является гумус. Декомпозиция лигнина в естественных условиях происходит в присутствии других элементов растительной ткани - целлюлозы и гемицеллюлозы.
Экономическое значение лигнина
Ежегодно в мире получается около 70 млн. тонн технических лигнинов. В энциклопедиях пишут о том, что лигнин является ценным источником химического сырья. К сожалению, пока это сырье организационно, экономически и технически не слишком и не всегда доступно.
Например, разложение лигнина на более простые химические соединения (фенол, бензол и т.п.) при сравнимом качестве получаемых продуктов обходится дороже их синтеза из нефти или газа. По данным International Lgnin Institute в мире используется на промышленные, сельскохозяйственные и др. цели не более 2% технических лигнинов. Остальное сжигается в энергетических установках или захоранивается в могильниках.
Трудность промышленной переработки лигнина обусловлена сложностью его природы, многовариантностью структурных звеньев и связей между ними, а также нестойкостью этого природного полимера, необратимо меняющего свойства в результате химического или термического воздействия. Как было указано выше в отходах предприятий содержится не природный протолигнин, а в значительной степени измененные лигниносодержащие вещества или смеси веществ, обладающие большой химической и биологической активностью. Кроме того они загрязнены и др. веществами. Считается, что жить около «лигнохранилищ» не совсем полезно. Они имеют неприятное свойство самовозгораться с выделением сернистых, азотистых и др. вредных соединений, а тушение их крайне затруднено в связи с большими их размерами и особенностями процесса горения. На фото слева «лигнохранилище», справа - горящий лигнин.
В некоторых исследованиях отмечается мутагенная активность технических лигнинов.
Таким образом в народохозяйственном балансе технические лигнины пока представляют собой значительную и постоянно растущую отрицательную величину.
Свойства гидролизного лигнина
Гидролизный лигнин - аморфное порошкообразное вещество с плотностью 1,25-1,45 г/см 3 от светло-кремового до темно-коричневого цвета со специфическим запахом. Молекулярная масса 5000-10000. Размеры частиц лигнина от нескольких миллиметров до микронов(и меньше). Содержание в гидролизном лигнине собственно лигнина колеблется в пределах 40-88%, трудногидролизуемых полисахаридов от 13 до 45 % смолистых и веществ лигногуминового комплекса от 5 до 19% и зольных элементов - от 0.5 до 10 %.
Состав золы лигнина: Al 2 O 3 – 1%; SiO 2 – 93,4%; P 2 O 5 – 1,5 %; CaO – 1,5%; Na2O – 0,3%; K 2 O – 0,3%; MgO – 0,3%; TiO 2 – 0,1%.
Лигнин нетоксичен, обладает хорошей сорбционной способностью.
В сухом виде - хорошогорючее вещество, в распыленном виде может быть взроопасен. Содержание твердого углерода до 30%. Теплотворная способность сухого лигнина 5500-6500 ккал/кг и близка к калорийности условного топлива (7000 ккал/кг). Температура воспламенения лигнина 195°С, температура самовоспламенения 425 o С и температура тления 185 o С. Температура самовоспламенения: аэрогеля лигнина 300°С, аэровзвеси 450°С; нижнний концентрационный предел распространения пламени 40 г/м 3 ; максимальное давление взрыва 710 кПа; максимальная скорость нарастания давления 35 МПа/с; минимальная энергия зажигания 20 мДж; минимальное взрывоопасное содержание кислорода 17% .
Некоторые направления применения гидролизного лигнина:
Производство топливных брикетов, в т.ч. в смеси с опилками, угольной и торфяной пылью;
Производства топливного газа, в т.ч. с выработкой электроэнергии в газопоршневых газогенераторах;
Котельное топливо;
Производство брикетированных восстановителей для металлов и кремния;
Производство углей, в т.ч.активированных;
Сорбенты для очистки городских и промышленных стоков, сорбенты для разлитых нефтепродуктов, сорбенты тяжелых металлов, технологические сорбенты;
Сорбенты медицинского и ветеринарного назначения («Полифепан» и т.п.);
Порообразователь в производстве кирпича и др. керамических изделий (взамен опилок и древесной муки);
Сырье для выработки нитролигнина (понизителя вязкости глинистых растворов, применяемых при бурении скважин);
Наполнитель для пластмасс и композиционных материалов, связующее для композиционных материалов («Арбоформ», лигноплиты и т.п.);
Приготовление органических и органо-минеральных удобрений, структурообразователей для естественных и искусственных почв, гербицид при возделывании некоторых культур (бобовых);
Сырье для производства фенола, уксусной и щавелевой кислот;
Добавка в асфальтобетоны (приготовление лигнино-битумных смесей и пр).
