Розробка технологій одержання із недеревної рослинної сировини наноцелюлози та її використання у виробництві паперу і картону

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБарбаш, Валерій Анатолійович
dc.contributor.authorЯкименко, Ольга Сергіївна
dc.date.accessioned2025-06-12T13:10:24Z
dc.date.available2025-06-12T13:10:24Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractЯкименко О.С. Розробка технологій одержання із недеревної рослинної сировини наноцелюлози та її використання у виробництві паперу і картону. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 «Хімічна технологія та інженерія» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Концепція циркулярної економіки передбачає замкнутий кругообіг речовин у природі і максимальне збереження сировини в процесах виробництва товарів широкого споживання, до яких відноситься, зокрема, картоннопаперова продукції. У світовій целюлозно-паперовій промисловості основним джерелом для виробництва паперу і картону залишається целюлоза із хвойних і листяних порід деревини. У контексті стійкого розвитку та збереження лісових ресурсів актуальною проблемою для України, як країни з розвинутим сільським господарством, є розробка екологічно безпечних технологій виробництва целюлозовмісних матеріалів із недеревної рослинної сировини (НДРС), яка має низьку вартість у порівнянні з деревиною і щорічно відновлюється. Для досягнення необхідних показників якості паперу і картону у процесі їх виробництва, як правило, додають різні хімічні допоміжні речовини (ХДР) із вичерпних джерел – нафти, газу, вугілля, що призводить до забруднення довкілля. В останні роки в світовій практиці активно розвиваються дослідження, спрямовані на переробку рослинної сировини у целюлозовмісні матеріали з високою доданою вартістю, зокрема у наноцелюлозу (НЦ), що має унікальні властивості: високі значення модулю пружності, висока питома поверхня, оптична прозорість, хімічна реакційна здатність, низький коефіцієнт теплового розширення, здатність до біологічного розкладання і біосумісність, низька легкість і вартість виробництва в порівнянні із синтетичними полімерами. До асортименту багатотоннажної картонно-паперової продукції відносяться такі технічні її види, як: електроізоляційний папір, папір-основа для шпалер, папір для пакування харчових продуктів, картон для плоских шарів гофрокартону, картон тарний вологостійкий, тощо. Для досягнення передбачених стандартами специфічних показників якості такої продукції необхідна наявність розроблених відповідних ресурсозберігаючих технологій їх виробництва, зокрема з використанням наноцелюлози для покращення показників якості паперу і картону та зменшення витрати шкідливих синтетичних ХДР. Тому розробка екологічно безпечних способів одержання із НДРС целюлози і наноцелюлози та використання їх у виробництві паперу і картону є актуальною науково-практичною задачею. Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні розроблення інноваційних технологічних підходів до отримання з вітчизняної недеревної рослинної сировини наноцелюлози та визначення оптимальних її витрат в композиції технічних видів паперу і картону для досягнення їх експлуатаційних характеристик. Для реалізації мети було сформульовано наступні завдання: 1. Удосконалити методику одержання із пожнивних решток кукурудзи, стебел соняшника, очерету, волокон конопель целюлози, придатної для подальшої екстракції з неї наноцелюлози. 2. Визначити вплив технологічних параметрів процесів одержання наноцелюлози методами гідролізу розчинами сульфатної кислоти, окиснення в середовищі 2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу (ТЕМПО) та глибоких евтектичних розчинників (DES) на показники її якості. 3. Встановити вплив додавання отриманої наноцелюлози у волокнисту композицію і на поверхню зразків паперу і картону на показники їх якості та на зменшення витрат шкідливих хімічних допоміжних речовин. 4. Визначити точки введення наноцелюлози у технологічні потоки виробництва паперу і картону. Об’єкт дослідження – екологічно безпечні процеси перероблення НДРС у целюлозу і наноцелюлозу та використання їх у виробництві масових видів паперу і картону. Предмет дослідження – технологічні параметри процесів одержання з вітчизняної НДРС целюлози і наноцелюлози та рекомендованих їх витрат у процесах виробництва масових видів картонно-паперової продукції. Наукова новизна отриманих результатів: - теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність комбінування стадій лужної обробки та пероцтового варіння з метою отримання целюлози з пожнивних решток кукурудзи, стебел соняшника, очерету та волокон конопель, придатної для екстракції з неї наноцелюлози; - встановлено зростання показників якості наноцелюлози (щільності, міцності на розрив, прозорості, індексу кристалічності, термічної стабільності) у такій послідовності залежно від середовища її одержання: глибоких евтектичних розчинників – 2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу – сульфатної кислоти; - встановлено лінійну кореляцію між міцністю на розрив і прозорістю наноцелюлози та щільністю наноцелюлозних плівок. Удосконалено та отримало подальший розвиток: - способи одержання органосольвентної целюлози, визначено оптимальні параметри органосольвентного варіння різних представників НДРС для одержання целюлози з мінімальним залишковим вмістом лігніну та зольності; - способи одержання картонно-паперової продукції широкого споживання з використанням наноцелюлози як зміцнюючого реагенту для заміни традиційних та небезпечних для навколишнього середовища синтетичних