Применение ИК-НПВО-спектроскопии для оценки компонентного состава бумаги

Предложена и описана технология определения состава бумаги по волокну с применением ИК-НПВО-спектроскопии, позволяющая повысить скорость и репрезентативность измерения. Технология включает идентификацию микроскопическим методом волокон определенного вида в композиции бумаги и определение процентного содержания волокон, отличных от волокон лиственной и хвойной сульфатной целлюлозы, используя полученные калибровочные зависимости. Применяли стандартные лабораторные отливки двух видов с различным составом по волокну: из хвойной и лиственной беленой товарной сульфатной целлюлозы (в соотношении 50 : 50 %) с добавлением беленой химико-термомеханической массы взамен лиственной и хвойной в количестве от 5 до 40 % и из небеленой сульфатной хвойной (21 ед. каппа) и лиственной (16 ед. каппа) целлюлозы, в композицию которой вводили небеленую целлюлозу из бамбука (17 ед. каппа) в количестве от 10 до 50 %. С использованием ИК-НПВО-спектроскопии установлено, что увеличение доли беленой химико-термомеханической массы или бамбуковой целлюлозы приводит к систематическим изменениям спектральных характеристик бумаги, обусловленным различиями в содержании и составе лигнина, гемицеллюлоз и экстрактивных веществ компонентов бумаги. Для количественной оценки изменений в спектрах выбраны соотношения интенсивностей аналитических полос, не зависящие от условий съемки спектра: 1 500, 1 400, 1 110 см–1 для беленой химико-термомеханической массы и 1 070, 667, 1 736, 1 580 см–1 для бамбуковой целлюлозы. На основе установленных калибровочных зависимостей получены уравнения регрессии, позволяющие определять содержание беленой химико-термомеханической массы или бамбуковой целлюлозы в образцах бумаги по соотношению интенсивностей аналитических полос в ИК-спектрах. Предложенный метод существенно превосходит традиционные химические и микроскопические подходы по скорости, воспроизводимости и трудозатратам и может быть полезен на целлюлозно-бумажных предприятиях для оперативного контроля композиций.

1. Использование наполнителей в технологии газетной бумаги / А. А. Пенкин, О. А. Новосельская, А. А. Князев [и др.] // Труды БГТУ. Серия IV. Химия, технология органических веществ и биотехнология. – 2010. – Вып. XVIII. – С. 216–219.

2. Флейшер, В. Л. Особенности применения эмульсий димеров алкилкетенов и модифицированных смоляных кислот в целлюлозных и макулатурных суспензиях для получения высококачественных видов бумаги и картона / В. Л. Флейшер, Н. В. Черная, Ж. С. Шашок // Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя хімічных навук. – 2022. – Т. 58, № 2. – С. 237–250. https://doi.org/10.29235/1561-8331-2022-58-2-237-250

3. Захарчук, Д. Д. Комплексная переработка льна с получением инновационной продукции (обзор) / Д. Д. Захар­чук, В.С. Болтовский // Труды БГТУ.

4. Серия 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. – 2024. – № 2. – С. 77–91. https://doi.org/10.52065/2520-2669-2024-283-10

5. Лысаченкова, М. М. Бумагообразующие свойства беленых волокнистых полуфабрикатов высокого выхода с пониженной ресурсоемкостью / М. М. Лысаченкова, Я. В. Казаков // Экологические аспекты современных технологий в химико-лесном комплексе : сб. науч. материалов I и II науч.-практ. конф. / Федер. исслед. центр комплексного изучения Арктики им. акад. Н. П. Лаверова УрО РАН. – Архангельск, 2024. – С. 80–85.

6. Термомеханическая масса с использованием в ее композиции сосны обыкновенной, произрастающей на территории Республики Беларусь / Е. В. Дубоделова, С. И. Шпак, А. А. Пенкин [и др.] // Труды БГТУ. Серия 2. Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. – 2020. – № 1 (229). – С. 204–213.

7. Kazakov, Ya. V. Structural-Dimensional Properties of Plant Fibers with Combined Grinding of Conifer, Deciduous, and Bamboo Pulp / Ya. V. Kazakov, M. M. Lysachenkova, H. M. Khoa // Fibre Chemistry. – 2024. – Vol. 55 (6). – P. 380–385. https://doi.org/10.1007/s10692-024-10496-0

8. Карклинь, Б. Н. ИК-спектроскопия древесины и ее основных компонентов. VI. Определение содержания лигнина в препаратах сульфатной целлюлозы по ИК-спектрам / Б. Н. Карклинь, А. П. Трейманис, В. С. Громов // Химия древесины. – 1975. – № 2. – С. 52.

9. Карклинь, В. Б. ИК-спектроскопия древесины и ее основных компонентов. XII. Спектрохимические корреляции и их применение к анализу лигнина в древесине / В. Б. Карклинь, Я. А. Эйдус, З. Н. Крейцберг // Химия древесины. – 1977. – № 4. – С. 90.