Лигносульфонаты
Лигносульфонаты - водорастворимые сульфопроизводные лигнина, образующиеся при сульфитном способе делигнификации древесины представляющие собой натриевые соли лигносульфоновых кислот с примесью редуцирующих и минеральных веществ.
Товарные лигносульфонаты получают упариванием обессахаренного сульфитного щелока и выпускают в виде жидких и твердых концентратов сульфитно-спиртовой барды (мол. масса от 200 до 60 тыс. и более), содержащих 50-90% сухого остатка. Лигносульфонаты имеют высокую поверхностную активность, что позволяет использовать их в качестве ПАВ в различных отраслях промышленности, например:
В химической промышленности - в качестве стабилизатора, диспергатора, связующего в производстве брикетированных средств защиты растений;
В нефтедобывающей промышленности - в виде реагента для регулирования свойств буровых растворов;
В литейном производстве - в качестве связующего материала формовочных смесей, добавки к противопригарным краскам;
В производстве бетонов и огнеупоров - в качестве пластификатора смесей;
В строительстве для укрепления низкопрочных материалов и грунтов, а также для обеспыливания покрытий дорожных покрытий, в качестве эмульгатора в дорожных эмульсиях;
В сельском и лесном хозяйстве для противоэррозиооной обработки почв;
В качестве сырья для производства ванилина;
Добавка для гранулирования пылящих материалов, антислеживатель.
Сульфатный лигнин
Представляет собой раствор натриевых солей, характеризующихся высокой плотностью и химической стойкостью. Сульфатный лигнин в сухом виде представляет собой порошок коричневого цвета. Размер частиц лигнина, колеблется в широком интервале от 10 (и менее) мкм до 5 мм. Он состоит из отдельных пористых шарообразных частиц и их комплексов с удельно поверхностью до 20 м 2 /г.
Сульфатный лигнин имеет плотность 1300 кг/м 3 . Он растворим в водных растворах аммиака и гидроксидов щелочных металлов, а также в диоксане, этиленгликоле, пиридине, фурфуроле, диметилсульфоксиде.
В сульфатном лигнине промышленной выработки в среднем содержится, %: золы - 1,0-2,5, кислоты в расчете на серную - 0,1-0,3, водорастворимых веществ - 9, смолистых веществ - 0,3-0,4, лигнина Класона - около 85. Лигнин имеет достаточно постоянный функциональный состав. В сульфатном лигнине присутствует сера, массовое содержание которой составляет 2,0-2,5%, в том числе несвязанной - 0,4-0,9 %.
Термическая обработка сульфатного лигнина вызывает его разложение с образованием летучих веществ начиная с температуры 190 о С.
Сульфатный лигнин отнесен к практически нетоксичным продуктам, применяемый в виде влажной пасты не пылит и не пожароопасен.
Направления использования сульфатного лигнина:
Сырье для производства фенолоформальдегидных смол и пластиков;
Связующее для бумажных плит, картонов, древесностружечных и волокнистых плит;
Добавка - модификатор каучуков и латексов;
Стабилизатор химических пен;
Пластификатор бетонов, керамических и огнеупорных изделий;
Сырье для производства активных осветляющих углей «типа коллактивита».
Литература о лигнине и его применениях
Лигнину и техническим лигнинам посвящена очень большая литература (десятки книг, сотни диссертационных работ и тысячи журнальных статей) на всех основных языках. Многие из них доступны и в интернете, см. например, «Лигнин» статья в Википедии.
Для получения первого впечатления можно использовать, например, следующие имеющиеся в сети книги:
Химия лигнина, Ф.Э. Браунс, Д.А. Браунс, М. Лесная промышленность, 1964;
Химия древесины и целлюлозы В.М.Никитин, А.В. Оболенская, В.П. Щеголев М. Лесная промышленность, 1978;
Переработка сульфатного и сульфитного щелоков, под ред. П.Д. Богомолова и С.А. Сапотницкого, М. Лесная промышленность, 1989;
Конструкионные материалы из лигнинных веществ, В.А. Арбузов, М. Экология, 1991.
