Горящий лигнин: источник экологических проблем или «деньги на ветер»

Горящий лигнин: источник экологических проблем или «деньги на ветер»

Влияние условий жизни на здоровье людей было замечено еще в глубокой древности. Но лишь в ХХ столетии человечество в полной мере осознало, что многие болезни непосредственно связаны с загрязнением атмосферы, плохим водоснабжением, недоброкачественными продуктами. По данным Всемирной организации здравоохранения, здоровье населения на 20%- от качества окружающей среды.

В формирование окружающей среды нашего города и прилежащей к нему территории внесли вклад существующие и существовавшие промышленные предприятия в Зиме и Зиминском районе. Результатом деятельности существовавшего гидролизного завода явилась свалка отходов производства, которая привела к экологическому бедствию – это горение лигнина.

Химический состав древесины

Древесина — это продукт биологического, а именно растительного происхождения. Она представляет собой очень сложный комплекс, как в анатомическом, так и в химическом отношении. Древесина, как любой биологический организм, состоит из клеток. Клеточные стенки примерно на 99% состоят из органических соединений, которые можно подразделить на углеводы, ароматические и так называемые экстрактивные вещества. К веществам ароматической природы относится лигнин. Эта часть древесины является негидролизуемой. Она получается в остатке после обработки древесины концентрированной кислотой. Химический состав различных древесин существенно колеблется. Но в общем можно сказать, что в наших обычных хвойных породах (ель, сосна) содержится больше лигнина (27—28%), чем в лиственных (соответственно 18—22%).

Лигнин

Лигнин — это ароматическая часть древесины, неспособная к гидролизу минеральными кислотами. Она наименее изучена. Точное строение лигнина еще не известно, несмотря на то, что он был открыт свыше 130 лет назад. Однако за последние 20—30 лет в химии лигнина достигнуты значительные успехи: установлены элементарные звенья лигнина, его характерные функциональные группы, основные типы связей между элементарными звеньями и структуры, присутствующее в макромолекулах лигнина. Лигнин представляет собой смесь нерегулярных полимеров родственного строения, в основе которых лежат близкие по строению ароматические вещества, являющиеся в хвойном лигнине производными пирокатехина, а в лиственном лигнине — производными пирогаллола и пирокатехина. При мягком окислении хвойного лигнина нитробензолом в щелочной среде получается ароматический альдегид ванилин, а при окислении лиственного лигнина—смесь сиреневого альдегида с ванилином. Структурными единицами лигнина являются так называемые фенилпропановые единицы

Гидролизный лигнин

В процессе гидролиза древесины или другого растительного сырья, который заключается в обработке концентрированной соляной или серной кислотой при температуре 180-1850С и давлении 1216-1418 кПа, происходит распад (деструкция) природного лигнина, сопровождающийся изменением химического состава, дисперсности, влажности и других характеристик и образованием устойчивого конечного продукта - гидролизного лигнина. Получаемый на заводах технический гидролизный лигнин обычно сильно загрязнен различными примесями и не идентичен по своему химическому строению, что значительно затрудняет его переработку и использование.

Общая характеристика лигнина

Лигнин – органическое полимерное соединение, содержащееся в клеточных оболочках сосудистых растений. Лигнин - основной компонент клеточной стенки. Он придаёт древесине прочность и является компонентом защиты дерева от внешних воздействий: ветра, дождя, вредителей. Он может составлять 15-35% сухого веса в древесной породе. Одревесневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона.

Лигнин составляет существенную часть растительных полисахаридов, которые в большом количестве содержатся в вегетативных частях растений (древесина, соломина, стебли, листья). В генеративных частях растений (плоды, семена) лигнина содержится очень мало. Лигнин также содержится в бразильских орехах, моркови, зеленых бобах, персиках, горохе, картофеле, клубнике, помидорах, недробленых крупах.

Лигнин - аморфное вещество, от светло- коричневого до тёмно- коричневого цвета, нерастворим в воде и органических растворителях. Различают три класса лигнинов: лигнин хвойной древесины, лиственной древесины и травянистых растений. У низших растений (водоросли, грибы) и мхов лигнин не обнаружен. При отсутствии лигнина в древесине ослабляются защитные механизмы дерева, и оно не может противостоять вредителям. Низкое содержание лигнина также ускоряет гниение дерева, изменяет состав почвы.

