CC BY
41
УДК 630.283
ВЛИЯНИЕ СРОКОВ ПОРАЖЕНИЯ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКИМ ШЕЛКОПРЯДОМ НА ПРОЦЕССЫ УГЛЕОБРАЗОВАНИЯ
© Н.С. Епифанцева , Ю.Я. Симкин
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: garant2005@bk.ru
Изучено влияние периодов усыхания лиственницы сибирской после воздействия сибирского шелкопряда на химический состав, термостойкость, углеобразующие свойства древесинных компонентов и на технические характеристики получаемых древесных углей. Показано, что из древесины лиственниц, с периодом усыхания до 12 лет можно получать древесные угли марок «Б» и «В».
Ключевые слова: лиственница, сибирский шелкопряд, древесный уголь.
Введение
Сибирский шелкопряд (Dendrolimus superans sibiricus Tschetw) является основным вредителем хвойных лесов Азиатской России. Ежегодно сибирский шелкопряд наносит ущерб лесам на площади в среднем около 100 тыс. га [1]. Древесина деревьев, усыхающих от воздействия лесных вредителей, быстро теряет деловые качества и не находит промышленного применения, кроме как использования в качестве топлива [2]. Тем не менее большие массивы хвойных лесов, пораженных сибирским шелкопрядом, представляют собой потенциальный многотоннажный источник сырья для получения древесноугольных продуктов.
В период нахождения в сухостойном состоянии в химическом составе усыхающих деревьев происходят изменения, которые могут влиять на процесс пиролиза древесины и качество конечных продуктов. Так, Е.В. Мазуровой [3] отмечено, что после 4 лет нахождения пораженной сибирским шелкопрядом пихты в сухостойном состоянии, ее древесину не рекомендуется применять для получения углей промышленных марок. Лиственница сибирская, в отличие от пихты, обладает способностью к образованию компенсационной хвои и может оставаться жизнеспособной даже после двух- и трехкратных объеданий лесными вредителями, ее древесина намного устойчивее к процессам гниения [2]. Угли, получаемые из древесины лиственниц, не подвергавшихся нападению шелкопряда, по своей прочности вполне могут конкурировать с березовыми углями высших марок [4]. В связи с этим представляло интерес выяснить влияние сроков усыхания пораженных сибирским шелкопрядом лиственниц на термическое разложение древесины и технические характеристики получаемых углей.
Экспериментальная часть
Исходным сырьем служила древесина лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.), пораженной сибирским шелкопрядом.
Для исследований в качестве модельных (не менее пяти в каждом опыте) [5, 6], были отобраны деревья из очагов поражения Саянского лесхоза Красноярского края и Копьевского лесхоза республики Хакасии, а также для сравнения лиственница, не подвергавшаяся воздействию лесных вредителей (здоровая). Все деревья имели высоту ствола около 15 м при диаметре верхней части около 0,1 м и в нижней на высоте 1,3 м -
0,180-0,185 м, были одного возраста (35-40) лет и одинакового развития. Периоды усыхания выбранных
* Автор, с которым следует вести переписку.
деревьев составляла 2, 3, 5, 7 и 12 лет. Из нижней, средней и верхней частей стволов срубленных деревьев были отобраны образцы соответственно на высотах от комля 1, 3, 6 и 12 м.
Опилки из древесины отобранных образцов, подсушивались до влажности 8-10% и анализировались по стандартным методикам [7, 8] на содержание в процентах к абсолютно сухой древесине трудно- и легкогидролизуемых полисахаридов, лигнина в модификации Комарова, веществ, экстрагируемых горячей водой, и минеральных веществ.
Комплексный термический анализ навески древесных опилок массой 2,5-10-4 кг выполнялся на деривато-графе системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдеи в платиновом тигле с крышкой в атмосфере гелия со скоростью подъема температуры 6 °С/мин до конечной температуры нагрева 900 °С. Эталонным веществом служила прокаленная окись алюминия. По полученным на дериватограммах кривым ТГ и ДТГ вычислялись скорости потери массы древесины.
