Научная статья на тему 'МАССОПЕРЕНОС ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ'

МАССОПЕРЕНОС ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
9
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОВЕКТИВНАЯ СУШКА / ЛИСТВЕННИЦА / ИЗБЫТОЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ / ВОДНЫЙ РАСТВОР / КОНЦЕТРАТ / ПЕРМЕАТ

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Зарипов Ш.Г., Корниенко В.А.

Сушка древесины относится к сложным технологическим процессам. Поэтому возможны различные варианты подхода к механизму эмиссии воды из древесины при конвективной сушке. До настоящего времени не сложилось какого-либо однозначного понимания механизма влаги из такой породы древесины как лиственница. В работе предложены основные положения механизма удаления воды при конвективной сушке, основанной на баромембранном процессе. Любой процесс переноса основывается на наличии двух основных компонентов: подвижная субстанция, сила по перемещению субстанции. В процессе роста дерева формируется водный раствор экстрактивных веществ. Основу данной группы веществ в древесине диственницы составляет арабиногалактан. Макромолекулы арабиногалактана обладают относительно невысокой молекулярной массой. Арабиногалактан при взаимодействии с водой формирует ион энергетически рациональной формы, что предопределяет аномально низкие значения вязкости водных растворов. Повышение температуры переводит древесину лиственницы в химически активное состояние. В результате, сформированная парогазовая смесь в микрополости клетки древесины лиственницы создаёт избыточное давление. Непосредственно перенос водного раствора экстрактивных веществ наблюдается в тех областях, где наблюдается градиент давления - это в первую очередь на границе сред (поверхностные слои доски). В начальный период сушки наблюдается интенсивная эмиссия водного раствора экстрактивных веществ. При этом скорость эмиссии тем больше, чем выше температура древесины. Поэтому, чем выше температура в начальный период сушки, тем быстрее наблюдается перевод мембран из группы неселективных в селективную, снижая тем самым производительность мембранной системы. Таким образом, уменьшается временной отрезок сушки, при котором наблюдается повышенная скорость эмиссии раствора и соответственно воды. Следовательно, температурным уровнем в начальном периоде сушки возможно управлять скоростью эмиссии воды из древесины лиственницы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MASS TRANSFER DURING CONVECTIVE DRYING OF LARCH LUMBER

Drying of wood refers to complex technological processes. Therefore, various approaches to the mechanism of water emission from wood during convective drying are possible. To date, there has not been any unambiguous understanding of the mechanism of moisture from such a wood species as larch. The paper proposes the main provisions of the mechanism of water removal during convective drying based on the baromembrane process. Any transfer process is based on the presence of two main components: a mobile substance, a force to move the substance. During the growth of the tree, an aqueous solution of extractive substances is formed. The basis of this group of substances in larch wood is arabinogalactan. Arabinogalactan macromolecules have a relatively low molecular weight. Arabinogalactan, when interacting with water, forms an ion of an energetically rational form, which determines abnormally low viscosity values of aqueous solutions. An increase in temperature puts the larch wood in a chemically active state. As a result, the formed vapor-gas mixture in the micro-cavity of the larch wood cell creates excessive pressure. The direct transfer of an aqueous solution of extractive substances is observed in those areas where a pressure gradient is observed - this is primarily at the boundary of the media (surface layers of the board). During the initial drying period, there is an intense emission of an aqueous solution of extractive substances. At the same time, the higher the temperature of the wood, the higher the emission rate. Therefore, the higher the temperature during the initial drying period, the faster the transfer of membranes from the group of non-selective to selective is observed, thereby reducing the productivity of the membrane system. Thus, the drying time interval decreases, at which an increased rate of emission of solution and, accordingly, water is observed. Therefore, it is possible to control the rate of water emission from larch wood by the temperature level in the initial drying period.

Текст научной работы на тему «МАССОПЕРЕНОС ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ»

УДК 674.047

Хвойные бореальной зоны. 2022. Т. XL, № 3. С. 208-215

МАССОПЕРЕНОС ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ ЛИСТВЕННИЧНЫХ

ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Ш. Г. Зарипов1, В. А. Корниенко2

1Лесосибирский филиал

Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 662543, г. Лесосибирск, ул. Победы, 29 E-mail: zaripov_sh@mail.ru 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский Рабочий», 31

E-mail: kornvlad@mail.ru

Сушка древесины относится к сложным технологическим процессам. Поэтому возможны различные варианты подхода к механизму эмиссии воды из древесины при конвективной сушке. До настоящего времени не сложилось какого-либо однозначного понимания механизма влаги из такой породы древесины как лиственница. В работе предложены основные положения механизма удаления воды при конвективной сушке, основанной на баромембранном процессе.

