Якименко О. С. Розробка технологій одержання із недеревної рослинної сировини наноцелюлози та її використання у виробництві паперу і картону

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії

Державний реєстраційний номер

0825U001808

Облікова картка дисертації

0825U001808.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 161 - Хімічні технології та інженерія

Спеціалізована вчена рада

PhD 9073

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Анотація

Концепція циркулярної економіки передбачає замкнутий кругообіг речовин у природі і максимальне збереження сировини в процесах виробництва товарів широкого споживання, до яких відноситься, зокрема, картонно-паперова продукції. У світовій целюлозно-паперовій промисловості основним джерелом для виробництва паперу і картону залишається целюлоза із хвойних і листяних порід деревини. У контексті стійкого розвитку та збереження лісових ресурсів актуальною проблемою для України, як країни з розвинутим сільським господарством, є розробка екологічно безпечних технологій виробництва целюлозовмісних матеріалів із недеревної рослинної сировини (НДРС), яка має низьку вартість у порівнянні з деревиною і щорічно відновлюється. Для досягнення необхідних показників якості паперу і картону у процесі їх виробництва, як правило, додають різні хімічні допоміжні речовини (ХДР) із вичерпних джерел – нафти, газу, вугілля, що призводить до забруднення довкілля. В останні роки в світовій практиці активно розвиваються дослідження, спрямовані на переробку рослинної сировини у целюлозовмісні матеріали з високою доданою вартістю, зокрема у наноцелюлозу (НЦ), що має унікальні властивості: високі значення модулю пружності, висока питома поверхня, оптична прозорість, хімічна реакційна здатність, низький коефіцієнт теплового розширення, здатність до біологічного розкладання і біосумісність, низька легкість і вартість виробництва в порівнянні із синтетичними полімерами. До асортименту багатотоннажної картонно-паперової продукції відносяться такі технічні її види, як: електроізоляційний папір, папір-основа для шпалер, папір для пакування харчових продуктів, картон для плоских шарів гофрокартону, картон тарний вологостійкий, тощо. Для досягнення передбачених стандартами специфічних показників якості такої продукції необхідна наявність розроблених відповідних ресурсозберігаючих технологій їх виробництва, зокрема з використанням наноцелюлози для покращення показників якості паперу і картону та зменшення витрати шкідливих синтетичних ХДР. Тому розробка екологічно безпечних способів одержання із НДРС целюлози і наноцелюлози та використання їх у виробництві паперу і картону є актуальною науково-практичною задачею. Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні розроблення інноваційних технологічних підходів до отримання з вітчизняної недеревної рослинної сировини наноцелюлози та визначення оптимальних її витрат в композиції технічних видів паперу і картону для досягнення їх експлуатаційних характеристик. Для реалізації мети було сформульовано наступні завдання: 1. Удосконалити методику одержання із пожнивних решток кукурудзи, стебел соняшника, очерету, волокон конопель целюлози, придатної для подальшої екстракції з неї наноцелюлози. 2. Визначити вплив технологічних параметрів процесів одержання наноцелюлози методами гідролізу розчинами сульфатної кислоти, окиснення в середовищі 2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу (ТЕМПО) та глибоких евтектичних розчинників (DES) на показники її якості. 3. Встановити вплив додавання отриманої наноцелюлози у волокнисту композицію і на поверхню зразків паперу і картону на показники їх якості та на зменшення витрат шкідливих хімічних допоміжних речовин. 4. Визначити точки введення наноцелюлози у технологічні потоки виробництва паперу і картону. Об’єкт дослідження – екологічно безпечні процеси перероблення НДРС у целюлозу і наноцелюлозу та використання їх у виробництві масових видів паперу і картону. Предмет дослідження – технологічні параметри процесів одержання з вітчизняної НДРС целюлози і наноцелюлози та рекомендованих їх витрат у процесах виробництва масових видів картонно-паперової продукції. Наукова новизна отриманих результатів: - теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено доцільність комбінування стадій лужної обробки та пероцтового варіння з метою отримання целюлози з пожнивних решток кукурудзи, стебел соняшника, очерету та волокон конопель, придатної для екстракції з неї наноцелюлози; - встановлено зростання показників якості наноцелюлози (щільності, міцності на розрив, прозорості, індексу кристалічності, термічної стабільності) у такій послідовності залежно від середовища її одержання: глибоких евтектичних розчинників – 2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу – сульфатної кислоти; - встановлено лінійну кореляцію між міцністю на розрив і прозорістю наноцелюлози та щільністю наноцелюлозних плівок. Ключові слова: недеревна рослинна сировина, органосольвентне варіння, целюлоза, гідроліз, наноцелюлоза, папір, картон

Читати повністю

Публікації

1. Barbash V. A., Yashchenko O. V., Yakymenko O. S., Zakharko R. M., Myshak V. D. Preparation of hemp nanocellulose and its use to improve the properties of paper for food packaging. Cellulose. 2022. Vol. 29, no. 4. https://doi.org/10.1007/s10570-022-04773-6.