У образцов угля-сырца, полученных при пиролизе в лабораторной реторте при температуре 500 °С со скоростью нагрева 10 °С/мин и продолжительностью прокалки 60 мин, по стандартным методикам [9, 10] определялись выход древесного угля, его кажущаяся плотность, массовая доля золы, массовая доля нелетучего углерода, механическая прочность на раздавливание. Для определений механической прочности древесных углей применялась разрывная машина РМИ-60. При анализе полученных результатов пользовались усредненными значениями дублированных опытов.
Обсуждение результатов
Известно [3], что с увеличением периода усыхания в древесине пихты значительно снижается содержание основных углеобразующих компонентов. Так, содержание лигнина в ее древесине уменьшается с 30% у здоровой пихты до 20% у дерева с периодом усыхания 6 лет, содержание трудногидролизуемых полисахаридов, составляющих основу целлюлозы, уменьшается с 50 до 30 %, соответственно. Выход угля снижается с 29 до 20%. Такое снижение выхода основного товарного продукта может значительно ухудшить экономические показатели производства.
Нами была изучена динамика изменения химического состава древесины усыхающей лиственницы с учетом ее расположения по высоте ствола дерева. По мере пребывания усыхающей лиственницы в вертикальном положении в древесине начинают происходить процессы биологического разложения, которые можно проследить по изменению химического состава (табл. 1).
Из результатов, приведенных в таблице 1, видно, что с увеличением периодов усыхания деревьев в древесине верхних частей их стволов снижается содержание веществ, экстрагируемых горячей водой. Так, к 12-ти годам усыхания дерева в верхней части ствола их содержание в 1,8 раза меньше, чем в нижней его части. С точки зрения углеобразующих свойств, содержание этих веществ не представляет практического интереса и свидетельствует о происходящих процессах в древесине усыхающего дерева.
Таблица 1. Содержание основных компонентов в древесине лиственницы
Используемая древесина
Содержание компонентов в древесине, % от абсолютно сухой древесины (а.с.д.)
период усы- высота ствола вещества, экс- легкогидро- трудно- лигнин в мо- минеральные
хания дере- от комля де- трагируемые лизуемые по- гидролизуемые дификации Ко- вещества
ва, лет рева, м горячей водой лисахариды полисахариды марова
13,7 13,38±0,3 17,52±0,14 40,29±0,53 28,77±0,35 0,20±0,02
0 7,5 12,64±0,25 17,48±0,21 37,22±0,16 32,07±0,44 0,31±0,02
1,3 15,17±0,1 17,15±0,08 38,12±0,82 29,01±0,04 0,30±0,03
13,7 13,48±0,22 18,34±0,01 39,11±0,17 27,36±0,08 0,31±0,01
2 7,5 14,91±0,58 17,74±0,13 36,03±0,3 29,47±0,25 0,46±0,02
1,3 17,19±1,1 16,76±0,17 37,22±0,81 27,24±0,01 0,26±0,01
13,7 12,07±0,21 18,10±0,44 40,89±0,2 27,13±0,22 0,32±0,03
3 7,5 17,94±0,59 15,19±0,11 36,39±0,16 27,93±0,92 0,41±0,01
1,3 17,74±0,24 16,12±0,41 38,80±0,14 25,50±0,1 0,30±0,02
13,7 9,84±0,22 25,33±0,12 33,67±0,18 28,2±0,07 0,42±0,02
7 7,5 12,42±0,38 25,4±0,17 32,5±0,11 27,2±0,13 0,37±0,01
1,3 16,36±0,15 28,15±0,08 30,96±0,42 26,1±0,31 0,34±0,03
13,7 9,9±0,25 24,9±0,15 34,66±0,19 27,1±0,11 0,25±0,02
12 7,5 13,1±0,51 24,2±0,21 33,94±0,23 25,2±0,19 0,22±0,03
1,3 17,65±0,24 28,1±0,12 30,1±0,11 24,4±0,24 0,27±0,01
Более выражены процессы разложения, происходящие в древесине деревьев с периодами усыхания 7 и 12 лет. Здесь, наряду со снижением содержания лигнина в средней и нижней частях стволов деревьев относительно верхних частей, становится заметным снижение содержания трудногидролизуемых полисахаридов и, соответственно, увеличивается содержание легкогидролизуемых полисахаридов. Общие суммы полисахаридов верхних и нижних частей стволов деревьев первых сроков усыхания отличаются на 2,5-5%. В более поздние сроки усыхания (7 и 12 лет) эти отличия нивелируются за счет роста содержания легкогидролизуемых полисахаридов в средней и нижней частях стволов деревьев до 0-1,4%. Среднее содержание лигнина в древесине лиственницы с периодом усыхания 12 лет составляет - 24,7%, что, наряду с средним суммарным содержанием полисахаридов 58,6%, свидетельствует о сохранении древесиной достаточного уровня углеобразования.