Любой процесс переноса основывается на наличии двух основных компонентов: подвижная субстанция, сила по перемещению субстанции. В процессе роста дерева формируется водный раствор экстрактивных веществ. Основу данной группы веществ в древесине диственницы составляет арабиногалактан. Макромолекулы арабиногалактана обладают относительно невысокой молекулярной массой. Арабиногалактан при взаимодействии с водой формирует ион энергетически рациональной формы, что предопределяет аномально низкие значения вязкости водных растворов.

Повышение температуры переводит древесину лиственницы в химически активное состояние. В результате, сформированная парогазовая смесь в микрополости клетки древесины лиственницы создаёт избыточное давление. Непосредственно перенос водного раствора экстрактивных веществ наблюдается в тех областях, где наблюдается градиент давления - это в первую очередь на границе сред (поверхностные слои доски).

В начальный период сушки наблюдается интенсивная эмиссия водного раствора экстрактивных веществ. При этом скорость эмиссии тем больше, чем выше температура древесины. Поэтому, чем выше температура в начальный период сушки, тем быстрее наблюдается перевод мембран из группы неселективных в селективную, снижая тем самым производительность мембранной системы. Таким образом, уменьшается временной отрезок сушки, при котором наблюдается повышенная скорость эмиссии раствора и соответственно воды.

Следовательно, температурным уровнем в начальном периоде сушки возможно управлять скоростью эмиссии воды из древесины лиственницы.

Ключевые слова: ковективная сушка, лиственница, избыточное давление, водный раствор, концетрат, пермеат.

Conifers of the boreal area. 2022, Vol. XL, No. 3, P. 208-215

MASS TRANSFER DURING CONVECTIVE DRYING OF LARCH LUMBER Sh. G. Zaripov1, V. A. Kornienko2

1Lesosibirsk Branch of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 29 Pobedy str., Lesosibirsk, 662543, Russian Federation E-mail: zaripov_sh@mail.ru 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii Rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: kornvlad@mail.ru

Drying of wood refers to complex technological processes. Therefore, various approaches to the mechanism of water emission from wood during convective drying are possible. To date, there has not been any unambiguous understanding of the mechanism of moisture from such a wood species as larch. The paper proposes the main provisions of the mechanism of water removal during convective drying based on the baromembrane process.

Any transfer process is based on the presence of two main components: a mobile substance, a force to move the substance. During the growth of the tree, an aqueous solution of extractive substances is formed. The basis of this group of substances in larch wood is arabinogalactan. Arabinogalactan macromolecules have a relatively low

molecular weight. Arabinogalactan, when interacting with water, forms an ion of an energetically rational form, which determines abnormally low viscosity values of aqueous solutions.

An increase in temperature puts the larch wood in a chemically active state. As a result, the formed vapor-gas mixture in the micro-cavity of the larch wood cell creates excessive pressure. The direct transfer of an aqueous solution of extractive substances is observed in those areas where a pressure gradient is observed - this is primarily at the boundary of the media (surface layers of the board).

During the initial drying period, there is an intense emission of an aqueous solution of extractive substances. At the same time, the higher the temperature of the wood, the higher the emission rate. Therefore, the higher the temperature during the initial drying period, the faster the transfer of membranes from the group of non-selective to selective is observed, thereby reducing the productivity of the membrane system. Thus, the drying time interval decreases, at which an increased rate of emission of solution and, accordingly, water is observed.

Therefore, it is possible to control the rate of water emission from larch wood by the temperature level in the initial drying period.

Keywords: covective drying, larch, overpressure, aqueous solution, concentrate, permeate.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема массопереноса в таком композите как древесина лиственницы относится к группе дисскуси-онных. При рассмотрении таких технологических операций как пропитка и сушка древесины предлагается два несогласованных между собой подхода. В то же время в обоих случаях рассматривается массопе-ренос. Основное разночтение касается строения древесины как предмета обработки.

Так, при изучении особенности процесса пропитки древесина представляется в виде системы замкнутых микрополостей, которые сообщаются между собой через окаймлённые поры перфарированные мембранами. Для преодоления сопротивления мембран при пропитке необходимо создавать градиент давлений. Было устрановлено, что, проницаемость древесины зависит не только от величины градиента давлений, но также от породы древесины. По данному показателю древесина лиственницы относится к категории труднопропитываемой [2].