2. Barbash V. A., Yashchenko O. V., Yakymenko O. S., Myshak V. D. Extraction, properties and use of nanocellulose from corn crop Residues / V. A. Barbash et al. Appl. Nanoscie. 2023. Vol. 13. P. 7455–7468. https://doi.org/10.1007/s13204-023-02926-y.

3. Барбаш В. А., Якименко О. С., Ященко О. В. Вплив конопляної наноцелюлози на показники якості паперу для пакування харчових продуктів. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2023. Т. 6. С. 5–12. https://doi.org/10.32434/0321-4095-2023-151-6-5-12.

4. Barbash, V. A., Yashchenko, O. V., Yakymenko, O. S., & Zakharko, R. M., Extraction and properties of nanocellulose from hemp fibers. Nanooptics and Photonics, Nanochemistry and Nanobiotechnology, and Their Applications. Springer Proceedings in Physics. Springer Cham. : conference paper / eds. O. Fesenko, L. Yatsenko. 2023. P. 245–254. https://doi.org/10.1007/978-3-031-18104-7_17.

5. Barbash V. A., Yashchenko O. V., Yakymenko O. S., Myshak, V. D. Extraction of organosolv pulp and nanocellulose from harvested corn residues Nanoelectronics, nanooptics, nanochemistry and nanobiotechnology, and their applications : conference paper / eds. O. Fesenko, L. Yatsenko. Springer, 2023. https://doi.org/10.1007/978-3-031-42708-4_1.

6. Lapshuda V., Koval V., Barbash V., Dusheiko M., Yaschenko O., Yakymenko, O. Aplication nanocellulose-based composites for flexible and biodegradable humidity sensors for breath monitoring. J. IEEE Sensors Letters. 2023. Vol. 7, no. 10. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/LSENS.2023.3311669.

7. Barbash V. A., Yaschenko O. V., Gondovska A. S., Yakymenko O. S. Nanocellulose from reed stalks to improve the properties of paper for packaging food products. KPI Science News. 2021. Vol. 2. P. 90–96. https://doi.org/10.20535/kpisn.2021.2.236944.

8. Barbash V. A., Yashchenko O. V., Yakymenko O. S., Zakharko R. M. (2021). Extraction of organosolv pulp and production of nanocellulose from hemp fibres. KPI Science News, (3), 83-90. https://scinews.kpi.ua/article/view/251456.

9. Barbash V. A., Yashchenko O. V., Yakymenko O. S. Comparative characteristics of hemp nanocellulose extracted by different methods. J. Mater. Sci. Tech. Res. 2022. Vol. 9. P. 53–64. https://doi.org/10.31875/2410-4701.2022.09.06.

10. Лапшуда В. А., Коваль В. М., Душейко М. Г., Барбаш В. А., Ященко О. В., Панченко С. А., Якименко, О. С. Гнучкі сенсори вологості на основі плівок наноцелюлози для біомедичного застосування. Перспективні технології та прилади. 2023. Т. 22. С. 81–90. https://doi.org/10.36910/10.36910/6775-2313-5352-2023-22-12.

11. Барбаш В. А, Якименко О. С., Березовський Г. Г., Ященко, О. В. Вплив очеретяної наноцелюлози на показники якості паперу-основи для шпалер. Bulletin of National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Series «Chemical Engineering, Ecology and Resource Saving». 2024). Т. 1, № 23. С. 41–50. https://doi.org/10.20535/2617-9741.1.2024.

12. Якименко О. С., Барбаш В. А., Ященко О. В. Вплив наноцелюлози із різної рослинної сировини на показники якості електроізоляційного паперу. Вісник НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського» Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. 2024. Т. 2, № 23. С. 88–100. https://doi.org/10.20535/2617-9741.2.2024.307366.

13. Барбаш В. А., Якименко О. С., Березовський Г.Г., Ященко О.В. Вплив соняшникової наноцелюлози на показники якості картону тарного вологостійкого. Вісник НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського» Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. 2024. № 4 (23). С. 69-77. https://doi.org/10.20535/2617-9741.4.2024.319131.

