Введение к работе
Актуальность проблемы. Отходы деревообрабатывающей и лесохимической промышленности составляют значительную часть от общих объемов перерабатываемой древесины. Нерешенность проблемы комплексного использования древесины приводит к большим экономическим потерям и наносит серьезный экологический ущерб. Однако древесные отходы могут использоваться в качестве сырья для получения ценных органических продуктов для пищевой, медицинской и химической промышленности.
Особое место среди химических методов переработки древесной биомассы занимают каталитические процессы. Применение катализаторов позволяет целенаправленно регулировать состав и выход целевых продуктов, причем состав образующихся соединений определяется как природой используемого катализатора, так и условиями осуществления процесса. Одним из важнейших промышленных процессов является гидролитическое расщепление лигноцеллюлозного сырья в присутствии катализаторов кислотного типа. Первичными продуктами каталитического гидролиза являются сахара, последующими превращениями которых могут быть получены разнообразные органические соединения. Осуществление термокаталитических превращений целлюлозосодержащего сырья в среде водяного пара в присутствии катализаторов кислотного типа открывает новые возможности для получения ценных органических соединений, например таких как левоглюкозенон, гидроксиметилфурфурол, левулиновая кислота и их производные. В связи с этим, являются актуальными исследования, направленные на установление основных закономерностей каталитического термолиза древесных карбогидратов в среде водяного пара, подбор эффективных катализаторов и оптимальных параметров процесса, обеспечивающих максимальный выход ценных органических продуктов.
Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения работ по программе Фундаментальных исследований СО РАН "Новые процессы углубленной комплексной переработки минерального и вторичного сырья, нефти, угля и древесины" (раздел "Разработка новых методов утилизации отходов переработки древесины"); по Федеральной целевой научно-технической программе РФ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" (подпрограммы "Экологически безопасные и ресурсосберегающие процессы химии и химической технологии" и "Комплексное использование древесного сырья").
Цель работы. Установление состава жидких продуктов процесса термокаталитического превращения целлюлозы и древесины в среде водяного пара в
4 проточном и статическом реакторах в присутствии кислотных катализаторов в интервале температур 150-350С.
Выявление основных закономерностей протекания процесса получения левулиновои кислоты из древесины и целлюлозы в присутствии водяного пара и катализаторов кислотного типа.
Подбор режимных параметров термокаталитического процесса и вида исходного сырья, обеспечивающих максимальный выход левулиновои кислоты.
Научная новизна. С использованием физико-химических и химических методов исследования установлены основные закономерности термокаталитических превращений древесины и целлюлозы в присутствии водяного пара и катализаторов кислотного типа. Идентифицированы основные жидкие продукты, получаемые в статических и проточных условиях, получены данные об изменении их состава при вариации температуры, продолжительности и гидромодуля процесса, вида исходного сырья. Осуществлен подбор режимных параметров термокаталитического процесса переработки древесины и целлюлозы, обеспечивающих максимальный выход левулиновои кислоты.
Практическая ценность. Полученные данные о закономерностях термокаталитических превращений лигноцеллюлозного сырья в среде водяного пара в проточном и статическом реакторах могут быть использованы при разработке технологии процесса получения левулиновои кислоты из древесины и целлюлозы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 2-м совещании "Лесохимия и органический синтез" (Сыктывкар, 1996 г.), Международной конференции "Экотехнология-96" (Иркутск, 1996), lll-м Международном Симпозиуме "Катализ в превращениях угля" (Новосибирск, 1997), а также на Первой научно-практической конференции по реализации Федеральной целевой программы развития Нижнего Приангарья в Красноярском крае (Красноярск, 1997).
Публикации. Основное содержание работы изложено з 9 опубликованных работах.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 114 страницах машинописного .текста и состоит из введения, трех глав, включает 13 таблиц, 12 рисунков и библиографию из 122 наименований.
В главе I приведен обзор литературы по термокаталитическим превращениям древесины и целлюлозы, механизмам термодеструкции углеводов и образования левулиновой кислоты. Обобщены результаты работ по методам получения, выделения и очистки левулиновой кислоты.
В главе II описаны методики проведения эксперимента, используемые методы анализа состава продуктов.
В главе 111 изложены и обсуждены экспериментальные данные по термокаталитическим превращениям целлюлозы и древесины различных пород в среде водяного пара в проточных и статических условиях в присутствии катализаторов кислотного типа (минеральных кислот и их солей), подбору параметров процесса, обеспечивающих максимальный выход левулиновой кислоты.