CC BY
29
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №6_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 622.692.4:620.197
Р.Усманов, Э.Х.Каримов*, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев
ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ВЕЩЕСТВ С ЦЕЛЬЮ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ ОТХОДОВ ТАБАЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан, Таджикский национальный университет
В статье приведены данные по влиянию соотношения табачной пыли и воды, продолжительности времени воздействий и температуры на экстракцию водорастворимых веществ из отходов табачного производства. На основе полученных результатов были рассчитаны кинетические параметры процесса экстракции и разработана технологическая схема получения водного экстракта из отходов табачного производства
Ключевые слова: водный экстракт отходов табачного производства - дисперсная система - экстракция - скорость экстракции - константы скорости экстракции.
В предыдущих работах [1-7] было показано, что водные экстракты, выделенные из отходов табачного производства, могут стать эффективными ингибиторами комплексного действия с нефте-вытесняющими свойствами в минерализованных нестабильных пластовых водах и ценным сырьем в качестве добавок для глино- и цементсодержащих дисперсных систем.
В этой связи нами был изучен процесс экстрации водорастворимых веществ с целью разработки технологической схемы выделения водоэкстрактивных веществ из данного отхода.
В табл.1 приведены данные о влиянии на экстракцию соотношения табачной пыли и воды, времени воздействия и температуры. На основе полученных результатов были рассчитаны кинетические параметры процесса экстракции и разработана технологическая схема получения водного экстракта отходов табачного производства (ВЭТ-1).
Таблица 1
Зависимость концентрации водоэкстрактивных веществ от соотношения табачной пыли и воды
t =96°С
Соотношение табачной пыли и воды T = 30 мин
Концентрация экстракта (С)
в % в г/л
1 1 73.00 116.8
1 2 86.00 137.6
1 3 95.00 152.0
1 4 96.00 153.6
1 5 96.25 154.0
1 6 96.44 154.3
Адрес для корреспонденции: Усманов Рахматжон. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: [email protected]
Из табл. 1 видно, что повышение соотношения табачной пыли и воды приводит к возрастанию извлечения водорастворимых веществ, но в пределах соотношения 1.0:3.0-1.0:6.0 концентрация остаётся практически постоянной, что является оптимальным для этого процесса.
Для установления зависимости степени извлечения от температуры был проведён ряд экс-прементов по экстракции водорастворимых веществ в пределе температур 20.0-96.0°С. Табачную пыль при соотношении 1.0:3.0 выдерживали в воде в течение 30 мин при температурах 20.0, 40.0, 60.0, 80.0 и 96.0°С. Затем устанавливали степень извлечения (%) водорастворимых веществ по концентрации (С) извлечённых экстрактов (рис. 1)
160 150 140 130 120 110 100
С, г/л
оС
0 20 40 60 80 100
Рис. 1. Зависимость концентрации извлечённых водоэкстрактивных веществ от температуры.
Полученные данные показывают, что с повышением температуры увеличивается степень извлечения водоэкстрактивных веществ, которые экстрагируются наиболее максимально при 96°С.
Для определения оптимального времени извлечения водоэкстрактивных веществ была изучена зависимость степени экстракции от времени при 20, 40 и 96°С (рис.2).
96оС 40оС 20оС
160 С, г/л
140 Г
120 ■
100 ♦
80
60
40
20
0
Т, мин
0 5 10 15 20 25 30
Рис. 2. Зависимость концентрации извлечённых водоэкстрактивных веществ от времени.
Полученные результаты показывают, что концентрация экстракта сначала возрастает с повышением температуры до 96°С, затем по истечении 30 мин становится неизменной.
На основе полученных данных рассчитаны кинетические параметры процесса извлечения водорастворимых веществ.
Были рассчитаны средние скорости экстракции водорастворимых компонентов табачной пыли при 20.0, 40.0 и 96.0°С при соотношении 1.0:3.0. Средние скорости процесса экстракции были рассчитаны при различных промежутках времени в интервале от 5.0 мин до достижения постоянства концентрации экстрагированных веществ.