Современный подход при рассмотрении механизма переноса влаги при конвективной сушке основывается на положениях физики капиллярных явлений. Тогда древесина рассматривается в виде постоянно действующих открытых микроканалов, по которым осуществляется перераспределение влаги по толщине доски. По такому показателю как влагопроводимость древесину лиственницы также принято относить к категории низкопроводимой.

При пропитке древесины основным фактором, сдерживающим перенос пропитывающего раствора в древесине лиственницы является наличие экстрактивных веществ, которые концентрируются в окаймлённых порах [2], перекрывая их. Основным сдерживающим фактором при сушке выступает повышенная плотность древесины [3; 4].

Многочисленные наблюдения за процессом сушки лиственничных пиломатериалов указывают на особенности протекания эмиссии влаги, которые в большей степени аналогичны пропитке. В то же время имеет место принципиальные отличия, которые необходимо учитывать при изучении механизма удаления влаги при конвективной сушке низкотемпературными режимами.

При рассмотрении механизма эмиссии воды из древесины лиственницы необходимо учитывать наличие

системы полупроницаемых мембран, которые являются одним из ключевых элементов массопереноса. Обладая свойством полупроницаемости, мембрана регулирует водный баланс растения, а также концентрацию различных веществ в живой клетке [14].

Процесс ядрообразования древесины лиственницы сопровождается изменением химического состава мембраны. В то же время наблюдается такое явление, как «просмаливание» мембраны различного вида орга-никорастворимыми экстрактивными веществами [2]. В результате мембраны переводятся в гидрофобное состояние. Поэтому для многих пропитываемых водорастворимых веществ такие мембраны становятся практически непроницаемы. Следовательно, будет более корректно рассматривать ядровую древесину лиственницы как систему замкнутых микрополостей, что допускает формирование в центре доски избыточного давления [5].

Отличительной особенностью древесины лиственницы является значительное содержание водорастворимых экстрактивных веществ, объём которых достигает 35 % от массы в абсолютно сухом состоянии [6]. Следовательно, в древесине лиственницы формируется водный раствор экстрактивных веществ, который под действием избыточного давления способен перераспределяться по толщине доски.

На основании вышеизложенного формулируется цель данной статьи - изложить основные положения механизма переноса водного раствора экстрактивных веществ при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов.

ОБСУЖДЕНИЕ

Процесс переноса массы вещества в древесине при сушке вообще и лиственницы в частности в настоящее время ограничивается влагопереносом. Если согласиться с такой концепцией, то необходимо отказаться от наличия водного раствора экстрактивных веществ, наличия мембранной системы. Тогда в качестве движущей силы переноса влаги выступает перепад влажности по сечению доски, что является спорным утверждением [7].

Вопрос массопереноса в древесине достаточно подробно изучается специалистами в области пропитки древесины различными растворами [1; 2]. Принципиальным являлся вопрос о путях массопереноса и,

как следствие, режимы пропитки. К сожалению какого-либо однозначного вывода из указанного перечня и других работ, посвящённых данной проблеме, получить не удалось.

При всём многообразии процессов, которые происходят в древесине лиственницы при сушке, особый интерес представляет баромембранный. Избыточное давление, которое нагнетается в полостях клеток, в равной степени создаёт условия переноса веществ как через клеточные стенки, так и мембранную систему межклеточных пор. Поэтому на начальном этапе необходимо определить преимущественное направление массопереноса.

Для анализа данного условия переноса воспользуемся линейным законом Дарси [8; 13] в виде произведения силы переноса на определённом участке и сопротивления среды прохождению раствора:

о = АР-К,

х ц

(1)

где О - объемный расход; к - коэффициент проницаемости среды; ц - динамическая вязкость жидкости или газа; Ар - перепад давления на длине среды х.

Из уравнения (1) следует, что объёмный расход тем выше, чем короче путь прохождения этого раствора. По данному параметру более предпочтительным является межклеточная мембрана. Поэтому предполагается, что основная масса водного раствора экстрактивных веществ перераспределяется через систему межклеточных мембран.

Внешнее проявление действия избыточного давления. Многочисленные визуальные обследования лист-

венничных пиломатериалов, прошедших конвективную сушку низкотемпературными режимами указывают на определённые особенности. Основная особенность заключается в том, что на поверхности доски в подавляющем большинстве случаев наблюдается концентрация экстрактивных веществ в виде пятен (рис. 1). Появление этих пятен не зависит от режима сушки.

Пятна указывают на то, что на поверхность доски в процессе конвективной сушки выводится не только вода, но также и вещества, которые содержатся в древесине. На следующем рисунке (рис. 2) представлена фотография, на которой зафиксирован результат опытной сушки лиственничного образца. Уникальность данного опыта заключается в следующем.