Характерные свойства

Химическое строение лигнина не установлено окончательно. Молекула лигнина состоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов; основной мономер – конифериловый спирт.

Важнейшим свойством лигнина является его склонность к реакциям конденсации. В природных условиях лигнин распадается через 200 суток. При разложении лигнина появляются токсичные низкомолекулярные продукты распада – фенолы, метанол, карбоновые кислоты.

В промышленности лигнин получают как отход при производстве целлюлозы и гидролизе растительных материалов. Лигнин – это обычные опилки, только обильно сдобренные химикатами, в том числе соляной кислотой и щелочами.

Продукты горения лигнина

Метанол – сильный, преимущественно нервный и сосудистый яд. В организм человека может поступать через дыхательные пути, неповрежденную кожу. Особенно опасен прием метанола внутрь. 5–10 граммов метанола могут вызвать отравление и слепоту, смертельная доза 30–100 граммов. Симптомы отравления: головная боль, головокружение, тошнота, рвота, боль в животе, общая слабость, раздражение слизистых оболочек, мелькание в глазах, а в тяжелых случаях - смерть. Предельно допустимая концентрация метанола в воздухе производственных помещений – 0,05 мг/л.

Фенольные соединения представляют особую опасность для окружающей среды из-за широкой распространенности, высокой концентрации и токсичности. Хроническое отравление фенолом проявляется в нарушении центральной нервной системы, затем сердечно-сосудистой, при дальнейшей интоксикации поражается деятельность желудочно-кишечного тракта, изменяется витаминный обмен. Действие фенола зависит от его концентрации, физико-химических характеристик среды, физиологического состояния растения, его видовой чувствительности. В отличие от тяжелых металлов фенольные соединения реагируют с растениями быстро, однако они неустойчивы. Промежуточные продукты окисления фенолов - хиноны - имеют высокую реакционную способность и могут рассматриваться как вторичные токсины.

Сернистый ангидрид, серы двуокись, оксид серы (IV) SO2, бесцветный газ с характерным резким запахом. В природе встречается в вулканических газах. При - 10,5 °С сгущается в бесцветную жидкость, затвердевающую при - 75 °С в кристаллическую массу. Критическая температура 157,3 °С, критическое давление 77,8 атм. SO2 хорошо растворим в воде с образованием сернистой кислоты H2SO3. Кислород окисляет SO2 при высоких температурах в присутствии катализаторов; может окисляться до SO3 и H2SO4 и восстанавливаться до S; с водными растворами щелочей SO2 образует соли сернистой кислоты. Сернистый ангидрид токсичен. В лёгких случаях отравления появляются кашель, насморк, слезотечение, чувство сухости в горле, осиплость, боль в груди; при острых отравлениях средней тяжести, кроме того, головная боль, головокружение, общая слабость, боль в подложечной области; при осмотре - признаки химического ожога слизистых оболочек дыхательных путей. Длительное воздействие сернистого ангидрида может вызвать хроническое отравление. Оно проявляется атрофическим ринитом, поражением зубов, часто обостряющимся токсическим бронхитом с приступами удушья. Возможны поражение печени, системы крови, развитие пневмосклероза. Среднесуточная концентрация в населённых пунктах не должна превышать 0,15 мг/м3.