Таблица 2
Зависимость средней скорости экстракции водорастворимых компонентов из табачной пыли
от температуры и времени
Т, мин Скорость экстракции каждые 5.0 мин, г/лмин Скорость экстракции через промежуток времени, г/лмин
Температура процесса, °С
20.0 40.0 96.0 20.0 40.0 96.0
5.0 20.80 23.04 26.88 20.8000 23.0400 26.8800
10.0 1.60 2.56 1.92 0.8000 1.2800 0.9600
15.0 0.60 0.80 0.80 0.2000 0.2667 0.2667
20.0 0.50 0.60 0.40 0.1250 0.1500 0.1000
25.0 0.30 0.40 0.30 0.0600 0.0800 0.0600
30.0 0.20 0.12 0.10 0.0333 0.0200 0.0167
Как видно из данных табл. 2, водоэкстрагируемая часть извлекается в течение первых 10.0 мин. Для извлечения большей их части требуется до 30.0 мин при 20.0°С, 20.0 мин при 40.0°С и 15.0 мин при 96.0°С.
Рис. 3. Зависимость ^С от времени при экстракции водорастворимых компонентов из табачной пыли.
Из рис. 3 следует, что зависимость ^С от времени при экстракции водорастворимой части имеет линейный характер и процесс экстракции описывается кинетическим уравнением для реакций первого порядка: 1п с = —Ш + В . Были рассчитаны константы скорости экстракции водорастворимой части в интервале температур от 20.0 до 96.0°С (табл. 3).
Таблица 3
Температурная зависимость константы скорости экстракции водорастворимых компонентов
из табачной пыли при различной температуре
Константы скорости экстракции Температура
20.0°С 40.0°С 96.0°С
К1 0.5279 0.3349 0.2562
К2 0.2347 0.1551 0.1213
Кз 0.1443 0.0981 0.0788
К4 0.1036 0.0712 0.0580
К5 0.0806 0.0564 0.0461
Кср 0.2182 0.1431 0.1121
Для определения энергии активации процесса экстракции использовано уравнение Аррениу-са. Как показывают полученные расчётные данные, процесс экстракции имеет небольшую энергию активации (872.9-1976.9 Дж/моль), то есть процесс экстракции мало зависит от температуры.
Таким образом, результаты исследований показали, что для выделения водорастворимых экстрактов из табачной пыли оптимальной является экстракция в течение 20.0-30.0 мин при соотношении сырья и воды 1.0:3.0- 1.0:5.0 и температуре 40.0-65.0°С.
Выполненные исследования позволили разработать технологическую схему получения водного экстракта табака (рис. 4).
Рис. 4. Технологическая схема получения водного экстракта отходов табачного производства (ВЭТ-1).
1 - дробилка; 2 - дозатор; 3 - смеситель; 4 - реактор; 5 - холодильник; 6 - ёмкость для хранения ВЭТ-1;
7 - ёмкость для жмыха.
Стебли табака измельчаются в дробилке 1 до фракции меньше 1 мм и подаются в реактор 3, куда через дозатор 2 поступает водопроводная вода. В реакторе 3 при температуре 50.0-65.0°С происходит обработка измельчённых стеблей и пыли табака для экстрагирования её компонентов водой.
Раствор экстрактивных веществ табака после охлаждения в холодильнике 4 собирается в ёмкость 5. После отделения экстрагируемых веществ жмых собирается в ёмкость 6 для дальнейшего использования в качестве стабилизирующего компонента буровых и цементсодержащих дисперсных систем.
Содержание водоэкстрагируемых веществ в растворе определено методом высушивания вещества до постоянной массы, получена остаточная масса вещества. Состав выделенных экстрактов определяли качественной и количественной реакциями и данными ИК-спектров.
ИК-спектры полученного сухого ВЭТ-1 имеют следующие полосы поглощения: 3200-3600 см 1 - широкая полоса валентных колебаний ОН группы углеводов, органических кислот; 2980 см 1 - валентные колебания СН- группы пиридинового кольца; 2850 и 2890 см 1 - валентные колебания =N Н- группы соли третичных аминов; 1610 см 1 - асимметричные валентные колебания -СОО -группы солей кислот; 1380 см 1 - симметричные валентные колебания -СОО -группы солей кислот; 1200 и 1080 см 1 - деформационные колебания СН-группы пиридинового кольца.
ВЭТ-1 имеет следующий состав, масс.%: пиридиновые основания (продукты разложения никотина) - до 1.55; азотистые вещества (белки и продукты их превращения, продукты сахароаминной реакции) - до 1.3; органические кислоты - до 3.20; углеводы - до 3.15; полифенольные вещества - до 0.3; зольное вещество - до 3.5; пресная вода - до 87.