Перед сушкой торцы образца гидроизолировались прокладками из сырой резины. Слой сырой резины прижимался к торцу пружинной стяжкой через мета-лические пластины. Образец подвергался гидротермической обработке при температуре tс = 80 °С. В результате зафиксирован «пробой» гидроизоляции по наиболее слабому месту.

Результаты специального эксперимента [10; 11] (4 = 84 °С) позволили сделать однозначный вывод о перераспределении водорастворимых экстрактивных веществ в лиственничных пиломатериалах в процессе сушки в поперечном направлении (табл. 1).

Очевидно, что экстрактивные вещества образовались на наружной части доски в результате воздействия избыточного давления в центре доски. На возникновение избыточного давления при сушке лиственничных пиломатериалов указывалось в работе [12]. Так, при 4 = 80 °С оно достигает ризб = 1,81105 кПа.

Рис. 1. Наличие пятен экстрактивных веществ на пласти высушенной лиственничной доски

Рис. 2. Выделенные экстрактивные вещества в процессе сушки

Таблица 1

Распределение водоэкстрактивных веществ по сечению лиственничных пиломатериалов

Содержание водоэкстрактивных веществ (% к массе абсолютно сухой древесины)

до сушки после сушки

периферий- централь- периферий- централь-

ная зона ная зона ная зона ная зона

14,05 26,4 21,5 13,5

Полученные выделения представляют собой определённого вида кристаллообразные вещества (рис. 3).

Рис. 3. Экстрактивные вещества из древесины лиственницы после удаления растворителя (воды) (увеличение в 400 раз)

Из вышесказанного следует, что перенос воды в древесине лиственницы при сушке следует рассматривать как составной элемент процесса массоперено-са. При этом сам массоперенос представляется в виде баромембранного процесса.

Основные положения механизма массопереноса в древесине лиственницы при конвективной сушке.

Любой перенос массы вещества осуществляется при выполнении основного условия - наличие движущей силы, способной преодолеть сопротивление среды. Тогда необходимо рассматривать соотношение действия движущей силы и сопротивления древесины лиственницы.

Процесс переноса массы вещества при действии повышенного давления может быть предоставлена в виде нижеприведённой схемы (рис. 4) [13]. Особенностью реализации данной схемы является перенос элементов водного раствора экстрактивных веществ через систему как селективных так и неселективных мембран.

Исходный раствор. Данный вопрос имеет принципиальное значение. Современная теория сушки предполагает, что в древесине вообще и лиственнице в частности нет необходимости рассматривать некий водный раствор экстрактивных веществ. Следовательно, вода выступает в качестве активного компонента, способного самостоятельно перемещаться по толще доски под действием капиллярных явлений [7].

С таким утверждением достаточно сложно согласиться. В процессе роста в древесине лиственницы накапливается значительное количество веществ, которые способны растворяться в эфире, спирте и воде. Из всего перечня веществ, которые содержатся в древесине лиственницы, наибольшее количество приходится на водорастворимые вещества, объём которых достигает 35 % от массы древесины в абсолютно сухом состоянии [6]. Значительная часть этих веществ находится в комле ствола дерева, а также в ядровой зоне на границе с заболонной.

Вода универсальный растворитель, что предполагает взаимодействие её с другими полярными веществами. Наличие в макромолекуле арабиногалактана (АГ) таких разнозаряженных групп как гидроксиль-ные (ОН), альдегидные группы, а также может содержать карбоксильные группы (СООН) определяет её многофункциональность, в том числе способность взаимодействовать с водой. Формирование раствора приводит к снижению активности воды [15].

Особенностью макромолекул АГ лиственницы сибирской от других АГ тем, что обладает невысокой молекулярной массой (среднемассовая м. м. 900013000) и небольшой степенью полидисперсности (1,9-2,3) [16]. В результате формируется энергетически рациональной формы ион (рис. 8), что предопределяет аномально низкие значения вязкости водных растворов АГ [17; 18].

Форма иона АГ, а также наличие гидратного слоя [19], частично нейтрализующее макромолекулу АГ, придаёт повышенную проникающую способность.

Движущая сила массопереноса (нагнетательный насос). В процессе экспериментов было установлено, что при нагреве древесина лиственницы проявляет как физическую, так и химическую активность [9]. По внешнему эффекту, основной вид химической реакции, посредством которой образуется парогазовая смесь является реакция гидролиза, схема протекания которой представлена на рис. 5.

