Лигносульфонат натрия является побочным продуктом процесса сульфитной варки целлюлозы. Это наиболее коммерциализированное производное лигнина в мире, на долю которого приходится более 90% рынка лигнина. Он представляет собой коричневый порошок или жидкость с отличной растворимостью в воде и широко используется в различных отраслях промышленности, включая строительство, сельское хозяйство и горнодобывающую промышленность.
Для изучения возможности замены нынешних синтетических химикатов исследуется их потенциал для устойчивого развития. Далее мы расскажем о базовых знаниях и промышленных применениях.
1. Что такое лигносульфонат натрия?
Лигносульфонат натрия (химическая формула C2OH24Na2O1OS2, регистрационный номер CAS 8061-51-6) является одним из видов анионных полиэлектролитных полимеров. Его молекулярная масса варьируется от 1 000 до 140 000 Da, что зависит от источника древесины и условий обработки. Он представляет собой порошок от коричневого до черного цвета или жидкость, вязкость которой увеличивается с ростом концентрации. В основном он служит диспергатором, связующим и эмульгатором.
Группа сульфо (-SO3一) заряжена отрицательно; она может адсорбироваться на поверхности положительно заряженных частиц, что предотвращает их агрегацию. В этом заключается принцип работы диспергатора, а также химическая основа его общего применения в таких отраслях, как бетон, керамика и горнодобывающая промышленность.
Обычный лигнин не растворяется в воде, а лигносульфонат натрия становится водорастворимым благодаря добавлению сульфогруппы. Это значительно расширяет сферу применения благодаря удобству и отсутствию растворителей.
2. Откуда берется лигносульфонат натрия?
Лигносульфонат натрия получают из отработанного раствора процесса сульфитной варки целлюлозы. После обработки при высокой температуре и высоком давлении на бумажной фабрике с использованием серной кислоты и сульфита, целлюлоза извлекается из древесины, а в отработанном растворе остается большое количество лигносульфоната натрия. Конечный продукт может быть получен после концентрации и очистки. Сырьем служат в основном хвойные (такие как ель и сосна) и лиственные породы, из которых ежегодно производится около 7 миллионов тонн лигносульфоната натрия.
Кроме лигносульфоната натрия, в отработанном растворе остаются гемицеллюлоза, сахара и другие органические вещества. Современный завод будет извлекать этанол и выращивать дрожжи из отработанного раствора, что позволит полностью использовать отработанный раствор и достичь безотходности.
Китай является крупнейшим в мире производителем лигносульфоната натрия. Основным сырьем является отработанный раствор бумажной фабрики, но некоторые заводы могут также производить его из сульфатного лигнина методом постсульфонации, что обусловлено большим спросом на рынке.
3. Кто изобрел лигносульфонат натрия?
Американец Бенджамин Тилгман подал заявку на патент процесса сульфитной варки целлюлозы в Филадельфии, США, в 1867 году. Считается, что источником вдохновения послужило наблюдение за размягчением древесины после вымачивания в серной воде. Это открытие заложило основу современной сульфитной целлюлозно-бумажной промышленности.
В 1874 году шведский инженер-химик Карл Даниэль Экман коммерциализировал эту технологию, создав первую фабрику по производству сульфитной бумаги. Лигносульфонат натрия, являющийся побочным продуктом этой технологии, обрабатывается как отходы, подлежащие прямому сбросу, и загрязняет реки.
Исследователи начали изучать коммерческую ценность отработанного раствора до 20 века. В связи с ужесточением экологических норм, фабрики вынуждены искать способ обработки отработанного раствора, что приводит к открытию общего применения лигносульфоната натрия.
