CC BY
65
Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 63-66.
УДК 630.283:630.866
ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ СУХОЙ ОКОРКИ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ. 1. ОСОБЕННОСТИ ОТХОДОВ СУХОЙ ОКОРКИ КАК СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
© И.Н. Беседина, Ю.Я. Симкин, В.С. Петров
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: re@sibstu.kts.ru
В работе представлены результаты изучения фракционного состава, механической прочности и микроструктуры отходов сухой окорки лиственницы сибирской с точки зрения получения из них углеродных материалов.
Введение
В настоящее время в промышленное производство все больше вовлекается лиственница, являющаяся основной лесообразующей породой Сибири и Дальнего Востока, где она занимает более половины всей площади, занимаемой лесами. С древесиной из леса ежегодно вывозится более 45 млн м3 коры [1]. Если учесть, что в процессе окорки бревен вместе с корой снимается и часть древесины, то общий объем отходов окорки может исчисляться еще большими цифрами. В настоящее время отходы окорки в незначительных количествах используются на сжигание и в сельском хозяйстве [2]. Основную же их массу вывозят в отвалы, загрязняющие водные бассейны экстрактивными веществами и продуктами распада коры. В сухом виде эти отходы в отвалах представляют большую пожарную опасность для близлежащих строений и лесных массивов.
Реальные возможности организации промышленной утилизации коры имеются на предприятиях целлюлозно-бумажного производства (ЦБП), где в больших количествах производится окорка древесины. Здесь при сухой окорке в барабанах кора мелко диспергируется с преобладанием мелких частиц, полученных при истирании коркового слоя. Вместе с корой от ствола отделяется часть древесины в виде отщепов и волокна, в составе отходов окорки может находиться до 15-20% древесины. Общее количество отходов окорки лиственницы достигает 25,5% объема ствола древесины [2].
Одним из рациональных направлений использования отходов окорки может быть их пирогенетическая переработка с получением ряда пользующихся спросом продуктов, важнейшим из которых является уголь, близкий к древесному. Основные потребители древесного угля - химическая промышленность, производящая из него различные виды активных углей, и металлургические заводы, где он используется в качестве восстановителя.
Переработка древесного сырья пиролитическими методами имеет ряд особенностей, обусловленных его происхождением. Из литературных источников [3-18] следует, что кора по своим механическим
Автор, с которым следует вести переписку.
свойствам, анатомическому строению и химическому составу существенно отличается от древесины. Поэтому, как правило, традиционные промышленные методы термической переработки древесины неприемлемы для переработки отходов окорки. Одним из требований этих технологий являются требования к механической прочности и гранулометрическому составу используемого сырья. По этим показателям отходы окорки, имеющие низкую механическую прочность и большую дисперсность фракционного состава существенно уступают древесному сырью, используемому при пиролизе, а также по качеству получаемых из них углей. Угли из отходов сухой окорки в сравнении с древесными углями практически не имеют механической прочности и по фракционному составу не удовлетворяют требованиям действующих стандартов. Слабая механическая прочность отходов окорки обусловлена низкой механической прочностью коры, в то время как входящая в состав отходов древесина обладает значительно большей механической прочностью, чем кора. Вместе с тем, большая часть древесины в отходах, отделена от коры, и в таком виде не придает им прочности. Переработка полидисперсного сырья имеет ряд технологических особенностей, обусловленных необходимостью применения в большинстве случаев различных технологических режимов.
Обсуждение результатов
Чтобы выбрать рациональные методы промышленной переработки отходов окорки, важно иметь представление о их строении, фракционном составе и свойствах. Фракционный состав отходов окорки представлен в таблице 1. В качестве сырья для исследования были взяты отходы сухой окорки лиственницы сибирской Селенгинского целлюлозно-картонного комбината.
Как видно из таблицы 1, значительная часть отходов (43%) приходится на фракции, отличные по размерам от основной (5-10 мм), что обусловливает полидисперсность отходов окорки. Соотношение фракций 1-5 : 5-3 : 10-20 мм близко к соотношению 1 : 2 : 1. Технологичной можно считать фракцию менее 20 мм, так как на нее приходится около 90% отходов окорки.
Из анализа химического состав следует, что кора дерева по содержанию компонентов значительно отличается от древесины, так, в коре лиственницы содержится основного углеобразующего компонента лигнина 40-50%, а в ее древесине значительно меньше - 28-30%, целлюлозы соответственно: в коре лиственницы - 25%, в древесине лиственницы - 40%, минеральных компонентов в коре хвойных пород -2,1-2,4%, в древесине - 0,5-1,1%. В составе коры также имеются вещества, которых нет в древесине, например, суберин с содержанием 2,5-3,5% [3-8]. В связи с этим химический состав отходов окорки зависит от процентного содержания в них коры и древесины.