исх.раств

Рис. 4. Структурная схема массопереноса в древесине лиственницы при конвективной сушке пиломатериалов: 1 - нагнетательный насос (избыточное давление); 2 - диффузия водорастворимых веществ; 3 - полупроницаемая (межклеточная) мембрана; 4 - дроссель (температура древесины)

Рис. 8. Схема молекулы арабиногалактана:

1 - молекула арабиногалактана; 2 - потенциалопределяющие ионы; 3 -4 - поверхность скольжения в дисперсной среде; 5 - противоионы

гидратный слой;

Рис. 5. Обобщённая схема диссоциации полярных частиц

Увеличение температуры древесины приводит к уменьшению равновесных концентраций исходных веществ и увеличению равновесных концентраций конечных веществ по сравнению с первоначальными равновесными концентрациями (принцип Ле-Шателье). Химические процессы носят необратимый характер, так как при их реализации часть продуктов гидролиза уходит из сферы реакции в виде газа. Предполагается, что получение каждого элемента парогазовой смеси происходит в определённой последовательности.

На начальном этапе происходит поляризация молекулы путём притягивания к концам полярной макромолекулы молекул воды, что приводит к расхождению её полюсов. Такая поляризация в сочетании с колебательным тепловым движением атомов в рассматриваемой молекуле, а также с непрерывным тепловым движением окружающих молекул раствора приводит к распаду полярной молекулы на ионы [20]. Таким образом, формируется парогазовая смесь, создающее некоторое избыточное давление в толще доски.

Результатом такой активности является образование многокомпонентной парогазовой смеси [5]. Полученная в результате химической реакции парогазовая смесь не только наполняет микрополости клеток, но и переполняет их, создавая тем самым условия формирования избыточного давление.

Косвенные показатели в виде неравномерного распределения влажности, а также экстрактивных веществ по поперечному сечению сырой доски указывают на отсутствие открытых каналов между микрополостями клеток [9], что обеспечивало бы равномерное распределение водного раствора. Поэтому наличие объёма парогазовой смеси многократно превышающее ёмкость микрополостей является условием формирования избыточного давление.

Мембранная система древесины лиственницы. Ключевым элементом при изучении механизма пере-

носа через межклеточную пору является полупроницаемая мембрана - это селективно проницаемый барьер между двумя фазами. Межклеточная мембрана любого живого растения, включая дерево - сложный комплекс, который отвечает содержание определённого перечня питательных веществ в клетке.

Проникновение молекул через мембрану зависит от их относительной растворимости в липидах. В свою очередь растворимость основывается на электростатических закономерностях. Следовательно, проникающая способность вещества во многом зависит от наличия в макромолекуле заряженных групп, способных взаимодействовать с липидным слоем.

Данное положение указывает на наличие двойного липидного слоя, который образует основу биологической мембраны [21]. В процессе ядрообразования, главным образом, изменяется химический состав древесины, а не её гистологическое строение [2]. Можно предположить, что изменения химического состава касаются и мембраны путём изчезновения липидных слоёв. В результате мембрана частично утрачивает способность регулирования состава веществ клетки, оставаясь при этом определённым электромагнитным полем.

Массоперенос через мембрану. Перенос водного раствора экстрактивных веществ через полупроницаемую мембрану древесины лиственницы - сложный процесс, в ктором имеет место множество неизвестных. Поэтому такой процесс целесообразно рассматривать как «чёрный ящик». Следует заметить, что с точки зрения внутренней структуры все мембраны принципиально можно разделить на две группы -мембраны пористые и непористые.

В древесине лиственницы в равной степени следует ожидать наличие обоих видов мембран. Данный вывод следует из предположения того, что в одних случаях может сохраниться фосфолипидный слой (наличие микроканалов), а в других - нет. Из этого

следует, что в порах мембраны перенос вещества осуществляется конвективным потоком, в сплошном материале - диффузионным потоком.

Тогда общий перенос вещества Осум. через мембрану целесообразно рассматривать как сумму двух потоков [13]:

(2)

О+,

где Ок - конвективный перенос; О^ - диффузионный перенос.

Ковективный перенос достаточно правильно описывается уравнением Хагена-Пуазейля [13]:

ег2 Ар

ок =---,

к 8ц-т I

(3)

где е - пористость поверхности мембраны, т. е. отношение площади пор к площади мембраны; г - средний радиус пор; ц - вязкость раствора; т - фактор извилистости пор; I - толщина мембраны; Ар - разность давлений по обе стороны мембраны.

