авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Научные основы использования гумусовых кислот как катализаторов и интенсификаторов химико-текстильных процессов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Вашурина Ирина Юрьевна

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГУМУСОВЫХ КИСЛОТ

КАК КАТАЛИЗАТОРОВ И ИНТЕНСИФИКАТОРОВ

ХИМИКО-ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

05.19.02 Технология и первичная обработка

текстильных материалов и сырья

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

Иваново-2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» и в Учреждении Российской академии наук «Институт химии растворов РАН»

Научный консультант –

доктор химических наук, член-корреспондент РАН

Койфман Оскар Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кричевский Герман Евсеевич

доктор химических наук, старший научный сотрудник

Телегин Феликс Юрьевич

доктор химических наук, профессор

Клюев Михаил Васильевич

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина»

Защита состоится «12.» октября 2009 г. в 10 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»

по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»

по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

.

Автореферат разослан « …. » сентября 2009 г.

Ученый секретарь совета Д 212.063.03 Шарнина Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из наиболее острых экологических проблем в текстильной промышленности является выброс в окружающую среду жидких отходов отделочного производства, поскольку именно в них аккумулируются самые вредоносные неиспользованные соединения, главным образом, красители и текстильно-вспомогательные вещества. В свете сложившейся ситуации, очевидны актуальность и своевременность таких исследований, которые направлены на создание научных основ использования в качестве текстильных вспомогательных веществ безопасных как для гидросферы, так и для человека природных соединений. Желательно, чтобы их внедрение в химико-текстильные процессы открывало новые возможности интенсификации последних, а также повышения степени полезного использования красителей и химических реагентов. При этом производство природных текстильных вспомогательных веществ не должно наносить ущерба окружающей среде, следовательно, их сырьевой источник должен быть возобновляемым, а технология выделения – безвредной и безотходной. Замена в традиционных технологических составах экологически опасных синтетических препаратов на природные соединения обеспечивает повышение экологического статуса не только производства текстильных изделий, но и их самих. Именно этот подход к усовершенствованию химико-текстильных технологий реализован в настоящей работе.

В качестве природных соединений, способных составить основу новых препаратов для интенсификации и экологизации химико-текстильных процессов, предложено использовать гумусовые кислоты, а в качестве сырья для их производства – торф. Благодаря постоянному росту торфяной залежи, количество торфа в России ежегодно увеличивается на 250 млн. тонн, что значительно больше, чем потребляется в настоящее время. Выделение гумусовых кислот из торфа осуществляется экстракцией слабыми растворами щелочей, при этом нерастворимый остаток может быть использован как органическое удобрение.

Гумусовые кислоты, синтезирующиеся в природе по принципам естественного отбора наиболее устойчивых к биоразложению структур, представляют собой объекты стохастического (вероятностного) характера и в иерархии сложности строения органических соединений занимают одну из самых высоких ступенек. Вместе с тем, фундаментальными исследованиями последних лет выявлена типологизируемость систем гумусовых кислот и доказана хорошая воспроизводимость свойств препаратов при их повторном выделении из природных источников одного и того же происхождения по единой методике. Это открывает возможность стандартизации гуминовых препаратов для текстильной химии при их промышленном выпуске.

Перспективность гумусовых кислот как потенциальных вспомогательных препаратов для химико-текстильных технологий связана, прежде всего, с их каталитической активностью в редокс процессах, обусловленной наличием в их молекулах обратимо восстанавливающихся и окисляющихся хинонно-фенольных группировок и ионов переходных металлов, входящих в состав прочных комплексов с органической матрицей. Ориентация на каталитические процессы, в свете принципов зеленой химии, преследует цель достижения полноты использования агрессивных химических реагентов. В сфере химико-текстильного производства это особенно актуально для процессов восстановления кубовых красителей серосодержащими восстановителями и окисления крахмала хлорсодержащими окислителями.

Другими ценными свойствами гумусовых кислот являются их выраженная склонность к гидрофобным взаимодействиям в растворе, поверхностная активность, способность стабилизировать коллоидные системы, хорошая совместимость с полимерами различного молекулярного строения. Наиболее полно перечисленные свойства гумусовых кислот могут быть реализованы при их включении в составы для колорирования тканей не растворимыми в воде кубовыми красителями, когда необходимо использование специальных выравнивателей и диспергаторов, а также в процессах, основанных на применении крахмалсодержащих препаратов.

Поскольку по данному целевому назначению гумусовые кислоты ранее не применялись совершенно, очевидна необходимость и своевременность научного обоснования и экспериментального исследования их каталитической активности и интенсифицирующего действия в химико-технологических процессах. Совокупные результаты работы можно рассматривать как новое научно-техническое направление в области химии и технологии текстильных материалов.

Работа выполнена по планам НИР Института химии растворов РАН на 1998-2006 г.г. и Ивановского государственного химико-технологического университета на 2007-2009 г.г., а также при поддержке грантами РФФИ № 05-04-96405 (р), 06-04-08048 (офи) и проектом «СТАРТ-2006» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Государственный контракт № 4302 р/6530).

