Лигносульфонаты (LS) представляют собой водорастворимые анионные полиэлектролитные полимеры : они являются побочными продуктами производства древесной массы с использованием сульфитной варки . [1] Большая часть делигнификации при сульфитной варке целлюлозы включает кислотное расщепление эфирных связей, которые соединяют многие компоненты лигнина . [2] Сульфированный лигнин (SL) относится к другим формам побочного продукта лигнина, например, полученным в результате гораздо более популярного крафт-процесса , которые были обработаны для добавления групп сульфоновой кислоты. Они имеют схожее применение, и их часто путают друг с другом, поскольку SL намного дешевле. [3] LS и SL выглядят как сыпучие порошки; первый светло-коричневый, а второй темно-коричневый. [1]
Лигносульфонаты имеют очень широкий диапазон молекулярных масс (они очень полидисперсны ). Для лигносульфонатов хвойных пород сообщалось о диапазоне от 1000 до 140 000 Да, а для лиственных пород сообщалось о более низких значениях. Сульфированный крафт-лигнин имеет тенденцию иметь более мелкие молекулы с массой 2000–3000 Да. [1] SL и LS нетоксичны, не вызывают коррозии и биоразлагаемы . К LS и SL можно применить ряд дополнительных модификаций, включая окисление, гидроксиметилирование, сульфометилирование и их комбинацию. [3]
Лигносульфонаты извлекают из отработанных варочных жидкостей (красного или коричневого щелока) сульфитной варки варки. Ультрафильтрацию также можно использовать для отделения лигносульфонатов от отработанной варочной жидкости. [1] Доступен список номеров CAS для различных солей металлов лигносульфоната. [4]
Электрофильные карбокатионы , образующиеся при расщеплении эфира, реагируют с ионами бисульфита (HSO 3 - ) , образуя сульфонаты.
Основным местом расщепления эфира является α-углерод (атом углерода, присоединенный к ароматическому кольцу) пропильной ( линейной трехуглеродной) боковой цепи. Следующие структуры не уточняют строение, поскольку лигнин и его производные представляют собой сложные смеси: цель - дать общее представление о строении лигносульфонатов. Группы R 1 и R 2 могут представлять собой самые разнообразные группы, встречающиеся в структуре лигнина. Сульфирование происходит по боковым цепям, а не по ароматическому кольцу, как в п-толуолсульфоновой кислоте .
Крафт-лигнин из черного щелока, который производится в гораздо больших количествах, может быть переработан в сульфированный лигнин. Лигнин сначала осаждают путем подкисления раствора CO 2 , затем промывают (существуют и другие методы выделения). Реакция с сульфитом или бисульфитом натрия и альдегидом в основной среде завершает сульфирование. Здесь группы сульфоновой кислоты оказываются на ароматическом кольце вместо алифатической боковой цепи. [3]
LS и SL имеют широкий спектр применения. Они используются для стабильного диспергирования пестицидов , красителей , технического углерода и других нерастворимых твердых веществ и жидкостей в воде. В качестве связующего он подавляет пыль на грунтовых дорогах. Это также увлажнитель и средство для очистки воды . [5] В химическом отношении его можно использовать в качестве танина для дубления кожи и в качестве сырья для различных продуктов.
Самое широкое применение лигносульфонатов — это пластификаторы при изготовлении бетона , [1] где они позволяют изготавливать бетон с меньшим количеством воды (давая более прочный бетон), сохраняя при этом способность бетона течь. Лигносульфонаты также используются при производстве цемента , где они действуют как вспомогательные средства для измельчения на цементной мельнице и как дефлокулянт сырьевой смеси ( который снижает вязкость жидкого раствора).
Лигносульфонаты также используются при производстве гипсокартона , чтобы уменьшить количество воды, необходимой для растекания штукатурки и образования слоя между двумя листами бумаги. Снижение содержания воды позволяет сушить гипсокартон при более низких температурах в печи, экономя энергию.
Способность лигносульфонатов снижать вязкость минеральных суспензий ( дефлокуляция ) с успехом используется в нефтяных буровых растворах , где они заменяют дубильные кислоты из квебрахо (тропического дерева). Кроме того, лигносульфаты исследуются для использования при повышении нефтеотдачи пластов (МУН) из-за их способности снижать межфазное натяжение в пенах, что позволяет повысить эффективность вытеснения и, следовательно, увеличить коэффициент нефтеотдачи.
Помимо использования в качестве диспергаторов, лигносульфонаты также являются хорошими связующими веществами. Они используются в качестве связующих в бумажной бумаге, древесностружечных плитах, линолеуме, угольных брикетах и дорогах.
Они также входят в состав пасты, используемой для покрытия решеток свинец-сурьма-кальций или свинец-сурьма-селен в свинцово-кислотных батареях .
Водные растворы лигносульфонатов также широко используются в качестве нетоксичного пылеподавляющего средства для грунтовых дорожных покрытий, где его в народе, хотя и ошибочно, называют «древесным соком». Дороги, обработанные лигносульфонатами, можно отличить от дорог, обработанных хлоридом кальция, по цвету: лигносульфонаты придают дорожному покрытию темно-серый цвет, а хлорид кальция придает дорожному покрытию характерный коричневый или коричневый цвет. Поскольку связывающие свойства лигносульфонатов не зависят от воды, они, как правило, более полезны в засушливых местах.
Используется в качестве стабилизатора грунта . [6]
Окислением лигносульфонатов хвойных пород деревьев получен ванилин (искусственный ванильный ароматизатор).
Диметилсульфид и диметилсульфоксид (важный органический растворитель ) производятся из лигносульфонатов. Первый этап включает нагревание лигносульфонатов с сульфидами или элементарной серой для получения диметилсульфида. Метильные группы происходят от метиловых эфиров , присутствующих в лигнине. Окисление диметилсульфида диоксидом азота дает диметилсульфоксид (ДМСО). [1]
Антиоксидантный эффект лигносульфонатов используется в кормах, силосе и антипиренах.
Поглощение ультрафиолета лигносульфонатами используется в солнцезащитных кремах и биопестицидах.
Лигносульфонат используется в сельском хозяйстве как аналог гуминовых веществ . В качестве кондиционера почвы он в основном используется для улучшения поглощения и удержания удобрений и других питательных веществ. [7] Он способен хелатировать минералы, оставаясь при этом биоразлагаемым, что является улучшением по сравнению с ЭДТА . [8] Дальнейший гидролиз и окисление дает продукт, еще более похожий на гумус , продаваемый как «лигногумат». [9]