КОЛЛОИДНЫМ ЖУРНАЛ, 2007, том 69, № 5, с. 718-720
КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ
УДК 676.014.34:547.992.3+676.024.43
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ВОДНЫХ ДИСПЕРСИЙ СУЛЬФАТНОГО ЛИГНИНА ОТ рН МЕТОДОМ ФИЛЬТРАЦИИ НА ТРЕКОВЫХ МЕМБРАНАХ
© 2007 г. И. С. Рудакова*, Л. М. Молодкина**, Ю. М. Чернобережский*, А. Б. Дягилева*
*Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров
198095 Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 4 **Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 Поступила в редакцию 13.02.2007 г.
Методом фильтрации на трековых мембранах с размером пор 30-200 нм исследована агрегативная устойчивость низкоконцентрированных (10 мг/л) водных дисперсий сульфатного лигнина в широком диапазоне рН (9.40-2.15). Показано, что при всех исследованных значениях рН раствор сульфатного лигнина является полидисперсной системой. С понижением рН размер частиц сульфатного лигнина возрастает, тогда как степень полидисперсности системы в исследуемой области размеров частиц (30-200 нм) уменьшается.
ВВЕДЕНИЕ
Сульфатный лигнин (СЛ) - органический полиэлектролит, образующийся при сульфатной варке целлюлозы. Он является одним из основных загрязняющих веществ сточных вод сульфатно-целлюлозных производств [1]. Достигнуты значительные успехи при изучении строения лигнина, исследовании его функциональных групп и типов внутримолекулярных связей, а также в области его промышленного использования [2]. Тем не менее, вопросы, относящиеся к коллоидно-химическим свойствам СЛ, не только продолжают оставаться актуальными, но и вызывают все возрастающий интерес. Это обусловлено тем, что изучение свойств СЛ важно не только для выяснения механизма делегнифика-ции целлюлозы при ее варке [3] и нахождения путей повышения степени очистки сточных вод, но и для дальнейшей утилизации СЛ. Таким образом, получение новой информации о закономерностях агрегации в водных дисперсиях СЛ представляет интерес как для фундаментальной науки, так и для решения прикладных задач.
Данная работа является продолжением ранее опубликованных работ [4-7], посвященных исследованию агрегативной и седиментационной устойчивости водных дисперсий сульфатного лигнина в широком интервале значений рН методами спектрофотометрии и поточной ультрамикроскопии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В экспериментах использовали СЛ, представляющий собой среднюю пробу опытно-промыш-
ленной партии, полученной в лигнинном цехе Архангельского целлюлозно-бумажного комбината. Лигнин осаждали из черного щелока подкислени-ем серной кислотой. Приготовление исследуемой системы проводили следующим образом. Навеску 100 мг СЛ растворяли в 100 мл 0.01 н. КаОй, после чего выдерживали не менее 24 ч для достижения его полного растворения. Далее 1 мл полученного раствора разбавляли 100 мл 0.001 н. КаОЙ. Приготовленный таким образом раствор содержал 10 мг/л СЛ. Для регулирования величины рН использовали 0.1 н. раствор Й^О4 и 1 н. раствор КаОй.
Для исследования агрегативной устойчивости дисперсии сульфатного лигнина в широком диапазоне рН был использован метод мембранной фильтрации в тупиковом режиме на трековых мембранах [8] с размерами пор 200, 100, 70, 50 и 30 нм. Применяли фильтрационную ячейку (объем 200 см3, площадь поперечного сечения 25.5 см2) производства Института аналитического приборостроения. Фильтрацию приготовленной дисперсии СЛ осуществляли последовательно через трековые мембраны с убывающим размером пор.
Эффективность фильтрационной задержки СЛ оценивали по следующей формуле:
Е = (Ц0 - Ц)/Ц0 X 100%,
где Ц0 - величина оптической плотности исходного раствора СЛ, Ц - величина оптической плотности фильтрата.
Величину оптической плотности исходного раствора и фильтратов СЛ определяли на фото-
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ
719
Рис. 1. Зависимость эффективности фильтрационной задержки сульфатного лигнина от размера пор трековых мембран при значениях рН: 9.4 (1), 8.4 (2), 5.75 (3), 4.65 (4), 3.25 (5), 2.15 (6).
электроколориметре КФК-3-01 при длине волны 480 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Найденные зависимости эффективности фильтрационной задержки СЛ, Е, от размера пор трековых мембран ё при различных значениях рН приведены на рис. 1.