Выявленные изменения в содержании полисахаридов, представляющих целлюлозную и гемицеллюлоз-ную части, и в содержании лигнина влияют на процесс термической деструкции древесины (табл. 2).
Из сравнения данных таблиц 1 и 2 наблюдается связь между химическим составом исследуемых образцов и убылью массы древесного вещества. Так, потери массы древесины здорового дерева и деревьев с периодами усыхания 3 и 12 лет в интервале температур 220-270 °С (табл. 2) близки к средним значениям содержаний в древесине этих деревьев легкогидролизуемых полисахаридов: 16,4 и 25,7% (табл. 1) соответственно. Этот интервал температур характерен для разложения легкогидролизуемых и наименее термостойких полисахаридов, представляющих собой гемицеллюлозу. При таких температурах самые низкие потери массы (9,25%) отмечаются у древесины здорового дерева и самые большие (21,38%) у древесины дерева с периодом усыхания 12 лет, что объясняется высоким содержанием легкогидролизуемых полисахаридов, образовавшихся за счет происшедших в его древесине биологических процессов разложения, скорее всего, трудногидролизуемых полисахаридов целлюлозы. В интервале температур 320-370 °С, характерном для термического разложения целлюлозы, наоборот, у древесины здорового дерева убыль массы возрастает (5,2%) и сравнивается с убылью массы дерева с периодом усыхания 12 лет (5,6%). В данном случае убыль массы древесины здорового дерева происходит, в основном, за счет не подверженной биологическим процессам разложения целлюлозы, а у древесины лиственницы с периодом усыхания 12 лет вследствие произошедших биологических процессов масса убывает не только за счет части не прореагировавшей ранее целлюлозы, но и за счет разложения части лигнина с понизившейся термостойкостью. Снижение термостойкости древесинных веществ и углеобразующих способностей усыхающих деревьев также выражается в снижении выхода твердого остатка в 1,5-2 раза в сравнении с его выходом из древесины здорового дерева (табл. 2).
Особенности термического разложения древесины усыхающих лиственниц сказываются также на качестве получаемых углей (табл. 3 и 4).
Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что, несмотря на прогрессирующие процессы биологического разложения и снижение термостойкости древесинных компонентов, углеобразующие свойства древесины усыхающих лиственниц изменяются в сторону увеличения прочности углей вдоль волокон вплоть до периода усыхания 12 лет. Напротив, в случае усыхания пихты от поражения ее сибирским шелкопрядом прочность полученного из нее угля снижается и ее древесина для выработки угольных материалов, обладающих достаточной прочностью, пригодна только в течение первых двух лет усыхания [3].