хімічних допоміжних речовин. В першому розділі дисертаційної роботи описано сучасний стан із використанням НЦ у виробництві паперу і картону. Виконано порівняльний аналіз характеристик рослинної сировини для одержання целюлози для виготовлення НЦ. Описано характеристики методів отримання різних видів НЦ із рослинної сировини. Охарактеризовано наноцелюлозу як зміцнюючу добавку в композиції паперу та картону. Обґрунтовано вибір напряму досліджень. В другому розділі дисертаційної роботи розглянуто об’єкти, методи та методики досліджень. Наведено характеристики вихідної рослинної сировини. Описано методи одержання органосольвентної целюлози з НДРС, та НЦ як з деревної, так і з недеревної целюлози. Описано методики виготовлення картонно-паперової продукції за використання НЦ та прилади контролю. Описано методи математичної обробки результатів експериментальних даних. Третій розділ присвячено одержанню целюлози і НЦ із досліджених представників вітчизняної НДРС: із пожнивних решток кукурудзи, стебел соняшника та очерету, конопляних волокон методами кислотного гідролізу та окислення в середовищі ТЕМПО, а також НЦ з сульфатної хвойної невибіленої целюлози. Визначено оптимальні значення параметрів відповідних технологічних процесів. Четвертий розділ присвячено розробці технологій використання НЦ із НДРС у композиції паперу і картону, зокрема: паперу для пакування харчових продуктів, паперу-основи для шпалер, електроізоляційного паперу, картону для плоских шарів гофрокартону і тарного макулатурного вологостійкого. Запропоновано технологічні схеми виробництва паперу і картону з використанням наноцелюлози із НДРС в їх волокнистих композиціях. Показано, що економічний ефект від використанням очеретяної НЦ в композиції паперу для пакування харчових продуктів масою 110 г/м2 для виробництва пакетів для фасування бакалійних виробів масою до 5 кг продуктивністю 50 тис. т на рік становитиме до 1,5 млн. грн. на рік.
dc.description.abstractotherYakymenko O.S. – Development of technologies for obtaining nanocellulose from non-wood plant raw materials and its use in the production of paper and cardboard. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 161 «Chemical technology and engineering» – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The concept of a circular economy provides for a closed cycle of substances in nature and maximum conservation of raw materials in the production processes of consumer goods, which include, in particular, cardboard and paper products. In the global pulp and paper industry, the main source for the production of paper and cardboard remains cellulose from coniferous and deciduous wood species. In the context of sustainable development and conservation of forest resources, an urgent problem for Ukraine, as a country with developed agriculture, is the development of environmentally friendly technologies for the production of cellulose-containing materials from non-wood plant raw materials (NWRM), which has a low cost compared to wood and is annually renewed. To achieve the required quality indicators of paper and cardboard, various chemical auxiliaries from exhaustible sources – oil, gas, coal – are usually added during their production, which leads to environmental pollution. In recent years, research has been actively developing in world practice aimed at processing plant raw materials into cellulose-containing materials with high added value, in particular nanocellulose (NC), which has unique properties: high values of the elastic modulus, high specific surface area, optical transparency, chemical reactivity, low coefficient of thermal expansion, biodegradability and biocompatibility, low lightness and cost of production compared to synthetic polymers. The range of high-tonnage cardboard and paper products includes such technical types as: electrical insulating paper, wallpaper base paper, food packaging paper, cardboard for flat layers of corrugated cardboard, moisture-resistant container cardboard, etc. To achieve the specific quality indicators of such products stipulated by the standards, it is necessary to have developed appropriate resource-saving technologies for their production, in particular using nanocellulose to improve the quality indicators of paper and cardboard and reduce the consumption of harmful synthetic chemical auxiliaries. Therefore, the development of environmentally safe methods for obtaining cellulose and nanocellulose from NWRM and their use in the production of paper and cardboard is an urgent scientific and practical task. The purpose of the dissertation work is consists in the scientific substantiation of the development of innovative technological approaches to obtaining nanocellulose from domestic non-wood plant raw materials and determining its optimal consumption in the composition of technical types of paper and cardboard to achieve their operational characteristics. To implement the goal, the following tasks were formulated: 1. To improve the method of obtaining cellulose from corn crop residues, sunflower stalks, reeds, hemp fibers, suitable for further extraction of nanocellulose from it. 2. To determine the influence of technological parameters of the processes of obtaining nanocellulose by methods of hydrolysis with sulfuric acid solutions, oxidation in the environment of 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) and deep eutectic solvents (DES) on its quality indicators. 