Цель работы заключалась в создании научных основ использования гумусовых кислот в качестве редокс-катализаторов и интенсификаторов химических и физико-химических процессов текстильной химии, протекающих в жидкофазных системах (растворах, гидрогелях и т.п.); в разработке на базе развитых представлений новых составов для колорирования тканей кубовыми красителями и шлихтования хлопчатобумажной пряжи, отличающихся более высокими технологическими и экологическими характеристиками, чем традиционные.

В работе были решены следующие научные и практические задачи:

  • Спектрофотометрическим методом, с привлечением современных способов обработки данных и собственных оригинальных методик, проведено системное изучение влияния гумусовых кислот, выделенных из торфа, на состояние в водных средах органических красителей ионогенного и неионогенного типа. Сформированы представления о механизмах взаимодействия лейкосоединений кубовых красителей с гумусовыми кислотами и вскрыты причины интенсификации гумусовыми кислотами процессов массопереноса красителей из раствора в волокнистый субстрат при крашении тканей.
  • Опираясь на результаты комплексной оценки редокс превращений в гумусовых кислотах и всестороннего исследования воздействия гумусовых кислот на кинетику восстановления серосодержащими восстановителями сульфированных 1,4-диаминозамещенных антрахинона (кислотных красителей) как модельных водорастворимых соединений, обоснован механизм катализа гумусовыми кислотами реакции восстановления не растворимых в воде кубовых красителей. Сопоставлена каталитическая активность гумусовых кислот и традиционных синтетических катализаторов, применяемых в процессах колорирования текстильных материалов кубовыми красителями.
  • Впервые рядом фундаментальных методов охарактеризовано влияние гумусовых кислот торфа на процесс образования гидрогелей крахмала в широком диапазоне концентраций щелочного и окисляющего реагентов. Выявлены существенные химические и структурные превращения в крахмальных гидрогелях, приводящие к комплексному улучшению их технологических характеристик. Доказано, что в основе выявленных эффектов лежит катализ гумусовыми кислотами реакции окисления крахмала бензолсульфохлорамидом.
  • На базе развитых представлений о каталитической и интенсифицирующей роли гумусовых кислот в изученных химических и массообменных процессах, разработаны новые технологические составы для колорирования тканей кубовыми красителями и шлихтования хлопчатобумажной пряжи, отличающиеся более высоким экологическим статусом и более высокой эффективностью.

Общая характеристика объектов и методов исследования. Гумусовые кислоты торфа, являвшиеся объектом внедрения в химико-текстильные технологии в качестве текстильно-вспомогательных веществ полифункционального действия, исследовали в виде водорастворимой натриевой соли (гумата). Препарат гумата натрия выделяли из низинного торфа экстракцией 0.1 N раствором гидроксида натрия, нейтрализовали соляной кислотой и подвергали диализу для освобождения от низкомолекулярных примесей. Охарактеризован элементный, микроэлементный состав препарата и содержание основных функциональных группировок. В работе использованы очищенные и технические красители, содержащие в молекулах хинонные группировки – кислотные (1,4-диаминопроизводные антрахинона) и кубовые (полициклические), текстильно-вспомогательные вещества выравнивающего и диспергирующего действия, синтетические катализаторы восстановления кубовых красителей, серосодержащие восстановители (гидроксиметансульфинат натрия, диоксид тиомочевины, дитионит натрия), бензолсульфохлорамид, гидроксид натрия, супероксид калия, пероксид водорода и другие реагенты. Волокнистыми субстратами являлись хлопчатобумажный миткаль, льняная ткань, хлопчатобумажная пряжа нескольких видов.

В исследованиях применены современные фундаментальные методы – спектрофотометрический, кинетический, потенциометрический, вискозиметрический, разнообразные аналитические методики – как стандартные, так и оригинальные. Моделирование технологических процессов колорирования тканей и шлихтования пряжи проводили на стандартных и модифицированных приборах и специально созданных лабораторных установках.

Показатели эффективности колорирования текстильных материалов, физико-механические характеристики пряжи и полимерных пленок оценивали по соответствующим ГОСТам, а также с использованием специально разработанных методик.

Научная новизна. Впервые предложено использовать природные гумусовые кислоты в их водорастворимой солевой форме как новый тип экологически безопасных и нетоксичных текстильно-вспомогательных веществ. Научно обосновано применение гумусовых кислот, выделенных из торфа, в качестве эффективных редокс катализаторов и интенсификаторов химико-текстильных процессов.

Наиболее значимые научные результаты, полученные впервые:

  • Установлены закономерности влияния гумусовых кислот на состояние в растворе восстановленных форм кубовых красителей (лейкокислоты и соли лейкокислоты), а также на сорбцию и диффузию красителей в целлюлозном волокне; вскрыты причины интенсификации гумусовыми кислотами массообменных процессов при крашении тканей из целлюлозных волокон кубовыми красителями;
  • Кинетическими и потенциометрическими исследованиями выявлено наличие в торфяных гумусовых кислотах двух типов обратимо восстанавливающихся фрагментов, которыми являются ионы переходных металлов, входящие в состав прочных комплексов с органической частью молекул, и хинонные/карбонильные группы.