Прочность вдоль волокон у углей с увеличением периода усыхания деревьев постепенно возрастает, а поперек волокон практически не изменяется и уступает прочности вдоль волокон в 2-4 раза. Угли, полученные из верхних частей древесины с периодами усыхания 7 и 12 лет, по прочности вдоль волокон превосходят в 2,4-2,8 раза угли, полученные из верхней части здоровой древесины лиственницы. У всех испытуемых образцов по высоте ствола механическая прочность вдоль и поперек волокон от комля к вершине снижается. Исключение составляет уголь, полученный из древесины с периодом усыхания 12 лет, механическая прочность которого поперек волокон в верхней части имеет наибольшее значение.
Таблица 2. Динамика термораспада здоровой и усыхающей древесины лиственницы
Температура, Убыль массы древесного вещества, % а.с.д.
°С здорового дерева дерева с периодом усыхания 3 года дерева с периодом усыхания 12 лет
170 5,14 4,03 4,48
220 6,17 5,04 6,53
270 15,42 19,13 28,91
320 52,42 55,39 59,69
370 57,56 62,44 65,28
420 61,67 68,48 71,81
470 62,70 73,52 78,34
520 66,81 78,55 83,94
Таблица 3. Механическая прочность на раздавливание углей из древесины усыхающих лиственниц
Используемая древесина Механическая прочность, МПа
период усыхания дерева, лет часть ствола вдоль волокон поперек волокон
верх 2,4 1,2
0 середина 3,8 1,4
низ 4,6 1,8
верх 2,8 / 3,2 1,4 / 1,5
2 середина 4,6 / 5,1 1,8 / 3,2
низ 5,0 / 3,1 2,0 /1,5
верх 3,1 / 5,0 1,5 / 2,14
3 середина 5,2 / 10 1,8 / 3,2
низ 5,8 / 8,7 2,0 /1,5
верх 6,4 / 24,1 1,8 / 4,3
7 середина 7,0 / 21,5 2,2 / 5,7
низ 7,0 /14,8 2,2 / 3,2
верх 6,8 / 25,4 2,0 / 5,7
12 середина 7,0 / 21,5 1,8 / 3,2
низ 7,0 /14,8 1,8 / 0
Примечание: в числителе показатели механической прочности, в знаменателе - 1;расч при 1табл=2,19
Таблица 4. Технические характеристики древесных углей
Используемая древесина Характеристики угля-сырца
период усыхания дерева, лет часть ствола дерева выход, % массовая доля нелетучего углерода, % массовая доля золы, % масса 1 дм3 угля, г
верх 32,6 89,0±0,7 0,57±0,05 144,8±3
0 середина 33,4 89,8±0,7 0,60±0,05 171,1±3
низ 32,8 89,54±0,7 0,56±0,05 187,2±3
верх 31,6 89,4±0,7 0,68±0,05 147,9±3
2 середина 32,3 89,0±0,7 0,70±0,05 174,7±3
низ 35,0 88,1±0,7 0,66±0,05 188,1±3
верх 31,4 90,0±0,7 0,76±0,05 150,8±3
3 середина 31,6 90,6±0,7 0,61±0,05 172,0±3
низ 34,9 90,64±0,7 0,54±0,05 197,4±3
верх 31,1 89,1±0,7 0,82±0,05 148,9±3
7 середина 31,3 89,8±0,7 0,66±0,05 141,0±3
низ 32,4 89,9±0,7 0,56±0,05 190,0±3
верх 29,1 90,88±0,7 0,69±0,05 152,1±3
12 середина 28,2 90,86±0,7 0,80±0,05 151,9±3
низ 28,0 91,2±0,7 0,67±0,05 180,1±3
Норма для марок «Б» и «В» по ГОСТ 7657-84 - 67 - 88 2,5 - 4,0 -
Высокую прочность углей, полученных из сухостойной древесины, можно отнести к особенностям древесины лиственницы, которую издревле используют при строительстве прочностных долговечных конструкций. В связи с тем, что древесные угли с повышенной механической прочностью пользуются большим спросом в промышленности, угли из древесины усыхающих лиственниц могут иметь преимущество в сравнении с обычными древесными углями.