Примечание . Существующие технологии переработки и делигнификации целлюлозного сырья связаны с большими капиталовложениями и не вполне совершенны с точки зрения экологии и др. факторов. Ученые давно изыскивают другие, более эффективные способы организации целлюлозных и биохимических производств, но пока эти разработки не нашли широких промышленных применений.
Многие противоречивые проблемы развития биохимических производств как в капле воды отражаются в проблеме Байкальского ЦБК, где идет многолетняя борьба за закрытие комбината. Возможно, что комбинат будет закрыт. Конечно, многие жители нашей страны хотели бы жить в столь же экологически чистом месте, как Прибайкалье и пить такую же чистую воду как из Байкала. К сожалению, это невозможно и не скоро будет возможно даже теоретически. На протяжении последних 100-150 лет освоенная территория нашей страны по разным причинам загрязняется быстрее, чем позволяют ее возможности к самоочищению. В какой то степени это плата за экономический прогресс, а в какой то - расплата за легкомыслие или жадность руководителей.
Уровень потребления и производства целлюлозы, бумаги и др. продуктов биохимии считаются для крупных стран важнейшими показателями развитости экономики в целом. Разумеется не биохимики вносят решающий вклад в загрязнение природы разнообразными отходами и вредными веществами, но там где есть крупные биохимические предприятия их вклад в загрязнение атмосферы и водных ресурсов может быть весьма существенным.
Очевидно, что руководители лесохимической подотрасли на протяжении десятилетий вполне успешно шантажировали государство, кажется что это явление продолжается и сейчас. Заложниками, как всегда, становятся работники предприятий, местные жители и «братья наши меньшие». Закрытие и перепрофилирование Приозерского ЦБК уже принесло заметное улучшение экологии Ладожского озера, однако большое количество приозерцев остаются без работы и по сей день, а город Приозерск находится в депрессивном состоянии.
Отрицать возможность использования лигнина в промышленности и сельском хозяйстве было бы неправильно. Десятилетиями сотни научных организаций во всем мире занимаются исследованиями и разработками в области утилизации свежеизвлеченного и хранимого лигнина. Многие из них в разные годы уже внедрены в промышленности. Дополнительную актуальность эти работы получают в свете возросшего в последние годы интереса к решению экологических проблем и к промышленному использованию всей гаммы растительных ресурсов (biorefinery).
Скорее всего решить проблемы рационального развития биохимических производств без государственного внимания не удастся, ибо рынок головы не имеет, а его нервные узлы как у дождевого червяка расположены в пищеводе. Что, собственно говоря, в очередной раз доказал «начавшийся в 2008 г.» экономический кризис. Произошел ли он при помощи знаменитой невидимой его руки или другого сокрытого члена значения не имеет.
Гидролизный лигнин - прекрасное высококаллорийное топливо и легкодоступное возобновляемое сырье для производства топливных гранул и брикетов.
В настоящее время актуальность вопроса производства альтернативных энергоносителей постоянно возрастает. Для этого имеется ряд причин.
1. Традиционные энергоносители - газ, уголь, нефть - с каждым годом становится добывать все труднее, и это ведет к постоянному повышению их стоимости. Особую актуальность для Украины, как известно, имеет вопрос стоимости импортируемого газа.
2. Запасы традиционных энергоносителей быстро истощаются, что делает производство альтернативных энергоносителей весьма перспективным направлением бизнеса.
3. Производство альтернативных источников энергии стимулируется Правительствами всех развитых стран, в том числе Украины.
Лигнин Горит хранилище лигнина
Пеллета из лигнина Брикет Pini&Key из лигнина
Новым законом "О содействии производству и использованию биологических видов топлива " предприятия-производители биотоплива, в т.ч. топливных гранул и брикетов, освобождены до января 2020г. от налогообложения прибыли. Есть, также, ряд экономических, экологических и социальных предпосылок, способствующих расширению рынка биотоплива вообще, и топливных гранул и брикетов в частности. Но многие бизнесмены, направившие свои усилия и капиталы в этот перспективный сегмент экономики, столкнулись с неожиданными проблемами.
