Химия и химическая технология / Фундаментальные проблемы

создания новых материалов и технологий

К.х.н. Наймушина Л.В., Кадочникова В.Ю.

Сибирский федеральный университет, Россия

О возможности получении сорбентов из отходов

корня имбиря (Zingiber officinale Roscoe)

Экологические проблемы крупных мегаполисов заставляют пересматривать традиционную концепцию повышения эффективности производства, акцентируя внимание на минимизации объемов промышленных отходов. Движущим фактором в этом случае является неотложная потребность в усовершенствовании многих технологических схем, в том числе схем комплексной переработки растительных ресурсов. Перспективным направлением утилизации растительных отходов является пиролиз лигноцеллюлозной массы с целью создания сорбентов - пористых углеродных материалов (ПУМ). Такие материалы можно конструировать с заранее заданными структурно-текстурными характеристиками и различной адсорбционной активностью.

Достаточно популярной растительной культурой, востребованной и в качестве пряно-ароматической специи, и в качестве лекарственного сырья является корень имбиря (Zingiber officinale Roscoe). Данные материалы отражают исследование возможности получения сорбентов из отходов имбирного корня, после выделения из него экстрактивных биологически активных веществ.

В качестве исходного сырья использовали сухой фракционированный (до 2 мм) корень имбиря. Для выделения экстрактивных веществ применена методика последовательного экстрагирования сырья органическими растворителями возрастающей полярности (диэтиловый эфир, этилацетат, изопропанол, вода). Общее содержание экстрактивных веществ составило 27,8 + 0,2 вес. % от массы абсолютно сухой навески сырья.

Далее нами ставилась задача изучения термического поведения образцов биомассы, взятой до (образец 1) и после извлечения экстрактивных веществ (образец 2) при их высокотемпературной деструкции. Поведение образцов изучали методом термического гравиметрического анализа (ТГА) с параллельной регистрацией тепловых эффектов протекающих физико-химических процессов – дифференциальным термическим анализом (ДТА). ТГА и ДТА образцов осуществляли с помощью дериватографа системы Paulic-Paulic-Erdey при скорости нагрева образцов 20⁰С/с.

На рис.1. представлены данные ТГА для образцов 1 и 2. Как следует из представленной графической зависимости Δm,% – f (Т⁰С) (рис. 1), в интервале подъема температуры 100-150⁰С можно отметить уменьшение массы образцов до 90% от исходной навески, отражающей удаление связанной воды. Разница в потере массы Δm для образцов 1 и 2 составляет ≈ 5-6%. Основное различие поведения образцов 1 и 2 наблюдается в температурном интервале 175-325⁰С, где начинают активно идти процессы карбонизации лигноцеллюлозной массы.

Рис.1. Кривые термогравиметрического анализа для имбирного корня: 1) исходное сырье; 2) образец после последовательной экстракции растворителями возрастающей полярности.	Рис.2. Кривые дифференциального термического анализа (ДТА) имбирного корня: 1) исходное сырье 2) образец после последовательной экстракции сырья растворителями возрастающей полярности.

Для образца 1 основная убыль массы начинается при температуре 290⁰С (рис.1, кр.1). Удаление экстрактивных веществ из сырья (образец 2) сдвигает начало интенсивных процессов термодеструкции лигноцеллюлозного материала на 100 -110⁰С (рис.1, кр.2). При температуре 250⁰С потеря массы образца 2 составила 30% от исходного веса, тогда как для образца 1 при данной температуре этот показатель равен 15%. При температурах выше, чем 340-350⁰С, поведение образцов можно считать условно одинаковым. Потеря массы образцов достигает 93-95% от исходной навески при температуре 700-750⁰С.

Более существенные различия при термодеструкции образцов 1 и 2 наблюдаются при изучении их тепловых эффектов. Как следует из рис. 2., для образцов и исходного сырья (кр. ДТА-1) и взятого после экстракции (кривая ДТА-2) можно выделить эндотермические эффекты при 100-125⁰С, отвечающие за удаление физически связанной воды.

Для образца 1 (рис.2, кр. ДТА-1) зарегистрировано четыре экзотермических эффекта. Первый из них - с Т_max при ~ 260⁰С - связан с потерей более 40% массы от исходного веса. Поскольку для образца 2 данный экзоэффект не наблюдается (рис.2, кр. ДТА-2), можно предположить, что выделение энергии обусловлено протеканием реакций окисления экстрактивных веществ анализируемой биомассы. Два последующих, налагающихся экзотермических эффекта с T_max при ~ 320⁰С и ~ 400⁰С (рис. 2, кр. ДТА-1), связаны с началом протекания реакций деполимеризации и деароматизации лигноцеллюлозного материала. Четвертый энергетический максимум при температуре ~ 475⁰С отвечает за структурирование матрицы образовавшегося углеродного вещества [1].

Для образца 2 в температурном интервале 100-300⁰С зарегистрировано меньшее по сравнению с образцом 1 суммарное количество теплоты, выделяющееся при протекании реакций окисления исследуемой биомассы (~ на 25%). Экзотермический эффект, отмеченный для образца 2 с max при ~ 420⁰С, можно рассматривать как суперпозицию трех экзоэффектов образца 1 в области температур 300-600⁰С (рис.2, кривые ДТА-1, ДТА-2).

Известно, что в процессе экстракции биомассы неполярными растворителями происходит частичное извлечение лигнина. Следовательно, суммарное уменьшение количества теплоты, выделяющейся при высокотемпературном окислении экстрагированной биомассы, объясняется общим уменьшением состава различных классов органических соединений, в том числе и лигнинсодержащих биомолекул.

Таким образом, термогравиметрическое изучение поведения образцов, взятых до и после экстракции растворителями возрастающей полярности, показало, что предварительное удаление экстрактивных веществ и частично лигнина сдвигает начало протекания интенсивных процессов окислительной термодеструкции биомассы на 100-110⁰С. Основные процессы температурной деградации растительной массы - деполимеризации и деароматизации сложных биомолекул с образованием структурированной углеродной матрицы – протекают также в более низком интервале температур – с max при 420⁰C. Основные процессы карбонизации предварительно экстрагированного сырья заканчиваются при температуре 470-500⁰ С. Для сравнения отметим, что исходное сырье превращается в углеродную матрицу при более высокой температуре – 580-600⁰С.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что из предварительно экстрагированного лигноцеллюлозного сырья можно получать углеродные материалы при более низких температурах пиролиза. С учетом литературных данных при карбонизации сырья в этих условиях следует ожидать образование углеродной матрицы с более развитой поверхностью пор [2]. Следовательно, получение пористых углеродных материалов методами пиролиза биомассы можно рассматривать как одно из перспективных направлений утилизации отходов переработки растительного сырья.

Литература:

1. Torregogrosa R. Activation of lignocellulosic materials: a composition between chemical, physical and combined activation in terms of porous texture / R. Torregogrosa, J.N. Martin-Martinez // Fuel, 1991. - V. 70. – P. 1173 – 1179.

2. Фенелонов В.Б. Пористый углерод / В.Б. Фенелонов. – Новосибирск: изд-во Ин-та катализа СО РАН, 1995. – 365 с.