Данные ИК-спектров подтверждают, что сухой ВЭТ-1 имеет сложный состав и содержит анионо- и катионоактивные вещества, состоящие из солей и устойчивых комплексных соединений азот- и кислородсодержащих органических соединений.
Для технологической характеристики растительных экстрактов важно знание таких физико-химических свойств, как плотность, температура застывания, содержание сухих веществ, рН и др.
Физико-химические свойства ВЭТ-1 - внешний вид, температура застывания, массовая доля активной основы, массовая доля содержания общего азота в активной основе представлены в табл. 4.
Как видно из табл. 4, содержание активной основы в выделенном экстракте составляет от 12.0 до 15.0%, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к растительным экстрактам.
Таблица 4
Физико-химические свойства водного экстракта отходов табачного производства
Наименование показателей Норма ВЭТ-1
Внешний вид при 20°С Темно-коричневая жидкость
Температура застывания, °С < -5.0
Массовая доля активной основы, % в пределах 12.0-15.0
Массовая доля содержания общего азота в активной основе, % в пределах 3.0-4.0
Массовая доля воды, %, не более 88.0
Поступило22.04.2015 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Усманов Р. и др. - Патент России №1221941, М.,1985, ДСП.
2. Усманов Р., Каримов Э.Х., Куканиев М.А. - ДАН РТ, 2007, т.50, №2, с.45-50.
3. Каримов Э.Х., Усманов Р., Каримов М.Б. - Вестник национального университета, серия естественных наук, 2010, №3 (59), с.188-190.
4. Каримов Э.Х., Усманов Р., Каримов М.Б. - Вестник национального университета, серия естественных наук, 2010, №3 (59), с.220-222.
5. Усманов Р., Каримов Э.Х. Тампонажный раствор. - Малый патент Республики Таджикистан, № 302 TJ от 4.03.2010, Бюл.57(1), 2010.
6. Усманов Р., Каримов Э.Х., Усманов У.Р., Каримов М.Б. - Вестник Таджикского национального университета, серия естественных наук, 2012, 1/3 (85), с. 130-136.
7. Усманов Р., Каримов Э.Х., Усманов У.Р., Куканиев М.А. - ДАН РТ, 2012, т.55, №2, с.145 -149.
Р.Усмонов, Э.Х.Каримов*, И.Н.Ганиев
ОМУЗИШИ КИНЕТИКАИ РАВАНДИ ЭКСТРАКСИЯИ МОДДА^ОИ ДАР ОБ ^АЛШАВАНДА БО МАЦСАДИ КОРКАРДИ ТЕХНОЛОГИЯИ ^ОСИЛКУНИИ ОН АЗ ПАРТОВХОИ ИСТЕХСОЛИ ТАМОКУ
Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон,
*Донишго%и миллии Тоцикистон
Дар макола натичахои оомузиши мтаъсири таносуби ашё ва об, давомнокии вакти таъсири хамдигарии онхо ва харорат ба экстраксияи моддахои дар об халшавандаи партовхои истехсоли тамоку гирд овардода шудааст. Дар асоси натичахои ба даст овардашуда нишондихандахои кинетикии раванди экстраксия хисоб карда шуда, накшаи технологии хосилкунии экстракти обии партовхои истехсоли тамоку (ЭОТ-1) пешниход шудаст. Калима^ои калиди: экстракти обии партови истехсоли тамоку - системаи дисперси -- экстраксия - суръати экстраксия - константи суръати экстраксия.
R.Usmanov, E.H.Karimov*, U.N.Ganiev STUDY OF THE KINETICS OF THE EXTRACTION PROCESS WATER SOLUBLE SUBSTANCES TO DEVELOP TECHNOLOGY THEIR WASTE-DERIVED TOBACCO PRODUCTION
V.I.Nikitina Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,
*Tajik National University In Ttheis article givesthe influence ratio of raw water, its exposure time and temperature on the extraction of water soluble substances from scrap tobacco production are given. On the basis of the results were calculated kniticheskie kinetic parameters protseesa of the extraction processes and developed technological scheme of the aqueous extract of tobacco production waste.
Key words: aqueous extract of tobacco production waste - disperse system - extraction - extraction rate -the rate constant extraction.