Основная конкуренция в этой отрасли лежит не в сфере сбыта - с ним как раз проблем нет, причем, в основном, вся продукция отгружается на экспорт в страны Евросоюза – а в сфере обеспечения сырьем. Дело в том, что многие предприятия, установившие оборудование брикетирования или грануляции биомассы, в настоящее время работают не в полную мощность, а зачастую вообще простаивают из-за отсутствия сырья. Это связано прежде всего с сезонностью наличия некоторых видов сырья (лузги подсолнечника, соломы, отходов крупяных культур, отходов переработки кукурузы, других видов сельхозсырья), некорректным выбором места установки оборудования (например, удаленность от потенциальных источников сырья), большими логистическими затратами на доставку сырья, имеющего, как правило, очень малый насыпной вес (к примеру, насыпной вес лузги подсолнечника - 100 кг/м3).
В такой ситуации лигнин является хорошей альтернативой сельхозотходам как сырью, так как его запасы имеются в достаточно большом количестве независимо от сезона переработки, лигнин хорошо поддается гранулированию и брикетированию в силу своих отличных связующих свойств, имеет достаточно большой насыпной вес (до 700 кг/м3), делающий рентабельной его перевозку на значительные расстояния даже не в гранулированном виде, обладает хорошей теплотворной способностью, соизмеримой с углем, при гораздо, меньшей зольности, и цена сырья-лигнина сравнительно невысока. Вследствие особых свойств лигнина, в технологии его подготовки к дальнейшему использовании особое значение придается вопросу сушки лигнина.
Если рассматривать лигнин с физико-химической точки зрения, то в изначальном виде это вещество представляет собой сложную опилкоподобную массу, влажность которой доходит до семидесяти процентов. По сути, лигнин - это уникальный комплекс веществ, который состоит из полисахаридов, особой группы веществ, относящихся к так называемому лигногуминовому комплексу, моносахаров, различных минеральных и органических кислот самой разной насыщенности, а также определенной части золы. Гидролизный лигнин представляет собой опилкоподобную массу с влажностью приблизительно 55-70%. По своему составу это комплекс веществ, в который входят собственно лигнин растительной клетки, часть полисахаридов, группа веществ лигногуминового комплекса, неотмытые после гидролиза моносахара минеральные и органические кислоты, зольные и другие вещества. Содержание в лигнине собственно лигнина колеблется в пределах 40-88 %, полисахаридов от 13 до 45 % смолистых и веществ лигногуминового комплекса от 5 до 19 % и зольных элементов от 0.5 до 10 %. Зола гидролизного лигнина в основном наносная. Гидролизный лигнин характеризуется большим объемом пор, приближающимся к пористости древесного угля, высокой реакционной способностью по сравнению с традиционными углеродистыми восстановителями и вдвое большим в сравнении с древесиной содержанием твердого углерода, достигающим 30 %, то есть почти половины углерода древесного угля.
Гидролизный лигнин отличает способность переходить в вязкопластическое состояние при наложении давления порядка 100 МПа. Это обстоятельство предопределило одно из перспективных направлений использования гидролизного лигнина в виде брикетированного материала. Установлено, что лигнобрикеты являются высококалорийным малодымным бытовым топливом, качественным восстановителем в черной и цветной металлургии, заменяющим кокс, полукокс и древесный уголь, а также могут служить для производства угля типа древесного и углеродистых сорбентов. Исследовательские и опытно–промышленные работы ряда организаций показали, что брикетированный гидролизный лигнин может являться ценным сырьем для металлургической, энергетической и химической отраслей народного хозяйства страны, а также высокосортным коммунально-бытовым топливом.
К внедрению могут быть рекомендованы технологические разработки, позволяющие получать следующую брикетированную лигнопродукцию:
- лигнобрикеты для замены традиционных углеродистых металлургических восстановителей и кусковой шихты в производстве кристаллического кремния и ферросплавов;
- малодымные топливные лигнобрикеты;
- брикетированный лигнинный уголь взамен древесного в химической промышленности;
- углеродистые сорбенты из лигнобрикетов для очистки промстоков и сорбции тяжелых и благородных металлов;
- энергетические брикеты из смеси с отсевами углеобогащения.