Диффузионный перенос описывается уравнением Фика [13]:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

= о .АС

л I

(4)

где В - коэффициент диффузии проникающего компонента в материале мембраны.

Для шаровых частиц коэффициент диффузии В расчитывается по уравнению:

В =

ЯТ 1

N4 6пцг

(5)

где Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; NA - число Авагадро; ц - вязкость растворителя; г - радиус частицы.

Из уравнений (3), (5) следует вывод о том, что такие показатели мембран как селективность и производительность во многом зависят от соотношения размеров пор мембраны и самой макромолекулы (рис. 6).

Можно предположить, что соотношение размеров пор мембраны и самой макромолекулы в древесине лиственницы в равной степени способны как свободно пропускать (йп > 2/ + ^ги), так и сдерживать перенос вещества по толще доски (йп < 2/ + ^ги) (см. рис. 6) [13].

Таким образом, наличие избыточного давления создаёт условие интенсивного контакта макромолекул растворённого вещества с поверхностью мембран. Тогда одна часть макромолекул растворённого вещества в виде концентрата остаются в толще доски (селективный диаметр пор), а другая выводится на поверхность доски в качестве пермеата.

Следует отметить, что вышеописанный эффект массопереноса наблюдается на границе сред - в мембранной системе поверхностных слоёв доски. Так как только в поверхностных слоях доски можно создать градиент давления.

Рациональные температурные режимы конвективной сушки лиственничных пиломатериалов на начальном этапе. Из схемы (рис. 6) видно, что наличие в мембране различных по размеру пор позволяет транспортировать через мембрану широкий по размерам спектр компонентов водного раствора экстрактивных веществ. Однако при прочих равных условиях на производительность мембранной системы древесины лиственницы существенное влияние оказывает температура и избыточное давление, а также время сушки.

Влияние температуры и избыточного давления. В первом приближении для описания влияния температурного фактора и избыточного давления на процесс переноса через мембранную систему древесины лиственницы воспользуемся уравнением С. Журкова [22]:

т = т0ехр

Ер -аТ

кТ

(6)

где т0 - период колебания частицы; Ер - энергетический барьер перескока; <зТ - величина сдвиговых напряжений, действующая на связь; Т - температура; к -константа Больцмана.

Из уравнения (6) следует вывод о том, что каждый акт диффузии - это переход определённого иона переносимого вещества через энергетический барьер высотой Ер, разделяющий положения равновесия. Следовательно, переход иона в следующее равновесное состояние осуществляется при условии разрушения одних межионных связей и восстановления других. Течение раствора ускоряется за счёт действующих на связь сдвиговых напряжений, которые формируются за счёт перепада давления на сторонах мембраны.

Рис. 6. Механизм селективности мембраны [13]:

р - избыточное давление; - осмотическое давление на стороне мембраны; 4 - слой связанной воды; й - диаметр поры мембраны; йги - диаметр гидротированных ионов растворённого вещества

Из этого следует, что подвижность каждого иона дифундирующего раствора будет во многом зависеть от его формы, размеров и температуры. Тогда к наиболее подвижным следует отнести молекулы воды. Также повышенной проникающей способностью ионы АГ небольшой молекулярной массой. Данный эффект объясняется следующим. С уменьшением размера иона плотность заряда увеличивается, что создаёт более сильное электрическое поле, которое притягивает больше молекул воды. В результате макромолекулы АГ обладают большей толщиной оболочки. Следовательно, при проникновении через поры мелкие ионы характеризуются большим эффективным радиусом.

С увеличением молекулярной массы иона высота энергетического барьера, при прочих равных условиях, возрастает. Поэтому при относительно низких температурах сушки (tc ~ 40 °С) следует ожидать невысокую удельную скорость эмиссии воды, которая достигает Gw = 0,1 кг/(м2-ч). Повышение температуры древесины лиственницы в начальный период сушки до tc ~ 60 °С позволяет увеличить значение удельной скорости эмиссии воды до Gw = 0,18 кг/(м2-ч) [9].

Влияние времени сушки на производительность мембранной системы древесины лиственницы. Работа любой мембранной системы связано с изменением её проницаемости - наблюдается адсорбция растворённого вещества на поверхности и в порах мембраны. В результате неселективные поры мембран сужаются и переходят к группе селективных.

Для восстановления работоспособности фильтров производится либо их замена, либо удаление с внешней стороны фильтра пермеата путём их промывки. Технологией экстрагирования из древесины определённой группы веществ предусматривается предварительное измельчение и обильное промывание, что позволяет восстанавливать производительность мембранной системы древесины из которой производится экстракция.

