Введение к работе
Актуальность проблемы. В России сосредоточены огромные запасы древесины, компоненты которой являются ценным, возобновляемым органическим сырьём. Однако в настоящее время из древесины производится лишь ограниченный ассортимент продуктов на целлюлозно-бумажных, гидролизных и лесохимических предприятиях. Одной из причин этого является отсутствие эффективных технологий комплексной и безотходной переработки компонентов древесины в разнообразные продукты, которые могут применяться в пищевой, медицинской, парфюмерной и химической промышленности.
Особое место среди различных способов переработки древесной биомассы, которые могут быть положены в основу её комплексной переработки в ценные органические продукты, занимают термокаталитические процессы, сочетающие в себе достоинства термических методов растепления компонентов биомассы и каталитических, позволяющих в ряде случаев целенаправленно регулировать состав и выход целевых продуктов. Количественный состав образующихся органических продуктов при этом определяется природой используемого катализатора, способом осуществления процесса, его температурным режимом, продолжительностью и составом реакционной среды.
Изучение закономерностей термокаталитических превращений компонентов древесной биомассы в ценные химические продукты, подбор эффективных катализаторов этих процессов и оптимальных параметров, обеспечивающих максимально возможный выход целевых продуктов, является в настоящее время весьма актуальной проблемой.
При постановке диссертационной работы в литературе имелись сведения по термокаталитическим превращениям древесины и целлюлозы в вакууме и в среде инертного газа, но не были изучены закономерности образования жидких продуктов расщепления компонентов древесной биомассы в среде водяного пара, отсутствовали систематические данные о влиянии условий проведения процесса и используемых кислотных катализаторов на выход и состав образующихся органических продуктов. Практически отсутствовали сведения о влиянии условий осуществления процесса взрывного автогидролиза и природы используемой древесины на характер превращений ее основных компонентов, на выход и состав образующихся органических продуктов.
Изложенные в диссертации результаты получены в ходе выполнения исследований по программам фундаментальных исследований СО РАН "Новые процессы углубленной комплексной переработки минерального и вторичного сырья, нефти, газа и древесины" (раздел "Разработка новых методов утилизации отходов переработки древесины") и "Разработка теоретических основ катализа и новых поколений катализаторов и каталитических процессов"(раздел "Разработка научных основ и исследование процессов каталитического превращения твёрдого органического сырья в химические продукты и углеродные материалы"), по ГНТП РФ "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" (направление " Новые технологии получения целлюлозы", направление "Новые технологии лесохимических продуктов и биологически активных веществ растительного сырья"), по ГНТП РФ "Экологически безопасные процессы химии и химической технологии" (направление "Катализаторы нового поколения и высокоэффективные процессы на их основе").
Цель работы. Получение сведений об основных закономерностях и химизме термокаталитических превращений древесной биомассы и её компонентов в среде водяного пара в присутствии катализаторов кислотного типа .
Оптимизация условий проведения термокаталитических превращений с целью достижения максимального выхода целевых веществ в процессах:
термолиза древесной биомассы водяным паром с получением левоглюко-зенона и левулиновой кислоты;
взрывного автогидролиза древесной биомассы с получением органических продуктов;
каталитического синтеза ценных органических соединений из продуктов термокаталитических превращений древесной биомассы.
Разработка эффективных методов выделения и очистки продуктов термокаталитических и каталитических превращений древесного сырья.
Научная новизна. Установлены основные закономерности термокаталитических превращений основных компонентов древесной биомассы в ценные органические продукты при термолизе водяным паром в присутствии различных катализаторов кислотного типа. Предложены методы регулирования состава и выхода продуктов превращения компонентов древесины, основанные на вариации природы кислотного катализатора и условий проведения процесса термолиза водяным паром.
Установлены основные направления превращения гексозанов древесной биомассы в среде водяного пара в присутствии некоторых кислотных катализаторов и последовательность образования органических продуктов на основе данных кинетического и физико-химического исследования процесса, идентификации и сопоставления состава продуктов, образующихся в проточных и стационарных (автоклавных) условиях процесса.
Получены систематические данные о поведении основных компонентов древесной биомассы ( целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина) в процессе взрывного автогидролиза и о влиянии параметров процесса на состав автогидролизо-ванной древесины и образующихся водорастворимых продуктов.
Предложены способы переработки автогидролизованной древесины лиственных и хвойных пород в левулиновую кислоту и ароматические альдегиды.
Предложены новые эффективные способы получения из древесного сырья ценных органических соединений:
левоглюкозенона из гексозанов древесины и глюкозы;
левулиновой кислоты из левоглюкозенона и гексозанов древесины;
гидроксиметилфурфурола, его производных и сложных эфиров левулиновой кислоты из левоглюкозенона.
Практическая цепиость работы. Полученные данные о химизме термокаталитических превращений древесной биомассы в среде водяного пара с образованием таких продуктов как левоглюкозенон, левулиновая кислота, гидроксиме-тилфурфурол и их производные могут быть использованы при разработке комплексных и безотходных технологий переработки древесины в ценные химические продукты (консерванты, стимуляторы роста растений, полимерные материалы).
На основе установленных закономерностей превращения компонентов древесины в условиях взрывного автогидролиза предложена схема безотходной переработки древесины, включающая получение ценных органических соединений (левулиновую кислоту и ароматические альдегиды).
Аппобания работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании "Экстрактивные вещества древесных растений" (Красноярск, 1986), 2 региональной конференции "Аналитика Сибири-86" (Красноярск, 1986), Всесоюзном совещании "Современные проблемы древесиноведения" (Красноярск, 1987), XVI Черняевском совещании по комплексным соединениям (Красноярск, 1988), Всесоюзном совещании "Современные про-
б блемы химической технологии" (Красноярск 1989), V Всесоюзной конференции
по механизму каталитических реакций (Москва, 1990), X конференции по экстракции (Уфа, 1994), 1 совещании "Лесохимия и органический синтез" (Сыктывкар, 1994), 8-th. Int. Symp. Wood and Pulp. Chem. (Helsinku, 1995), международной конференции "Экотехнология-96" (Иркутск, 1996), 4 международной конференции "Наукоёмкие химические технологии" (Волгоград, 1996), 2 совещании "Лесохимия и органический синтез" (Сыктывкар, 1996), на 3 Международном симпозиуме "Катализ в превращениях угля" (Новосибирск, 1997).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 39 публикациях в журналах и сборниках трудов Международных, Всесоюзных и региональных конференций, симпозиумов и совещаний.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 315 страницах, включает 58 таблиц и 70 рисунков и состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 223 источников.