Топливные брикеты из лигнина представляют собой высококачественное топливо с теплотой сгорания до 5500 ккал/кг, и низким содержанием золы. При сжигании брикеты лигнина горят бесцветным пламенем, не выделяя коптящего дымового факела. Плотность лигнина равна 1,25 - 1,4 г/см3. Коэффициент преломления равен 1,6.
Гидролизный лигнин имеет теплотворную способность, которая для абсолютно сухого лигнина составляет 5500-6500 ккал/кг для продукта с 18-25% - ной влажностью, 4400-4800 ккал/кг для лигнина с 65%-ной влажностью, 1500-1650 ккал/кг для лигнина с влажностью более 65%. По физико-химической характеристике лигнин представляет собой трехфазную полидисперсную систему с размерами частиц от нескольких миллиметров до микронов и меньше. Исследования лигнинов, полученных на различных заводах, показали, что состав их характеризуется в среднем следующим содержанием фракций: размером более 250 мкм - 54-80%, размером менее 250 мкм - 17-46%, и размером менее 1 мкм - 0,2-4,3%. По структуре частица гидролизного лигнина не является плотным телом, а представляет собой развитую систему микро- и макропор, величина его внутренней поверхности определяется влажностью (для влажного лигнина она составляет 760-790 м2/г, а для сухого всего 6 м2/г).
Как показали многолетние исследования и промышленные испытания, проведенные целым рядом научно-исследовательских, учебных и промышленных предприятий, из гидролизного лигнина можно получать ценные виды промышленной продукции. Для энергетики - из исходного гидролизного лигнина можно изготавливать брикетированное коммунально-бытовое и каминное топливо, а из смеси лигнина с отсевами углеобогащения - производить брикетированное энергетическое топливо.
Процесс горения лигнина в технологических топках без прямой отдачи теплоты имеет существенные отличия по сравнению с топками паровых котлов. В них отсутствует лучевоспринимающая поверхность, и поэтому, во избежание шлакования золы, требуется тщательно рассчитывать аэродинамические режимы процесса. Температура ядра факела из-за отсутствия прямой теплоотдачи оказывается более высокой и концентрируется в меньшем объеме, чем в топках паровых котлов. Для сжигания лигнина наиболее целесообразно использовать факельную топку системы Шершнева, обеспечивающую достаточно высокую эффективность для топлив с высокой степенью дисперсности.
Лигнин может быть эффективно использован в качестве топлива для сжигания в теплогенераторе сушильного комплекса для сушки опилки или другой биомассы в линиях по производству топливной гранулы пеллеты и топливных брикетов. Тщательно подготовленное пылевидное топливо по скорости выгорания и полноте сгорания приближается к жидкому топливу. Полное сгорание в факеле обеспечивается при меньшем коэффициенте избытка воздуха, а следовательно, с более высокой температурой. При ведении топочного процесса с малым избытком воздуха обеспечиваются взрывобезопасные условия работы сушильного комплекса, что положительно отличает сушку с прямым использованием топочных газов от способа сушки нагретым воздухом.
Таким образом, лигнин является прекрасным, высококаллорийным топливом и легкодоступным возобновляемым сырьем для производства топливных гранул и брикетов.
Применение порошкообразного лигнина.
Порошкообразный лигнин пригоден в качестве активной добавки в дорожные асфальтобетоны, а также для добавки к мазуту при его использовании в энергетике и металлургии. Гидролизный лигнин, используемый в качестве минерального порошка, позволяет:
1.
Повысить качество асфальтобетонов (прочность - на 25%, водостойкость - на 12%, трещиностойкость (хрупкость) - с -14°С до -25°С) за счет дополнительной модификации нефтяного битума.
2.
Экономить дорожно-строительные материалы: a) нефтяной битум на 15-20%; b) известковый минеральный порошок на 100%.
3.
Значительно улучшить экологическую обстановку в зоне складирования отходов.
4.
Возвратить плодородные земли, занятые в настоящее время под отвалы.
Таким образом, проведенные исследования по применению технологического гидролизного лигнина (ТГЛ) в производстве асфальтобетонов показывают, что имеются возможности значительного расширения сырьевой базы материалов для строительства современных автодорог (республиканских, региональных и городских), при одновременном повышении качества их покрытия за счет модификации нефтяных битумов гидролизным лигнином и полной замены дорогостоящих минеральных порошков.