При сушке лиственничных пиломатериалов операцию восстановления производительности мембранной системы осуществить невозможно. При этом нет возможности предотвратить перевод мембранной системы из несективного состояния в селективный, так как процесс экстракции блокировать невозможно. Можно только снизить интенсивность экстракции, тем самым продлевая период перевода из группы неселективных в селектую путём снижения температуры первой ступени сушки. Так, снижение температуры первой ступени сушки с tс ~ 60 °С по ГОСТ 1977384 [23] до tс ~ 40 °С позволяет снизить общее время сушки лиственничных пиломатериалов, в зависимости от толщины доски, до 10.. .12 %.

ВЫВОДЫ

1. Массоперенос при сушке лиственничных пиломатериалов следует рассматривать как баромембран-ный.

2. Влагоперенос в древесине лиственницы при сушке является составным процессом переноса водного раствора экстрактивных веществ.

3. Удаление водного раствора экстрактивных веществ начинается на границе сред.

4. Производительность мембранной системы постепенно снижается за счёт адсорбции ионов АГ на поверхности мембран.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Баженов В. А., Москалева В. Е. О проницаемости древесины заболони и ядра сосны жидкостями и о возможности ее регулирования // Труды Ин-та леса. 1953. Т. 9. С. 205-215.

2. Харук Е. В. Проницаемость древесины газами и жидкостями. Новосибирск : Наука, 1976. 189 с.

3. Серговский П. С., Расев А. И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины : учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Лесн. пром-сть, 1987. 360 с.

4. Шубин Г. С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины. М. : Лесн. пром-сть, 1973. 248 с.

5. Зарипов Ш. Г., Ермолин В. Н. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке // Лесной журнал. 2011. № 4. С. 52-57.

6. Левин Э. Д., Денисов О. Б., Пен Р. Э. Комплексная переработка лиственницы. М. : Лесн. пром-сть, 1978. 224 с.

7. Чудинов Б. С. Вода в древесине. Новосибирск : Наука, 1984. 267 с.

8. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. М. : Химия, 1981. 464 с.

9. Зарипов Ш. Г. Совершенствование технологии сушки лиственничных пиломатериалов : дис. ... д-ра техн. наук. Архангельск, 2016. 243 с.

10. Зарипов Ш. Г. Влияние водорастворимых экстрактивных веществ на процесс переноса влаги при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов // Известия СПбЛА. 2012. № 201. С. 178-186.

11. Зарипов Ш. Г., Ермолин В. Н. Перераспределение водорастворимых экстрактивных веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки // Хвойные бореальной зоны. 2010. № 3-4. С. 352-354.

12. Кротов Л. Н., Ослонович В. Н. Температурные поля, поля влажности и давление в древесине при высокотемпературной сушке // Лиственница. 1968. Т. III. С. 408-419.

13. Свитцов А. А. Введение в мембранную технологию : учеб. пособие. РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2006. 170 с.

14. Якушкина Н. И., Бахтенко Е. Ю. Физиология растений. М. : Владос, 2004. 464 с.

15. Оводов Ю. С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность // Биоорганическая химия. 1998. Т. 24, № 7. С. 483-501.

16. Иммуномодулирующие свойства арабинога-лактана лиственницы сибирской (Larix sibirica L.) / В. И. Дубровина, С. А. Медведева, Г. П. Александрова и др. // Фармация. 2001. № 5. С. 26-27.

17. Антонова Г. Ф., Тюкавкина Н. А. Водорастворимые вещества лиственницы и возможности их использования // Химия древесины. 1983. № 2. С. 89-96.

18. Бочков А. Н., Афанасьев В. А., Заиков Г. Е. Образование и расщепление гликозидных связей. М. : Наука, 1978. 179 с.

19. Аширов А. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. Л. : Химия, 1983. 295 с.

20. Глинка Н. Л. Общая химия : учеб. пособие для вузов / под ред. А. И. Ермакова. 29-е изд., испр. М. : Интеграл-Пресс, 2002. 728 с.

21. Нобел П. Физиология растительной клетки (физико-химический подход) : пер. с англ. М. : Мир, 1973. 288 с.

22. Бартенев Г. М. Прочность и механизм разрушения полимеров. М. : Химия, 1984. 280 с.

23. ГОСТ 19773-84. Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия. Введ. 1985-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1989. 14 с.

REFERENCES

1. Bazhenov V. A., Moskaleva V. E. O pronicaemosti drevesiny zaboloni i yadra sosny zhidkostyami i o vozmozhnosti ee regulirovaniya // Trudy In-ta lesa. 1953. T. 9. S. 205-215.