4. Виды лигносульфоната натрия
Лигносульфонат может сочетаться с различными катионами, такими как натрий (Na⁺), кальций (Ca2⁺), магний (Mg²⁺) или аммоний (NH₄⁺). Лигносульфонат натрия - это комбинация лигносульфоната и натрия. Он широко распространен на рынке благодаря отличной растворимости в воде и широкому спектру применения. Растворимость в воде лигносульфоната кальция ниже, но его стоимость относительно приемлема. Лигносульфонат магния используется для некоторых специфических целей.
Если классифицировать лигносульфонат натрия по физической форме, то в 2024 году на сухой порошок приходилось около 58% мирового производства. Его основное применение - добавка в бетон. На жидкую форму приходится 42%, и она в основном используется в кормах для сельскохозяйственных животных. Если классифицировать лигносульфонат натрия по степени чистоты, то стандартный сорт используется в строительстве и сельском хозяйстве, очищенный сорт - в кормах для животных и пищевой промышленности, а высокочистый сорт - в фармацевтике и тонкой химии.
При закупке следует обратить внимание на содержание влаги, рН (обычно 8-11) и содержание редуцирующих сахаров в сухом порошке, так как эти показатели влияют на эффективность применения бетона. Технические характеристики продукта могут существенно отличаться у разных поставщиков, поэтому рекомендуется запрашивать заполненный технический паспорт (TDS).
5. Как производится лигносульфонат натрия?
Процесс производства состоит из нескольких этапов:
Древесные опилки помещают в метантенк, пропитанный раствором серной кислоты при температуре 130-160°C и pH 1,5-5 в течение 4-14 часов. |
↓
Лигнин подвергается сульфонированию, при этом гидрофильные группы сульфокислот индуцируются и становятся водорастворимыми. |
↓
Отработанный раствор, содержащий 50-60% сухого вещества лигносульфоната, обрабатывается методом выпаривания, ультрафильтрации и ионообменной очистки. |
↓
Конечный порошкообразный продукт получают после распылительной сушки. |
Ключевым моментом всего производства является процесс сульфонирования, который преобразует гидрофобный лигнин в гидрофильный и является основополагающим источником всех функций лигносульфоната натрия.
Некоторые заводы могут применять процесс сульфонирования сульфатного лигнина, вступая в реакцию формальдегида с сульфитом натрия при высоких температурах. Это позволяет получить продукты с несколько иной структурой, но схожими функциями. Этот метод приобретает все большее значение, поскольку доступность крафт-лигнина в мире значительно превышает доступность сульфитного процесса.
6. Области применения лигносульфоната натрия
Основное применение лигносульфоната натрия - строительная отрасль, на которую приходится 40% мирового потребления. В качестве водоредуцирующего агента для бетона лигносульфонат натрия может сократить потребление воды на 12%. Он может повысить прочность и долговечность, а также замедлить время схватывания. В 2024 году эта добавка будет использоваться примерно в 220 миллионах тонн бетона. Кроме строительной отрасли, около 25% приходится на сельское хозяйство, а 20% лигносульфоната натрия используется в металлургии и горнодобывающей промышленности.
В сельском хозяйстве лигносульфонат натрия используется в качестве связующего вещества для гранул корма для животных, кондиционера почвы и медленно высвобождающегося удобрения. В металлургии и горнодобывающей промышленности он используется в качестве связующего для минеральных порошков и добавки для буровых растворов. Кроме того, продукты переработки лигносульфоната натрия одобрены FDA для использования в пищевых продуктах и кормах для животных.
Быстро развиваются и новые области применения. Лигносульфонат натрия в настоящее время исследуется на предмет использования в качестве добавки к электродам в свинцово-кислотных аккумуляторах, что может улучшить характеристики заряда и разряда. Он также может использоваться в качестве адсорбента тяжелых металлов при очистке сточных вод, что позволяет удалять тяжелые металлы, такие как свинец или кадмий, из сточных вод по относительно низкой цене.