Выход угля из древесины по высоте ствола уменьшается от нижней части ствола к верхней, исключение составляет уголь из древесины со сроком поражения 12 лет (табл. 4).
Выход угля из древесины одноименных частей стволов с увеличением периодов усыхания деревьев снижается. Выходы суммарных (растворимой и отстойной) смол изменяются незначительно и составляют 1113% от абсолютно сухой древесины; пирогенетической воды - 24-27%; кислот водного слоя - 2-3%; некон-денсирующихся газов - 26-32%. Длительность периодов усыхания деревьев не сказывается на содержаниях в углях нелетучего углерода (табл. 4), золы (0,56-0,82%) и кажущейся плотности (0,21-0,29 г/см3). По техническим показателям уголь-сырец, полученный из древесины всех частей стволов усыхающих деревьев, не уступает углям из здоровой древесины. Согласно ГОСТ 7657-84 «Уголь древесный», он удовлетворяет требованиям к углям марок «Б» и «В».
Выводы
1. В химическом составе древесины лиственниц с периодом усыхания от воздействия сибирского шелкопряда до 12 лет выявлено снижение содержания основных углеобразующих компонентов: трудногидролизуемых полисахаридов и лигнина, и возрастание мало влияющих на процессы углеобразования легкогидролизуемых полисахаридов. В древесине верхних частей деревьев с периодом усыхания до 12 лет относительно нижних частей содержание веществ, экстрагируемых горячей водой, становится меньше в 1,8 раза.
2. Показано, что с увеличением периода усыхания дерева, снижаются термостойкость и углеобразующие способности его древесинных веществ.
3. Установлено, что, угли, получаемые из древесины усыхающих деревьев, по механической прочности на раздавливание вдоль волокон превышают угли из здоровой древесины в 2,4-2,8 раза, на механическую прочность углей поперек волокон усыхание дерева не влияет.
4. Длительность периодов усыхания деревьев до 12 лет приводит к снижению выхода угля на 5% и не сказывается на содержании в нем нелетучего углерода, золы и его кажущейся плотности. Из древесины лиственниц с периодом усыхания до 12 лет можно получать древесные угли, удовлетворяющие требованиям на угли марок «Б» и «В».
Список литературы
1. Баранчиков Ю.Н., Кондаков Ю.П. Массовые размножения сибирского шелкопряда: система мониторинга и комплексная оценка последствий // Структурно-функциональная организация и динамика лесов. Красноярск, 2004. С. 256-258.
2. Рожков А.С. Массовое распространение сибирского шелкопряда и меры борьбы с ними. М., 1965. 179 с.
3. Мазурова Е.В., Епифанцева Н.С., Петров В.С. Зависимость характеристик сорбентов от возраста поражения древесины // Химия растительного сырья. 2003. №2. С. 65-68.
4. Сорокина Г.И. Свойства и получение углеродистого восстановителя из лесосечных отходов лиственницы сибирской: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Рига, 1985. 21 с.
5. ГОСТ 16483.6-80. Древесина. Метод отбора модельных деревьев и кряжей для определения физикомеханических свойств древесины насаждений. Взамен ГОСТ 16483.6-71. Введен 01.01.81. М., 1980. 6 с.
6. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к физико-механическим испытаниям. Взамен ГОСТ 16483.078. Введен 01.07.90. М., 1989. 12 с.
7. Левин Э.Д., Рубчевская Л.П. О представительности проб при изучении химического состава древесины // Химия древесины. 1980. №4. С. 103-106.
8. Рязанова Т.В., Чупрова Н.А., Исаева Е.В. Химия древесины. Красноярск, 1996. 358 с.
9. ГОСТ 7657-84. Уголь древесный. Технические условия. Взамен ГОСТ 7657-74. Введен с 01.01.86. 9 с.
10. Агроскин А.А., Панина Е.Ф. Лабораторные работы по химии и технологии угля. М., 1961.134 с.
Поступило в редакцию 13 марта 2009 г.