3. To establish the influence of adding the obtained nanocellulose to the fibrous composition and to the surface of paper and cardboard samples on their quality indicators and on reducing the consumption of harmful chemical auxiliaries. 4. To determine the points of introduction of nanocellulose into the technological flows of paper and cardboard production. The object of the study is environmentally safe processes for the processing of NWRM into cellulose and nanocellulose and their use in the production of mass types of paper and cardboard. The subject of the study is the technological parameters of the processes for obtaining cellulose and nanocellulose from domestic NWRM and their recommended costs in the processes of producing mass types of cardboard and paper products. Scientific novelty of the results obtained: - the feasibility of combining the stages of alkaline treatment and peracetic cooking in order to obtain cellulose from corn crop residues, sunflower stalks, reeds and hemp fibers, suitable for the extraction of nanocellulose from it, has been theoretically substantiated and experimentally confirmed; - an increase in the quality indicators of nanocellulose (density, tensile strength, transparency, crystallinity index, thermal stability) has been established in the following sequence depending on the environment of its production: deep eutectic solvents - 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl - sulfuric acid; - a linear correlation has been established between the tensile strength and transparency of nanocellulose and the density of nanocellulose films. Improved and further developed: - methods for obtaining organosolvent cellulose, optimal parameters for organosolvent cooking of various representatives of NWRM for obtaining cellulose with minimal residual lignin and ash content have been determined; - methods for obtaining cardboard and paper products for mass consumption using nanocellulose as a strengthening reagent to replace traditional and environmentally hazardous synthetic chemical auxiliaries. The first section of the dissertation describes the current state of the use of NC in the production of paper and cardboard. A comparative analysis of the characteristics of plant raw materials for obtaining cellulose for the manufacture of NC was performed. The characteristics of the methods for obtaining various types of NC from plant raw materials are described. NC is characterized as a strengthening additive in the composition of paper and cardboard. The choice of the research direction is justified. In the second section of the dissertation work, the objects, methods and research techniques are considered. The characteristics of the initial plant raw materials are given. Methods for obtaining organosolvent cellulose from NWRM, and NC from both wood and non-wood pulp are described. Methods for manufacturing cardboard and paper products using NC and control devices are described. Methods for mathematical processing of experimental data results are shown. The third section is devoted to the production of cellulose and NC from domestic NWRM, in particular from corn crop residues, sunflower and reed stalks, hemp fibers by methods of acid hydrolysis and oxidation in TEMPO medium, as well as NC from sulfate coniferous unbleached cellulose. The optimal values of the parameters of the relevant technological processes were determined. The fourth section is devoted to the development of technologies for the use of NC with NWRM in the composition of paper and cardboard, in particular: paper for packaging food products, base paper for wallpaper, electrical insulating paper, cardboard for flat layers of corrugated cardboard and moisture-resistant packaging waste paper. Technological schemes for the production of paper and cardboard using nanocellulose with NWRM in their fibrous compositions are proposed. It is shown that the economic effect of using reed NC in the composition of paper for packaging food products weighing 110 g/m2 for the production of bags for packing grocery products weighing up to 5 kg with a capacity of 50 thousand tons per year will be up to 1.5 million UAH per year. According to the results of the dissertation work, 24 scientific papers were published, of which: 2 articles - in scientific professional publications from the list of the Ministry of Education and Science of Ukraine; 11 articles in publications indexed by the scientometric databases Scopus and Web of Science, 11 abstracts of reports in the proceedings of scientific conferences.
dc.format.extent206 с.
dc.identifier.citationЯкименко, О. С. Розробка технологій одержання із недеревної рослинної сировини наноцелюлози та її використання у виробництві паперу і картону : дис. … д-ра філософії : 161 Хімічні технології та інженерія / Якименко Ольга Сергіївна. – Київ, 2025. – 206 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74233
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectнедеревна рослинна сировина
dc.subjectорганосольвентне варіння
dc.subjectцелюлоза
dc.subjectгідроліз
dc.subjectнаноцелюлоза
dc.subjectпапір
dc.subjectкартон
dc.subjectnon-wood plant raw material
dc.subjectorganosolvent cooking
dc.subjectcellulose
dc.subjecthydrolysis
dc.subjectnanocellulose
dc.subjectpaper
dc.subjectcardboard
dc.subject.udc676.14 + 676.3 + 676.614
dc.titleРозробка технологій одержання із недеревної рослинної сировини наноцелюлози та її використання у виробництві паперу і картону
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Yakymenko_dys.pdf
Розмір:
6.55 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕТРП)
Дисертації (вільний доступ)