7. Преимущества лигносульфоната натрия
По сравнению с синтетическим водопонижающим средством, таким как поликарбоксилатный суперпластификатор (PCE), стоимость лигносульфоната натрия составляет около $50 за тонну, что составляет лишь одну десятую от стоимости PCE. Характеристики более чем достаточны для общего строительства. Синтетический водопонизитель требуется только в высотных зданиях или в бетонах с высокими эксплуатационными характеристиками.
Среди других преимуществ - отличная растворимость в воде и удобство использования. Кроме того, он безопасен для окружающей среды, так как является биоразлагаемым и возобновляемым продуктом, получаемым на бумажной фабрике. Лигносульфонат натрия также многофункционален, так как может применяться во многих отраслях промышленности. Благодаря своим природным антибактериальным свойствам он может использоваться в качестве консерванта.
Одним из ограничений лигносульфоната натрия является то, что он не подходит для белых или светлых продуктов из-за своего коричневатого или черноватого вида. Содержание серы около 5% также делает продукт непригодным для некоторых высокотехнологичных применений (например, фармацевтических). Это объясняет, почему более дорогой лигнин Organosolv по-прежнему пользуется спросом благодаря своей высокой чистоте.
8. Почему лигносульфонат натрия имеет значение для устойчивого развития
При ежегодном производстве лигносульфоната натрия на бумажной фабрике часть коммерческой утилизации эквивалентна превращению отходов в ценное сырье. Замена синтетических химикатов каждой тонной лигносульфоната натрия позволяет сократить примерно 1,5 тонны выбросов CO2.
Замене синтетических добавок на лигносульфонат натрия способствуют регистрация, оценка, разрешение и ограничение химических веществ (REACH) и сертификация продукции "зеленых" строительных материалов в Китае. Такое направление политики благоприятно для долгосрочного развития отрасли, поскольку спрос на материалы на биооснове растет во всем мире. В 2024 году объем мирового рынка составил около 4,6 миллиарда юаней, а при стабильном росте в 2030 году ожидается, что он достигнет 5 миллиардов.
9. Часто задаваемые вопросы о лигносульфонате натрия
Вопрос: В чем разница между лигносульфонатом натрия и лигносульфонатом? A: Лигносульфонат является общим термином, и может состоять из различных катионов, таких как кальций, магний или аммоний. Лигносульфонат натрия относится к типу, содержащему ионы натрия, который наиболее часто встречается на рынке, с отличной растворимостью в воде. |
Вопрос: Какова специфическая реакция лигносульфоната натрия и цемента? О: Группа Sulfo адсорбируется на поверхности частиц цемента и предотвращает агрегацию частиц, что позволяет сделать цементный раствор более текучим, снизить расход воды и повысить конечную прочность. |
В: Может ли лигносульфонат натрия полностью заменить синтетический водный редуктор? О: Лигносульфонат натрия может заменить синтетический водоредуцирующий агент в общем строительстве. Однако при строительстве высотных зданий или высокоэффективных бетонов синтетический водоредуцирующий агент, такой как поликарбоксилатный суперпластификатор (PCE), все же предпочтительнее из-за более высокого коэффициента водопонижения. |
В: Безопасен ли лигносульфонат натрия? О: Продукты переработки лигносульфоната натрия одобрены FDA для использования в материалах, контактирующих с пищевыми продуктами, и кормах для животных. Лигносульфонат натрия промышленного производства также классифицируется как малотоксичный, требующий лишь базовой защиты при ежедневной эксплуатации. |
В: Каков срок годности лигносульфоната натрия? О: Сухой порошок можно хранить в течение двух лет в сухих и герметичных условиях, а жидкий тип - 6-12 месяцев. Необходимо избегать высоких температур и прямых солнечных лучей. |
В: Где находятся основные поставщики? A: Основные поставщики находятся в Китае, такие как Kingsun Chemicals и Shenyang Xingzhenghe. При закупке рекомендуется запрашивать заполненный технический паспорт (TDS) и отчет о тестировании третьей стороной. |