14. Плосконос В. Г., Комісаренко Р. В., Котляревська Н. О., Якименко, О. С. Свіжа вода в процесах виробництва паперової продукції та принципи скорочення норм її споживання. Збірник тез доп. 15-ї міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів та молодих вчених «Ресурсозберігаючі технології та обладнання». К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2018. С. 149–150.

15. Плосконос В. Г., Котляревська Н. О., Якименко О. С. Вимоги до якості свіжої води в залежності від виду продукції, що виготовляється. Збірник тез доп. XXIII міжнар. наук.-практ. конференції студ., аспірантів і молодих вчених ”Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання”. К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2022. С. 98–102.

16. Вилку Ю., Якименко О., Барбаш В. Використання хімічних допоміжних речовин для покращення показників картону для плоских шарів гофрокартону. Збірник тез доп. XXIII міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів і молодих вчених ”Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання” К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2022. С. 112–117.

17. Килюшик Т. І., Якименко О. С., Барбаш В. А. Екстракція наноцелюлози із волокон конопель. Збірник тез доп. XXIII міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів і молодих вчених ”Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання” К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2022. С. 195–199.

18. Naidonov A., Koval V., Barbash V., Dusheyko M., Yashchenko O., Yakymenko O. Nanocellulose based biodegradable bend sensors. Proceedings 41th International conf. on electronics and nanotechnology (ELNANO–2022). Kyiv, 2022. P. 292–297. https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927070.

19. Klochko N. P., Klepikova K. S., Kopach V. R., Shepotko E. M., Kirichenko M. V., Khrypunova A. L., Yakymenko O. S, … Sukhov V. M. Flexible textile termoelectric materials with CuI nanostructured films deposited on composites of nanocellulose and polyester fabric. 3rd KhPI week on advanced technology, сonf. proceed. (2022 IEEE). Kharkiv, 2022. P. 70–75.

20. Якименко О. С., Барбаш В. А. Розробка методології виготовлення лабораторних відливок паперу на малих підприємствах. Збірник тез доп. XXIII міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів і молодих вчених ”Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання” / укл. Я. М. Корнієнко. К : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2023. С. 191–196.

21. Barbash V. A., Yakymenko O. S., Yashchenko O. V., Kilushik T. I., Bahman S. V. Extraction and use of nanocellulose from non-wood plant raw materials in the composition of paper and cardboard. Abstract book “International research and practice conference “Nanotechnology and nanomaterials” (NANO-2023). Ukraine, Bukovel, 2023. P. 100.

22. Якименко О. С., Березовський Г. Г., Ященко О. В., Барбаш В. А. Застосування наноцелюлози для покращення показників якості паперу-основи для шпалер. Збірник тез доп. XXV міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів і молодих вчених «Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання” / укл. Я. М. Корнієнко. К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2023. С. 167–172.

23. Бахман С. О., Якименко О. С., Барбаш В. А. Вдосконалення технології виготовлення картону на картоноробних машинах. Збірник тез доп. XXV міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів і молодих вчених «Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання» / укл. Я. М. Корнієнко. К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2023. С. 145–149.

24. Бахман С. О., Якименко О. С., Барбаш В. А. Використання наноцелюлози для покращення показників якості картону. Збірник тез доп. XXV міжнар. наук.-практ. конф. студ., аспірантів і молодих вчених «Ресурсоенергозберігаючі технології та обладнання» / укл. Я. М. Корнієнко. К. : НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2023. С. 184–188.

Читати повністю

Схожі дисертації

0825U001798

Лісовий Вадим Миколайович

Розроблення полімерної твердої дисперсної системи фармацевтичного призначення з використанням метода відцентрового формування

0825U001577

Покроєва Яна Олександрівна

Поліфазні склокристалічні покриття з регульованими властивостями для керамічної плитки

0825U001253

Лігезін Станіслав Леонідович

Стінові керамічні матеріали з використанням вуглецевмісної сировини та енергозберігаючих технологічних процесів

0825U001200

Морозова Оксана Миколаївна

Композиційний матеріал на основі нанопорошку ZrO2 з підвищеними експлуатаційними властивостями

0825U001124

Якименко Ірина Костянтинівна

Удосконалення сорбційних процесів очищення води від сполук заліза та манґану в системах децентралізованого водопостачання