Целлюлоза — удивительное вещество, которое окружает нас повсюду. От бумаги и картона до вискозы и взрывчатки — многие материалы, которые массово используются в нашей жизни, сделаны на основе этого полимера. Давайте разберемся, откуда берется целлюлоза, какие у нее уникальные свойства и где она используется.
Что такое целлюлоза и где она содержится
Целлюлоза - это линейный полимер, состоящий из остатков молекул глюкозы. Ее молекулярная формула: (C6H10O5)n. В природе целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, придавая им прочность и форму.
Целлюлозные волокна образуются в процессе фотосинтеза, когда растения поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород.
Особенно богаты целлюлозой такие культуры как хлопчатник, лен, конопля. В клетках хлопка содержится до 95% целлюлозы. Также ее много в древесине растений.
Методы выделения целлюлозы из растительного сырья
Чтобы получить целлюлозу в чистом виде, растительное сырье измельчают, а затем подвергают химической обработке - варке в щелочном или кислотном растворе. При этом удаляются примеси, такие как лигнин, пектин и др. После варки следует отбеливание и очистка целлюлозы.
- Достоинства химических методов: высокое качество целлюлозы.
- Недостатки: большой расход реагентов, загрязнение стоков.
Альтернативой являются более экологичные ферментативные и механические способы отделения целлюлозы, однако они пока менее эффективны.
Уникальные свойства целлюлозы
В чем же заключается ценность этого полимера, почему он так широко востребован промышленностью? Давайте рассмотрим ключевые качества целлюлозы.
- Прочность. Целлюлозные волокна образуют прочную структуру за счет водородных связей.
- Гидрофильность. Целлюлоза хорошо впитывает и удерживает влагу, не растворяясь в воде.
- Химическая стойкость. Полимер устойчив к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей.
- Способность образовывать сложные эфиры, например, с уксусной кислотой.
Эти свойства позволяют использовать целлюлозу в самых разных областях.
Применение целлюлозы в текстильной промышленности
Текстильщики издавна ценят прочность и гидрофильность целлюлозных волокон. Их используют для производства натуральных тканей из хлопка и льна.
Ацетатный шелк получают путем этерификации целлюлозы уксусной кислотой с последующим формованием волокон.
Кроме того, химическая модификация целлюлозы позволяет создавать искусственные вискозные, ацетатные, медно-аммиачные волокна. Их активно используют как замену натурального шелка.
| Вид волокна | Сырье | Свойства |
| Вискозное | Древесная целлюлоза | Мягкость, гигроскопичность |
| Ацетатное | Хлопковая целлюлоза | Блеск, формоустойчивость |
Таким образом, целлюлоза является базовым компонентом как для натуральных, так и синтетических текстилей.
Применение целлюлозы при производстве бумаги
Основное количество целлюлозы расходуется на изготовление бумажной продукции. Принцип производства бумаги из целлюлозы остается неизменным уже несколько веков.
- Получение целлюлозной массы путем химической варки древесины.
- Отбеливание массы для придания белизны.
- Формование листов бумаги на сетчатом полотне.
- Сушка и наматывание в рулоны.
Современные высокотехнологичные бумагоделательные машины позволяют выпускать до 1000 тонн готовой продукции в сутки.
Для улучшения качества бумаги в массу добавляют наполнители, клеящие вещества. Особо прочные и гладкие сорта бумаги проходят каландрирование - прессование между полировальными валами.
Самая дорогая бумага в мире для изготовления эксклюзивных изданий может стоить более 1000$ за 1 квадратный метр.
Таким образом, качественная целлюлоза - это фундамент для производства самых разных видов бумаги и картона в промышленных масштабах.
Применение целлюлозы
Помимо текстильной и бумажной отраслей, целлюлоза находит широкое применение и в других областях промышленности.
В пищевой индустрии ее используют как загуститель и стабилизатор (Е460) при производстве соусов, джемов, мороженого и др. Пищевые волокна на основе целлюлозы полезны для здоровья кишечника. А целлюлозные оболочки применяют для изготовления колбас.
В фармацевтике целлюлозу применяют для создания оболочек таблеток, капсул, а также перевязочных материалов. А в косметологии на ее основе производят кремы и лосьоны для лица.
Кроме того, идут исследования по получению этанола - альтернативного биотоплива из отходов целлюлозосодержащего сырья, такого как солома, опилки.
Также целлюлозу и ее производные широко используют для изготовления лакокрасочных материалов, пленок, стиральных порошков и многих других продуктов.
Производство биотоплива из целлюлозы
Одно из перспективных направлений - получение этанола для биотоплива из растительных отходов, содержащих целлюлозу. В качестве сырья можно использовать солому злаковых культур, отходы деревообработки, макулатуру.