Как следует из рис. 1 (кривая 1) при рН 9.40 СЛ в воде представляет собой полидисперсную систему, о чем свидетельствует увеличение эффективности фильтрации по мере уменьшения размера пор фильтров. Так, после пропускания исследуемого раствора через фильтр с размером пор 200 нм эффективность фильтрации практически равна нулю, а после пропускании через фильтры с размером пор 100, 70, 50 и 30 нм возрастает до 6%, 24%, 36% и 86% соответственно.
Понижение рН до 8.40 приводит к некоторому увеличению эффективности фильтрационного выделения СЛ (рис. 1, кривая 2), которая теперь составляет 6%, 13%, 26%, 38% и 94% после пропускания системы через фильтры с размером пор 200, 100, 70, 50 и 30 нм соответственно. Дальнейшее понижение рН до 5.75 приводит к появлению большего количества крупных частиц (11%), размеры которых превышают 200 нм (рис. 1, кривая 3).
Ход зависимости Е(ё) значительно изменяется при переходе к рН 4.65 и далее к 3.25 и 2.15. Содержание мелких частиц в системе резко падает, тогда как доля крупных (более 200 нм) возрастает, составляя, соответственно, 47%, 85% и 95% (рис. 1, кривые 4,5 и 6).
Все приведенные выше данные свидетельствуют об уменьшении агрегативной устойчивости
Содержание, %
10 987654321
рН
Рис. 2. Зависимость процентного содержания частиц сульфатного лигнина с размерами <30 (1), 30-50 (2), 50-70 (3), 70-100 (4), 100-200 (5), >200 нм (6) от рН.
дисперсии СЛ по мере понижения рН системы. Наиболее ярко этот эффект проявляется в области рН 3-2, что находится в согласии с ранее полученными данными методом поточной ультрамикроскопии [4].
Более наглядно уменьшение агрегативной устойчивости системы и, как следствие этого, изменение ее дисперсного состава демонстрирует рис. 2, на котором приведена зависимость процентного содержания частиц сульфатного лигнина различных размеров от рН системы. Как видно из рисунка, в области рН 9-6 преобладают частицы с размерами от 30 до 50 нм (кривая 2), а в области рН 4-2 - частицы, размер которых превышает 200 нм (кривая 6).1
Найденные зависимости размеров частиц водных дисперсий СЛ от рН могут быть объяснены следующим образом. Понижение рН снижает величину плотности отрицательного поверхностного заряда частиц СЛ, обусловленную диссоциацией фенольных гидроксилов (рКрЬеп ~ 10.5-11) [9] и карбоксильных групп (р^соон < 4.75) [10], обеспечивающих агрегативную устойчивость системы. При рН 2.15, в условиях приближения к изоэлектриче-скому состоянию частиц СЛ (точка нулевого заряда и изоэлектрическая точка СЛ находятся, согласно данным [5, 6], при рН 2.0), диссоциация фенольных гидроксилов полностью отсутствует, а плотность поверхностного заряда, обусловленная незначительной диссоциацией карбоксильных групп, уже является недостаточной для сохранения агрегатив-
1 Расчеты (в статье они не приводятся) показали, что в условиях проведенных экспериментов динамическая мембрана не образуется.
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 69 < 5 2007
720
РУДАКОВА и др.
ной устойчивости водной дисперсии сульфатного лигнина.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мартон Д. // Лигнины (структура, свойства и реакции) / Под ред. Сарканена К.В., Людвига К.Х. М.: Лесная промышленность, 1975. С. 441.
2. Карманов А.П. Самоорганизация и структурная организация лигнина. Екатеринбург: УрО РАН, 2004.
3. Norgren M, Edlund H, Wagberg L. et al. // Colloids Surf. A. 2001. V. 194. P. 85.
4. Чернобережский Ю.М., Рудакова И.С, Лоренц-сон A.B. // Коллоид. журн. 2007. Т. 69. C. 261.
5. Чернобережский Ю.М., Дягилева A.B. // Коллоид. журн. 1990. Т. 52. С. 1213.
6. Чернобережский Ю.М., Дягилева A.B. // Коллоид. журн. 1995. Т. 57. С. 132.
7. Атанесян A.A. Дис. ... канд. хим. наук. СПб: СПбГ-ТУРП, 2003.
8. Черкасов А Н, Власова О.Л., Царева С В. и др. // Коллоид. журн. 1990. Т. 52. С. 323.
9. Лей ИЗ, Сарканен К В. // Лигнины (структура, свойства и реакции) / Под ред. Сарканена К.В., Людвига К.Х. М.: Лесная промышленность, 1975. С. 79.
10. Грушников О.П, Елкин В В. Достижения и проблемы химии лигнина. М.: Наука, 1973.
КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ том 69 < 5 2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.