Лигнин (от латинского lignum - дерево) - сложный ароматический полимер природного происхождения. Вещество входит в состав растений и является продуктом биосинтеза. Является самым распространенным полимером на Земле, после целлюлозы, и играет важную роль в природном круговороте углерода. Считается, что лигнин возник в ходе эволюции, когда наземный образ жизни пришел на смену водному. Он подобно хитину у членистоногих, призван обеспечивать жесткость и устойчивость стеблей и стволов растений. Сегодня мы с вами подробнее узнаем, что это такое лигнин и как он используется в современной промышленности.
Краткая характеристика
Основными компонентами растительной ткани являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. В древесине хвойных деревьев содержится до 38 % этого вещества, в лиственных породах дерева - до 25 %, а в соломе злаков - до 20 %. Лигнин располагается в стенках клеток и межклеточном пространстве, скрепляя целлюлозные волокна. Вместе с гемицеллюлозой он призван обеспечивать механическую прочность стволов дерева. Кроме того, природный полимер отвечает за герметичность клеточных стенок (для питательных веществ и воды) и определяет окраску одревесневевшей ткани. Лигнин химически и физически прочно инкорпорирован в структуру растительной ткани, поэтому выделение его оттуда промышленным путем представляет весьма непростую инженерную задачу.
Классификация
Обычно различают протолигнин - полимер, содержащийся в естественной форме внутри растения, и его технические производные, которые получают путем извлечения из растительной ткани, с помощью различных физико-химических методов. Данное вещество не производят специально, его получают как отход биохимического производства. В ходе физико-химического воздействия на лигнин, его молекулярная масса уменьшается в разы, а реакционная активность увеличивается.
В гидролизной промышленности получают гидролизный лигнин, который еще называют порошковым.
При производстве целлюлозы образуются формы полимера, растворимые в воде. Варка целлюлозы производится в основном по двум технологиям: сульфатной (щелочной) и сульфитной (кислотной). Щелочной метод более распространен. Лигнин, полученный на сульфатном производстве, называется соответственно сульфатным и утилизируется главным образом в энергетических установках целлюлозных предприятий. Ну а полимер, полученный в сульфитном производстве, образуется в виде растворов лигносульфонатов, одна часть которых скапливается в специальных хранилищах, а другая - уходит в сточные воды.
В иностранной литературе можно встретить информацию о разделении лигнина на бессернистый и сернистый. Первый тип, по сути, представляет собой гидролизный полимер, а второй - полимер, полученный на целлюлозном производстве.
Предприятия, получающие лигнин как побочный продукт, как правило, занимаются его утилизацией. Тем не менее гидролизный и сульфатный лигнин, а также лигносульфонаты, можно встретить на рынке как отдельную товарную позицию. Наиболее распространенным товаром, в основе которого лежит данное вещество, являются топливные брикеты. Стандартов на технические лигнины нет, поэтому предприятия, покупающие их, выдвигают собственные параметры качества.
Формула и свойства
С химической точки зрения лигнин является условным и обобщенным понятием. Подобно тому, как не бывает одинаковых людей, не существует одинаковых полимеров. Принято полагать, что в состав лигнина входят атомы углерода, водорода и кислорода. Лигнины, полученные из разных растений, могут в значительной степени отличаться по химическому составу. Вещество имеет неопределенно большую молекулу и множество различных функциональных групп.
В основе всех видов лигнина лежит такая структурная единица, как фенилпропан (С 9 Н 10). Различия между видами обусловлены содержанием разных функциональных групп. С точки зрения современной науки, ответ на вопрос о том, что это такое лигнин, выглядит примерно так: "Лигнин - это сложный трехмерный полимер, который имеет сетчатую структуру и ароматическую природу, получающийся вследствие поликонденсации ряда монолигнолов (коричных спиртов)".
В нормальных условиях, вещество плохо растворимо как в воде, так и в органических растворителях. В окружающей среде оно может участвовать в большом количестве различных превращений и реакций. Лигнин считается биологически активным. При повышенном давлении, он проявляет пластические свойства, особенно во влажном состоянии.