2. Haruk E. V. Pronicaemost' drevesiny gazami i zhidkostyami. Novosibirsk : Nauka, 1976. 189 s.

3. Sergovskij P. S., Rasev A. I. Gidrotermicheskaya obrabotka i konservirovanie drevesiny : uchebnik dlya vuzov. 4-e izd., pererab. i dop. M. : Lesn. prom-st', 1987. 360 s.

4. Shubin G. S. Fizicheskie osnovy i raschet processov sushki drevesiny. M. : Lesn. prom-st', 1973. 248 s.

5. Zaripov Sh. G., Ermolin V. N. Izbytochnoe davlenie v listvennichnyh pilomaterialah pri nizkotempe-raturnoj konvektivnoj sushke // Lesnoj zhurnal. 2011. № 4. S. 52-57.

6. Levin E. D., Denisov O. B., Pen R. E. Kompleksnaya pererabotka listvennicy. M. : Lesn. prom-st', 1978. 224 s.

7. Chudinov B. S. Voda v drevesine. Novosibirsk : Nauka, 1984. 267 s.

8. Hvang S.-T., Kammermejer K. Membrannye processy razdeleniya. M. : Himiya, 1981. 464 s.

9. Zaripov Sh. G. Sovershenstvovanie tekhnologii sushki listvennichnyh pilomaterialov : dis. ... d-ra tekhn. nauk. Arhangel'sk, 2016. 243 s.

10. Zaripov Sh. G. Vliyanie vodorastvorimyh ekstrak-tivnyh veshchestv na process perenosa vlagi pri

konvektivnoj sushke listvennichnyh pilomaterialov // Izvestiya SPbLA. 2012. № 201. S. 178-186.

11. Zaripov Sh. G., Ermolin V. N. Pereraspredelenie vodorastvorimyh ekstraktivnyh veshchestv v drevesine listvennicy v processe konvektivnoj sushki // Hvojnye boreal'noj zony. 2010. № 3-4. S. 352-354.

12. Krotov L. N., Oslonovich V. N. Temperaturnye polya, polya vlazhnosti i davlenie v drevesine pri vysokotemperaturnoj sushke // Listvennica. 1968. T. III. S. 408-419.

13. Svitcov A. A. Vvedenie v membrannuyu tekh-nologiyu : ucheb. posobie. RHTU im. D. I. Mendeleeva, 2006. 170 s.

14. Yakushkina N. I., Bahtenko E. Yu. Fiziologiya rastenij. M. : Vlados, 2004. 464 s.

15. Ovodov Yu. S. Polisaharidy cvetkovyh rastenij: struktura i fiziologicheskaya aktivnost' // Bioorganiches-kaya himiya. 1998. T. 24, № 7. S. 483-501.

16. Immunomoduliruyushchie svojstva arabinogala-ktana listvennicy sibirskoj (Larix sibirica L.) / V. I. Dub-rovina, S. A. Medvedeva, G. P. Aleksandrova i dr. // Farmaciya. 2001. № 5. S. 26-27.

17. Antonova G. F., Tyukavkina N. A. Vodorastvo-rimye veshchestva listvennicy i vozmozhnosti ih ispol'zovaniya // Himiya drevesiny. 1983. № 2. S. 89-96.

18. Bochkov A. N., Afanas'ev V. A., Zaikov G. E. Obrazovanie i rasshcheplenie glikozidnyh svyazej. M. : Nauka, 1978. 179 s.

19. Ashirov A. Ionoobmennaya ochistka stochnyh vod, rastvorov i gazov. L. : Himiya, 1983. 295 s.

20. Glinka N. L. Obshchaya himiya : ucheb. posobie dlya vuzov / pod red. A. I. Ermakova. 29-e izd., ispr. M. : Integral-Press, 2002. 728 s.

21. Nobel P. Fiziologiya rastitel'noj kletki (fiziko-himicheskij podhod) : per. s angl. M. : Mir, 1973. 288 s.

22. Bartenev G. M. Prochnost' i mekhanizm razrusheniya polimerov. M. : Himiya, 1984. 280 s.

23. GOST 19773-84. Pilomaterialy hvojnyh i listvennyh porod. Rezhimy sushki v kamerah periodiches-kogo dejstviya. Vved. 1985-01-01. M. : Izd-vo standartov, 1989. 14 s.

© Зарипов Ш. Г., Корниенко В. А., 2022

Поступила в редакцию 15.01.2022 Принята к печати 01.06.2022

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.