Выделение, изучение и применение органосольвентных лигнинов (обзор)

Abstract

Проведен анализ последних литературных источников, посвященных методам выделения растворимых органосольвентных лигнинов, их изучению физико-химическими методами и способам переработки в пористые аэрогели и жидкие углеводороды. Выполненный обзор литературы позволил обосновать выбор наиболее актуальных направлений исследований. Для выделения из древесины растворимых лигнинов, не содержащих серу, использованы методы каталитической пероксидной делигнификации в мягких условиях (температура ≤ 100 °С, атмосферное давление) и методы экстракции сверхкритическими органическими растворителями. Молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение образцов этаноллигнина, выделенных из древесины осины и пихты, исследованы с помощью метода гель-проникающей хроматографии. Средневесовая молекулярная масса этаноллигнина пихты равна 478 Да, а этаноллигнина осины – 750 Да. Таким образом, изученные образцы этаноллигнина имеют довольно низкую молекулярную массу, что должно облегчить их дальнейшую переработку в жидкие углеводороды и аэрогели. Для деполимеризации органосольвентных лигнинов в жидкие углеводороды перспективно использовать процессы их каталитической конверсии в сверхкритических низших спиртах. В процессах термической конверсии лигнинов спирты не только экстрагируют продукты термической деполимеризации лигнина, но и способны их алкилировать, предотвращая вторичные реакции образования высокомолекулярных веществ. Твердые кислотные катализаторы позволяют повысить конверсию лигнина и выход жидких углеводородов. Для получения на основе лигнина нового класса нанопористых материалов использованы методы синтеза органических аэрогелей из смесей лигнина с другими природными полимерами и сшивающими агентами типа формальдегида. Установлено, что на строение и свойства пористых материалов аэрогельного типа оказывает влияние не только компонентный состав реакционной смеси, но и способ сушки. Сушка в докритических условиях приводит к образованию ксерогелей, в сверхкритических условиях – аэрогелей, лиофильная сушка – криогелей. Полученные пористые материалы могут иметь очень низкую плотность (около 0,2 г/см3), высокую удельную поверхность (около 500 м2/г) и объем пор около 5 см3/г

The analysis of the literature on the methods of soluble organosolv lignins isolation, their physicalchemical study and on the method of their processing to porous aerogels and liquid hydrocarbons was carried out. A review of the literature allowed us to choice of the most important areas of research. For isolation from wood the soluble lignins free from sulfur the methods of catalytic peroxide delignification at mild conditions (temperature ≤ 100 °C, atmospheric pressure) and methods of lignin extraction by supercritical organic solvents were used. Molecular mass and molecular-mass distribution of ethanol-lignin samples isolated from aspenwood and abies-wood were studied by gel-permeation chromatography. Weighted molecular mass of ethanol-lignin from abies wood is 478 Da and that from aspen wood ethanol-lignin – 750 Da. Thus, the studied samples of ethanol-lignin have rather low molecular mass, what should facilitate their further processing to liquid hydrocarbons and aerogels. For the depolymerization of organosolv lignins to liquid hydrocarbons the processes of their catalytic conversion in supercritical alcohols have good prospects for the use. In the processes of lignin thermal conversion alcohols can to extract the products of lignin depolymerization and to alkylate these products, preventing their repolymerization to high molecular mass substances. To obtain a new class of nanoporous materials based on lignin the methods of organic aerogels synthesis from mixtures of lignin with other natural polymers and crosslinking agents were applied. It was found that the structure and properties of porous materials of aerogel type depend not only from the reaction mixture composition but from the method of drying. Drying in subcritical conditions leads to the formation of xerogels, in supercritical conditions – to the formation aerogels and the freezdrying – of cryogels. Obtained porous materials can have very low density (around 0.2 g/cm3), high specific surface area (to 500 m2/g) and the pore volume near 5 cm3/g