    Первые восстанавливаются исключительно легко (совместно с растворенным кислородом), вторые – по завершении восстановления активных форм кислорода, накапливающихся в растворе в результате взаимодействия растворенного кислорода с серосодержащими восстановителями;

  • С использованием модельных водорастворимых объектов (кислотных антрахиноновых красителей) экспериментально доказана каталитическая активность гумусовых кислот торфа в реакции восстановления кубовых красителей гидроксиметансульфинатом натрия и диоксидом тиомочевины, по эффективности сопоставимая с активностью традиционных катализаторов, но реализующаяся при концентрациях, на порядок меньших;
  • Обнаружено и подтверждено экспериментально выраженное антиоксидантное действие гумусовых кислот торфа в водных щелочных средах, проявляющееся в диспропорционировании супероксид ион-радикала и пероксид иона; препятствуя накоплению в жидких технологических составах указанных активных форм кислорода, гумусовые кислоты направляют восстановитель на взаимодействие с красителем и тем обеспечивают возможность существенного снижения расхода восстановителя;
  • Установлен факт катализа гумусовыми кислотами реакции окисления крахмала бензолсульфохлорамидом, входящим в состав крахмальных гидрогелей для шлихтования хлопчатобумажной пряжи; результатом катализа является возрастание в полтора раза содержания карбоксильных групп в крахмале и практически полное расходование окислителя;
  • Выявлено мощное разрушающее воздействие добавок малых количеств гумусовых кислот в крахмальные шлихтующие гели на их структуру, проявляющееся в переходе к ньютоновскому режиму течения; доказано, что в основе эффекта лежит не деполимеризация полисахарида, а разрушение межмолекулярных связей в гелях;
  • Экспериментально показано, что применение крахмально-гуматных клейстеризованных составов в шлихтовании хлопчатобумажной пряжи обеспечивает комплексное улучшение ее свойств, обусловленное значительным повышением текучести шлихтующего состава, увеличением его адгезии к целлюлозному волокну, а также существенным возрастанием эластичности образующейся полимерной пленки.

Практическая значимость. Совокупность результатов фундаментальных исследований и базирующихся на них технологических разработок следует расценивать как новое перспективное научно-техническое направление. Предложены новые составы для колорирования тканей кубовыми красителями и шлихтования хлопчатобумажной пряжи, позволяющие, благодаря наличию в них малых количеств гумусовых кислот, поднять экологический и экономический статус действующих технологий за счет исключения ряда синтетических текстильно-вспомогательных препаратов, увеличения степени полезного использования реагентов, сокращения энергозатрат на тепловые обработки. Производство гуматов может быть организовано по безотходным экологически чистым крупнотоннажным технологиям. Итогом внедрения гумусовых кислот в химико-текстильные процессы будет являться повышение экологичности и экономичности химико-текстильных технологий и сокращение объема производства синтетических препаратов.

Практическая часть диссертации включает успешные промышленные испытания и внедрение ряда технологических разработок.

  • Испытаниями, проведенными в отделочном производстве ЗАО «Большая Костромская льняная мануфактура», показано, что включение торфяных гумусовых кислот (препарат «Гумитекс») в составы для печатания льняной ткани кубовыми позволяет вдвое сократить время обработки ткани насыщенным водяным паром, увеличив при этом степень фиксации кубовых красителей на 2-9%.
  • В ходе расширенных испытаний нового крахмального шлихтующего состава, содержащего добавку гумусовых кислот торфа (препарат «Тотекс»), на АО «Кохматекстиль» выявлена возможность сокращения концентрации в шлихте пищевых продуктов (крахмала – с 65 гл-1 до 40 гл-1, муки – с 70 гл-1 до 35 гл-1) и одновременного исключения из нее мягчителя. Последующие процессы ткачества, подготовки суровой ткани и ее печатания активными красителями и пигментами при этом проходили без изменений.
  • В приготовительном и ткацком производствах Лежневской прядильно-ткацкой фабрики (Ивановская область) включение торфяных гуматов (препарат «Тотекс») в крахмальные шлихтующие составы обеспечило возможность их повторного использования после длительных технологических перерывов и полное исключение сброса неиспользованных остатков шлихты в сточные воды. Применение крахмально-гуматных шлихтующих составов привело к уменьшению коэффициента обрывности пряжи в ткачестве на 0.04-0.08%.
  • После успешных производственных испытаний препарат «Тотекс» (торфяные гуматы) внедрен на Лежневской прядильно-ткацкой фабрике.

Все перечисленные выше эффекты, полученные в производствах, подтверждены соответствующими актами об испытаниях и внедрении технологических разработок.

Автор защищает:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.