- Измельчение целлюлозосодержащего сырья и обработка ферментами или кислотой для разрушения полимерной цепи.
- Брожение обработанной массы с помощью дрожжей или бактерий с получением этанола.
- Выделение и очистка биоэтанола методами перегонки и ректификации.
По сравнению с бензином и дизтопливом, целлюлозный этанол является полностью возобновляемым экологичным видом топлива. Его производство помогает решить проблему утилизации растительных отходов и снизить парниковые выбросы.
Применение целлюлозы для производства взрывчатых веществ
Еще одна важная область для целлюлозы - изготовление порохов и взрывчатки. При обработке азотной кислотой целлюлоза превращается в нитроцеллюлозу - основу для бездымного пороха.
Свойства нитроцеллюлозы:
- Высокая химическая активность и нестабильность.
- Способность быстро разлагаться с выделением большого количества газов.
- Воспламеняемость и взрывоопасность.
Из нитроцеллюлозы делают пороха для патронов стрелкового оружия, твердого ракетного топлива. В смеси с нитроглицерином получают взрывчатку под названием динамит.
Утилизация и переработка отходов целлюлозы
Огромные объемы переработки целлюлозы приводят к накоплению твердых отходов, таких как обрезки бумаги, опилки, кора деревьев. Эти отходы также представляют определенную ценность как вторичное сырье.
Основные направления переработки:
- Изготовление композитных материалов - древесно-полимерных плит, плинтусов и т.д.
- Получение тепловой и электрической энергии при сжигании отходов на ТЭЦ.
- Компостирование с получением органических удобрений.
Такой подход к отходам как к ресурсу позволяет существенно снизить экологическую нагрузку целлюлозно-бумажной промышленности.
Рынок целлюлозы: основные игроки и тенденции
Мировое производство целлюлозы в 2020 году составило более 200 млн тонн. Крупнейшие производители: Китай, США, Канада, Швеция, Финляндия.
Основные тенденции отрасли:
- Рост спроса на целлюлозу со стороны Китая и Индии.
- Снижение объемов производства в Европе и Северной Америке.
- Увеличение производства целлюлозы для специальных видов бумаги, упаковки.
Таким образом, несмотря на сложности с сырьем, целлюлозно-бумажная промышленность сохраняет высокую инвестиционную привлекательность и имеет хорошие перспективы роста.
Сравнение методов производства целлюлозы
Существует несколько разных подходов к выделению целлюлозы из древесного и растительного сырья. Рассмотрим их достоинства и недостатки.
Традиционный сульфатный способ
Древесину варят в щелочном растворе при высокой температуре. Это позволяет получить целлюлозу высокого качества, пригодную для производства бумаги и вискозных волокон.
- Плюсы: выход и качество целлюлозы.
- Минусы: большой расход химикатов, загрязнение сточных вод.
Сульфитный метод
Обработка древесины раствором сернистой кислоты и сульфита. Применяется в основном для получения целлюлозы для бумаги и картона.
- Плюсы: меньше вредных выбросов, чем при сульфатном способе.
- Минусы: не пригодна для производства вискозных волокон.
Органосольвентный метод
Используется органический растворитель, например этанол, для отделения лигнина от целлюлозы. Экологичный безотходный процесс.
- Плюсы: не требует серных и соляных соединений, минимум отходов.
- Минусы: сложность и дороговизна растворителей.
Новые области применения целлюлозы
Помимо традиционных отраслей, активно идут разработки по использованию целлюлозы в передовых технологиях будущего.
Композитные материалы
Создание гибридных материалов путем соединения целлюлозы с полимерами, углеродными нанотрубками и др. Это позволяет улучшить физико-химические свойства.
3D-печать
Разработка целлюлозосодержащих композитов в качестве сырья для аддитивного производства методом 3D-печати. Такие материалы обладают высокой биосовместимостью.
Упаковка будущего
Создание инновационных видов экологичной антибактериальной упаковки на основе наноцеллюлозы с добавлением серебра и других компонентов.
Перспективы развития мирового рынка целлюлозы
Несмотря на определенную зрелость отрасли, глобальный рынок целлюлозы сохраняет потенциал для дальнейшего роста за счет ряда факторов:
- Увеличение спроса на целлюлозу и бумагу в развивающихся странах Азии и Африки.
- Расширение использования целлюлозы в производстве биоразлагаемых и композитных материалов.
- Повышение экологических стандартов и переход на замкнутые безотходные технологии переработки древесины.
Эксперты прогнозируют увеличение мирового потребления целлюлозы к 2030 году до 250-300 миллионов тонн в год.