Утилизация в природе
Данный природный полимер практические не усваивается в процессе пищеварения у высших животных. В естественной среде за его переработку отвечают всяческие грибы, насекомые, бактерии и земляные черви. Главная роль в этом процессе досталась грибам-базидиомицетам. К таковым относятся виды, живущие на деревьях (живых или мертвых) и перерабатывающие опавшие листья. Среди них есть даже съедобные грибы: вешенка, опенок, шампиньон.
Лигнин деградирует под действием оксидоредуктаз - внеклеточных ферментов грибов. К ним относятся главным образом лининолитические пероксидазы (лигнин- и Mn-пероксидаза) а также внеклеточная оксидаза (лакказа). Кроме того, в лигнинолитический комплекс грибов входят вспомогательные ферменты, продуцирующие перекись водорода, и активные ферменты кислорода.
Главным продуктом разложения лигнина в природных условиях является гумус. Декомпозиция вещества в природе происходит в присутствии таких элементов растительной ткани, как целлюлоза и гемицеллюлоза.
Экономическое значение
Ежегодно, в мире получают порядка 70 млн тонн технического лигнина. Несмотря на то что его считают ценным химическим сырьем, сбыт вещества налажен очень слабо. Кроме того, из-за отсутствия выгодной технологии производства, использование данного полимера экономически не целесообразно. К примеру, разложение лигнина на менее сложные химические соединения (бензол, фенол и прочие), обходится дороже, чем синтез этих соединений из нефти и газа. Статистика International Lgnin Institute показывает, что в мире, на сельскохозяйственные, промышленные и прочие нужды идет лишь 2 % технических лигнинов. В основном они идут на производство пеллет из лигнина, удобрений и прочей малотоннажной продукции. Остальные 98 % или сжигаются на энергетических установках, или просто хоронятся в могильниках.
Трудность промышленной переработки лигнина связана со сложностью его природы, большой вариативностью структурных звеньев и их связей, а также нестойкостью полимера перед химическим и термическим воздействием. В отходах предприятий содержится не природный полимер, а лигниносодержащие вещества, или смеси веществ, которые имеют большую химическую и биологическую активность. Без примесей также не обходится.
Считается, что возле хранилищ лигнина не желательно жить. Вещество легко воспламеняется и хорошо горит, с выделением азотистых, сернистых и прочих неприятных соединений. Тушение хранилищ затрудняется их крупными габаритами и особенностями горения полимера. Некоторые исследования подтвердили мутагенную активность вещества. Таким образом, есть все основания утверждать, что технические лигнины в народнохозяйственном балансе представляют внушительную, постоянно растущую отрицательную величину.
Гидролизный лигнин
Этот вид полимера представляет собой порошкообразное аморфное вещество, плотность которого колеблется в пределах 1,25-1,45 г/см 3 , а окраска меняется от кремового до коричневого. Гидролизный лигнин обладает специфическим запахом. Его молекулярная масса может изменяться от 5 до 10 тысяч. В гидролизном лигнине содержится от 40 до 88 % собственно лигнина. Оставшаяся доля делиться на: трудногидролизуемые полисахариды (13-45 %); смолистые вещества, а также вещества лигногуминового комплекса (5-19 %); и зольные элементы (0,5-10 %).
Гидролизный лигнин нетоксичен. Он имеет хорошую сорбционную способность. В сухом виде представляет хорошо горючее, а в распыленном - взрывоопасное вещество. Воспламенение полимера происходит при температуре 195 °С, а самовоспламенение - 425 °С.
Область применения гидролизного лигнина довольно широка:
- Производство топливных брикетов.
- Производство топливного газа, в том числе в газопоршневых генераторах, с выработкой электроэнергии.
- Переработка лигнина в биотопливо.
- Производство восстановителей для металла и кремния, в виде брикетов.
- Сорбенты на основе лигнина, очищающие городские и промышленные стоки, нефтепродукты, тяжелее металлы и прочее.
- Производство углей, в том числе активированных.
- Сорбенты для медицины и ветеринарии («Полифепан» и прочие).
- Сырье для синтеза нитролигнина, который применяется для снижения вязкости глинистых растворов, используемых во время бурения скважин.
- Преобразователи в производстве кирпичей и прочих керамических изделий.
- Наполнитель для композитных материалов и пластмасс.