Наибольшей токсичностью обладает угарный газ, являющийся сильным ядом, содержание его в помещении 0,1% по объему через 1 час вызывает у людей головную боль, тошноту, недомогание, а свыше 0,5% - через 20-30 минут оказывает смертельное действие. Токсичность угарного газа СО для человека заключается в том, что он нарушает способность крови поглощать кислород, может быть причиной головокружения, вызывает тошноту. В атмосферу Земли угарный газ попадает при неполном сгорании органических веществ, при извержении вулканов, а также в результате жизнедеятельности некоторых низших растений (водорослей). Естественный уровень СО в воздухе составляет 0,01 – 0,9 мг/м3. Угарный газ очень ядовит. В организме человека и высших животных он активно реагирует с комплексным соединением железа – гемом крови (связанным с белком глобином), нарушая функции переноса и потребления кислорода тканями, в 200 раз быстрее, чем кислород присоединяется к гемоглобину крови и препятствует насыщению кислородом крови и тканей, мышц и мозга. Особенное значение этот фактор приобретает для людей с нарушением сердечной деятельности. Незначительное повышение содержания окиси углерода в крови вызывает острые осложнения (сердечные приступы, нарушения циркуляции крови и т. д. ). Помимо этого, он вступает в необратимое взаимодействие с некоторыми ферментами, участвующими в энергетическом обмене клетки. При концентрации угарного газа в помещении 880 мг/м3 смерть наступает через несколько часов, а при 10 г/м3 – практически мгновенно. Предельно допустимое содержание угарного газа в воздухе – 20 мг/м3. Первыми признаками отравления СО (при концентрации 6 – 30 мг/м3) являются снижение чувствительности зрения и слуха, головная боль, изменение частоты сердечных сокращений. При реакции СО с хлором образуется очень ядовитый газ фосген (tкип. = 7,6 оС): СО + Cl2 = COCl2. Раньше его применяли в качестве боевого отравляющего средства.

Оксиды азота (NO, NO2, NOХ)- главная составляющая городского "смога", оказывают влияние не только на лёгкие, но и на органы зрения. При малых дозах характерны аллергии и раздражения. Оксиды азота, соединяясь в атмосфере с водяными парами, выпадают затем на землю в виде кислотных дождей, причём, эти вредные выбросы могут перемещаться в воздушных потоках на громадные расстояния. Установлено, что кислотные дожди снижают устойчивость человеческого организма к простудным заболеваниям, разъедают не только легкие человека, но и металлы, краски, даже камень. Повышенное содержание СО2 опасно для здоровья человека: в высоких концентрациях углекислый газ тормозит процессы дыхания и обмена веществ. Известны случаи отравления этим веществом со смертельным исходом.

Формальдегид относится к классу канцерогенных веществ, обладает хронической токсичностью. Пары формальдегида оказывают раздражающее действие на дыхательные пути, глаза, кожный покров. При длительном воздействии на организм человека негативно воздействует на репродуктивные органы, вызывая наследственную генетическую и хромосомную мутацию. Фенол - сильный нервный яд. Хроническое отравление фенолом проявляется в нарушении центральной нервной системы, а затем в сердечно-сосудистой, при дальнейшей интоксикации поражается деятельность желудочно-кишечного тракта, изменяется витаминный обмен.

Лигнин как сырье для переработки

Горение лигнина - это не только экологическое бедствие для зиминского района, но и огромные потери для его бюджета. В настоящее время технический гидролизный лигнин не используется, однако, как показали исследования и промышленные испытания, из гидролизного лигнина можно получать ценные виды промышленной продукции.

Для энергетики – из исходного гидролизного лигнина можно изготавливать брикетированное бытовое и каминное топливо, а из смеси лигнина с отсевами углеобогащения – производить брикетированное энергетическое топливо. Порошкообразный лигнин пригоден для добавки к мазуту при его использовании в энергетике и металлургии.

Введение в гидролизный лигнин целенаправленно работающей микрофлоры позволяет за три летних месяца при обязательном двукратном перелопачивании получить полноценное органоминеральное удобрение, которое по физико-химическим и биологическим параметрам соответствует санитарно-химическим и гигиеническим нормам. Агротехнические испытания этого удобрения в течение 3-х лет однозначно свидетельствуют о повышении урожайности зерновых культур на 20 – 40%.

Для дорожного строительства лигнин пригоден в качестве активной добавки в асфальтобетон. Проведенные испытания показали, что гидролизный лигнин, используемый в качестве минерального порошка, позволяет повысить качество асфальтобетона (прочность – на 25%; водостойкость - на 12%; хрупкость- с –140 до –250С) за счет дополнительной модификации нефтяного битума; экономить дорожно-строительные материалы: нефтяной битум на 15-20%, известковый минеральный порошок на 100%; значительно улучшить экологическую обстановку в зоне складирования отходов; возвратить плодородные земли, занятые под отвалы.

И что самое важное, при этом резко снижается нагрузка на экосистему районов гидролизных заводов за счет вовлечения в полезную деятельность невостребованного гидролизного лигнина.