Немаловажное значение для получения углеродных продуктов имеет капиллярно-пористое строение исходного сырья. Макроструктура древесно-угольных продуктов формируется в процессе пирогенетической обработки на основе анатомического строения используемых видов древесного сырья. Поэтому значительный интерес представляет связь анатомического строения коры и пирогенетических продуктов ее переработки. Образцы отходов окорки и полученных углей изучались с помощью электронного микроскопа РЭМ-100У при увеличениях 500, 1000, 2000 кратности. На рисунке 1 представлен снимок поперечного среза участка коры лиственницы сибирской.
Таблица 1. Фракционный состав отходов сухой окорки лиственницы сибирской
№ п/п Размер частиц, мм Содержание, % мас.
1 менее 1 10
2 от 1 до 5 15
3 от 5 до 10 57
4 от 10 до 20 8
5 от 20 10
Получение углеродных материалов из отходов ...
65
Рис. 1. Микрофотография поперечного среза коры
лиственницы сибирской
На левой части снимка 1 хорошо видны занимающие основное пространство сечения слои вытянутых пробковых клеток феллемы, которые являются основной составной частью коры и имеют тонкие непрочные стенки. Во флоэме - лубяной части коры (правая часть снимка), находятся крупные паренхимные клетки, размеры которых достигают 100-150 мкм и занимают значительное пространство среза. Между паренхимными клетками находятся отдельными рядами (по 4-12 в ряд) мелкие ситовидные клетки размерами в сечении 15-40 мкм. Ситовидные клетки имеют механически непрочные нелигнофицированные целлюлозные оболочки [7-10]. Многоугольники каменистых клеток (склереид) фелодермы с утолщенными лигнофицированными стенками занимают в коре хвойных пород долю до 26% площади и имеют поперечное сечение 50-130 мкм [7-10]. Каменистые клетки вместе с лубяными волокнами придают основные механические свойства коре. Наличие в структуре большого количества непрочных клеток обусловливает слабую механическую прочность как самих отходов, так и получаемых из них углей. В данном случае повысить прочность получаемых углей из отходов окорки можно, снизив объемный процент содержания пробковых и ситовидных клеток в исходной коре и тем самым увеличив содержание каменистых клеток и лубяных волокон. Важной качественной характеристикой углеродных материалов наряду с механической прочностью является их пористость. Количество прочных клеток отходов сухой окорки вполне может в дальнейшем обеспечить необходимую пористость получаемых из них углей. Для эффективного получения качественных древесно-угольных материалов необходимо использовать исходное древесное сырье одной крупности. Процессом, придающим отходам окорки одинаковую крупность, а также повышающим их механическую прочность, может быть прессование при получении брикетов.
1. Отходы сухой окорки являются перспективным крупнотоннажным сырьем, мало использующимся в промышленности. Препятствием для пиролитической переработки отходов сухой окорки является разнородность их фракционного состава и низкая механическая прочность полученных из них углеродных материалов.
2. Процентное содержание коры и древесины отходов сухой окорки определяет их химический состав, выход и качество продуктов пиролиза.
3. Доля непрочных клеток отходов сухой окорки хвойных пород составляет менее 74%, механическую прочность отходов сухой окорки и получаемым из них углеродным материалам, в основном придают каменистые клетки и лубяные волокна коры и клетки древесины, входящие в их состав.
Выводы
Список литературы
1. Житков А.В. Утилизация древесной коры. М., 1985. 135 с.
2. Никишов В.Д. Комплексное использование древесины. М., 1985. 263 с.
3. Веретенник Д.Г. Использование древесной коры в народном хозяйстве. М., 1976. 120 с.
4. Богомолов Б. Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. М., 1973. 400 с.
5. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.; Л., 1962. 711 с.
6. Гвоздева Е.Н., Артемьева И.С., Леванова В.П. Химический состав коры лиственницы сибирской (Larix sibirica) // Химия древесины. 1979. №3. С. 100-102.
7. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М., 1988. 511 с.
8. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М., 1986. 368 с.
9. Howard E.T. // Wood Sci. 1971. №3. P. 134-148.
10. Howard E.T. // Wood Fiber. 1977. №9. P. 171, 183.
11. Nakano H. and Cote W.A. Bark Structure of Hardwoods Grown on Southern Pine Sites Syracuse University Press, Syracuse N.Y., 1980.
12. Cassens D.L. // For. Prod. J. 1974. V. 24. №4. P. 40-44.
13. Martin R.E. // For. Prod. J. 1969. V. 19. №8. P. 23-30.
14. Esau K. Structure and Development of the Bark in Dicotyledons // In: Formation of Wood in Forest trees. New York, 1964. P. 37-50.
15. Esau K. Plant Anatomy, 2 nd Ed., New York; London, 1965.
16. Nakano H. and Cote W.A. Bark Structure of Hardwoods Grown on Southern Pine Sites. Syracuse N.Y., 1980.
17. Parameswaran N. and Liese W. Mikroskopie der Rinde tropischer Holzarten. In: Handbuch der Mikroskope. UmschauVerlag, Frankfurt/M., 1970. V. 5. №1. P. 227-306.
18. Srivastava L.M. // Int. Rev. For. Res. 1964. №1. P. 203-277.
Поступило в редакцию 11 февраля 2002 г.