- Производство удобрений из лигнина (органических и органоминеральных), а также гербицидов при возделывании бобовых культур.
- Производство кислот (уксусная и щавелевая) и фенола.
- Добавка к асфальтобетонам.
Лигносульфонаты
Представляют собой сульфопроизводные лигнина, которые растворимы в воде и образуются во время сульфатной делигнификации древесины. Это натриевые соли лигносульфоновых кислот в смеси с примесями минеральных и редуцирующих веществ.
Промышленные лигносульфонаты получают при упаривании обессахаренного сульфитного щелока. Они выпускаются в виде твердых или жидких концентратов сульфитно-спиртовой барды, с молярной массой от 200 до 60 000. Вещества обладают высокой поверхностной активностью, поэтому их используют как ПАВ (поверхностно-активные вещества).
Основные области применения:
- Химическая промышленность . В виде стабилизаторов, диспергаторов и связующих веществ, в производстве брикетированных средств для защиты растений.
- Нефтедобывающая промышленность. Как реагент для регулировки параметров буровых растворов.
- Литейное производство. В качестве связующего компонента для формовочных смесей и добавки к краскам с противопригарными свойствами.
- Производство бетона и огнеупоров. Как пластификатор смеси.
- В строительстве. С целью придания материалам и грунтам лучших прочностных характеристик и в качестве эмульгатора для дорожных смесей.
- Сельское и лесное хозяйство. Для защиты почв от эрозии.
- Производство ванилина. В качестве сырья.
Сульфатный лигнин
Данный вид природного полимера представляет собой раствор солей натрия, который имеет высокую плотность и химическую стойкость. В сухом виде, порошкообразное вещество обладает коричневой окраской. Диаметр частиц может колебаться в довольно широком приделе - 10 мкм-5 мм. Порошок состоит из отдельных частиц шаровидной формы и их комплексов. Плотность сульфатного лигнина составляет 1300 кг/м 3 . Вещество растворяется в: водных растворах гидроксидов щелочных металлов, диоксине, водных растворах аммиака, этиленгликоле, фурфуроле, пиридине и диметилсульфоксиде. При термической обработке полимер разлагается с образованием летучих веществ. Вещество считается практически нетоксическим продуктом. Его применяют в виде увлажненной пасты.
Направления использования лигнина (сульфатного):
- Сырье в производстве пластиков и фенолоформальдегидных смол.
- Связующее. Лигнин в качестве клея используется в производстве картонов, а также бумажных, волокнистых и древесно-стружечных плит.
- Добавка-модификатор для каучука и латекса.
- Стабилизатор для химических пен.
- Пластификатор для бетона, а также огнеупорных и керамических изделий.
- Сырье в производстве осветляющих углей.
Перспективы
Узнав, что это такое лигнин, немного поговорим о перспективах его промышленного использования. Технология переработки и делигнификации целлюлозосодержащего сырья связана с крупными капиталовложениями и не совсем благоприятна с точки зрения экологии. Ученые всего мира уже давно трудятся над созданием высокоэффективных способов организации целлюлозного и биохимического производства, но их разработки пока еще не нашли широкого применения. Тем не менее множество наработок в области утилизации свежего и хранимого лигнина в разные годы были внедрены в промышленность. Особую актуальность эти вопросы получают в свете нарастающего интереса к борьбе с экологическими проблемами и использованию всего спектра растительного сырья. Таким образом, отрицать перспективу использования лигнина в промышленном и сельскохозяйственном секторе было бы неправильно.
Уровень производства и потребления целлюлозы и прочих продуктов биохимии, для крупных стран считается важнейшим показателем экономического развития. Конечно же, решающий вклад в ухудшение экологической ситуации вносят не биохимики. Тем не менее в местах, где работают такие предприятия, их роль в загрязнении окружающей среды может быть весьма существенной.
Заключение
Сегодня мы с вами ответили на вопрос: «Лигнин: что это такое?» В качестве резюме можно отметить, что лигнином называют ароматический полимер природного происхождения, который входит в состав растений и является продуктом биосинтеза. Формы вещества, получаемые в гидролизной и целлюлозной промышленности, нашли широкое применение. Тем не менее вопрос с полноценной переработкой технических лигнинов пока еще не решен.