10. Kaparaju, P. Characterization of lignin during oxidative and hydrothermal pre-treatment processes of wheat straw and corn stover / P. Kaparaju, C. Felby // Bioresource Technology. – 2010. – Vol. 101, № 9. – P. 3175–3181. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.12.008

11. Wenhao, S. Measuring and Controlling Model of Pulp Kappa Number with Spectroscopy during Batch Sulfite Pulping Process / S. Wenhao, C. Xiaoquan // Industrial & Engineering Chemistry Research. –2009. – Vol. 48, № 19. – P. 8980– 8984. https://doi.org/10.1021/ie900327a

12. Варепо, Л. Г. Исследование свойств бумаг методом ИК-спектроскопии / Л. Г. Варепо // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 12-3. – С. 463–464.

13. Деркачева, О. Ю. Оценка содержания лигнина в волокнах бумаги по данным ИК-спектроскопии отражения / О. Ю. Деркачева, Д. О. Цыпкин // Журнал прикладной спектроскопии. – 2017. – Т. 84, № 6. – С. 993–999.

14. Окулова, Е. О. Оценка соотношения волокон осины и березы в целлюлозных полуфабрикатах методом ИКФурье-спектроскопии / Е. О. Окулова, А. В. Гурьев, М. А. Холмова // Системы. Методы. Технологии. – 2021. – № 3 (51). – С. 122–128.

15. Методы исследования древесины и ее производных : учеб. пособие / Н. Г. Базарнова, Е. В. Карпова [и др.] ; ред. Н. Г. Базарнова. – Барнаул : Изд-во Алт. гос. ун-та, 2002. – 160 с.

16. Окулова, Е. О. Совершенствование технологического контроля породного состава в производстве целлюлозы из лиственной древесины : дис. ... канд. техн. наук : 4.3.4 / Окулова Елена Олеговна ; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М. В. Ломоносова. – Архангельск, 2023. – 144 с.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2018661852. Программа для корреляционного анализа серий ИК-спектров : № 2018616255. Реестр программ для ЭВМ : опубл. 20.08.2018 / Чухчин Д. Г. ; заявитель и правообладатель ФГАОУ ВО САФУ (RU).

18. Практикум по технологии бумаги: часть 1. Анализ полуфабрикатов, химикатов и бумажной массы : учеб. пособие / Е. В. Дернова, В. В. Гораздова, А. В. Гурьев [и др.]. – Архангельск : Изд-во САФУ, 2022. – 88 с.

19. Переработка волокнистых полуфабрикатов высокого выхода / В. Н. Иванова, Д. Ю. Уварова, Л. Г. Махотина, Э. Л. Аким // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. – 2017. – № 6. – С. 145–150. https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2017.6.145

20. Midinfrared FT-IR as a tool for monitoring herbaceous biomass composition and its conversion to furfural / A. M. Raspolli Galletti, A. DʼAlessio, D. Licursi [et al.] // Journal of Spectroscopy. – 2015. – Vol. 2015. – Art. 719042. https://doi.org/10.1155/2015/719042

21. Определение лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы в растительных материалах с помощью ИК-Фурьеспектроскопии / С. Г. Кострюков, Х. Б. Матьякубов, Ю. Ю. Мастерова [и др.] // Журнал аналитической химии. – 2023. – Т. 78, № 6. – С. 496–506. https://doi.org/10.31857/S0044450223040102

22. Алешина, Л. А. Исследование структуры целлюлоз и лигнинов различного происхождения / Л. А. Алешина, Н. В. Мелех, А. Д. Фофанов // Химия растительного сырья. – 2005. – № 3. – С. 31–59.

23. Биокаталитическая конверсия сульфатной целлюлозы с применением комплекса целлюлоз Penicillium verruculosum / Е. В. Новожилов, И. Г. Синельников, А. С. Аксенов [и др.] // Катализ в промышленности. – 2016. – Т. 15, № 5. – С. 78–83.

24. Гляд, В. М. Характеристика остаточного лигнина сульфатной целлюлозы / В. М. Гляд, Д. А. Пономарев, Н. К. Политова // Химия растительного сырья. – 2010. – № 4. – С. 51–56.

25. Хоанг, М. К. Сравнительная характеристика бумагообразующих свойств целлюлозы из бамбука Bambusa Blumeana и древесины лиственных пород Вьетнама : дис. ... канд. техн. наук : 4.3.4 / Хоанг Минь Кхоа ; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М. В. Ломоносова. – Архангельск, 2023. – 176 с.

26. Тышкунова, И. В. Биокаталитическая конверсия сульфатной целлюлозы с использованием комплекса карбогидраз Penicillium verruculosum : дис. ... канд. техн. наук : 05.21.03 / Тышкунова Ирина Владимировна ; Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М. В. Ломоносова. – Архангельск, 2018. – 160 с