CC BY
49
Химия растительного сырья. 2003. №2. С. 65-68
УДК 630.283
ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК СОРБЕНТОВ ОТ ВОЗРАСТА ПОРАЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
© Е.В. Мазурова, В.С. Петров*, Н.С. Епифанцева
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: re@sibstu.kts.ru
Сибирский шелкопряд наносит непоправимый ущерб народному хозяйству, уничтожая лесные насаждения. Одним из направлений рационального использования пораженной древесины может быть ее пирогенетическая переработка на древесные и активные угли. Изучены основные характеристики древесных и активных углей, полученных из древесины пихты, пораженной сибирским шелкопрядом различного возраста поражения.
Введение
Твердые пористые углеродные материалы человечество использовало с древнейших времен. В настоящее время их мировое производство приближается к миллиону тонн в год и продолжает нарастать. Основной потребитель - системы адсорбционной очистки газовых и жидких сред, разделения, рекуперации компонентов. Обозначился рост в их применении в связи с общей тенденцией перехода к малоотходным и безотходным технологиям, где роль углеродных адсорбентов особенно важна. Этому способствует необычно широкий ассортимент видов сырья, из которых могут быть получены пористые углеродные материалы - от древесины, каменных и бурых углей, косточек плодов и скорлупы орехов до различных жидких и газообразных углеродсодержащих продуктов, которые путем соответствующей переработки могут быть превращены из материалов, загрязняющих окружающую среду, в высокоэффективные средства ее защиты [1].
Для химической переработки можно применять низкокачественное древесное сырье, в том числе отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки. Это позволяет более полно использовать сырьевые ресурсы. Одним из видов такого сырья может быть признана древесина, подвергшаяся нападению хвое- и листогрызущих вредителей. Так, например, в малонаселенных районах Сибири и Дальнего Востока насчитываются миллионы гектаров леса, усохшего в результате периодических вспышек массового размножения энтомовредителей (сибирский шелкопряд, большой и черный усачи), а также после стихийных лесных пожаров, изменения гидрологического режима рек и т. п.
В настоящее время необходимы рекомендации по использованию древесины, пораженной сибирским шелкопрядом, в различных областях промышленности. В этом плане для лесохимии удачно совпали две проблемы. С одной стороны - потребность в активных углях, с другой - большое количество древесины, пораженной сибирским шелкопрядом, что особенно важно при истощении лесосырьевой базы. Эта древесина не находит квалифицированного применения, в том числе и в лесохимии для получения углеродных материалов. В свою очередь она представляет большую пожарную и экологическую опасность. Этот аспект еще больше усиливает актуальность проблемы ее переработки на полезные материалы.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Переработкой неделовой древесины и древесных отходов занимались в Ленинградской лесотехнической академии, Уральском лесотехническом институте. Известны труды В.Н. Козлова, А.К. Славянского, Л.В. Гордона, В.А. Коробкина. Переработкой древесины, пораженной сибирским шелкопрядом, эти школы не занимались. Наличие большого количества пораженной древесины поставило перед сибирскими учеными задачу ее утилизации в различных направлениях, в том числе на древесноугольные материалы.
Экспериментальная часть
В Красноярском крае в большинстве были повреждены насаждения со значительной примесью пихты и ели. Вспышки массового размножения шелкопряда длятся до 7-10 лет, из которых в течение 4-5 лет насаждениям наносится ощутимый вред. После повреждения кроны деревьев сибирским шелкопрядом различные хвойные породы ведут себя по-разному. У ели и, особенно, у кедра стволы деревьев даже через 10 лет стоят, как бы в изолирующих чехлах, из неотвалившейся коры. Это создает благоприятные условия для поселения и развития дереворазрушающих грибов. На пихте сибирской тонкая кора быстро и почти полностью обваливается и ее древесина хорошо просыхает. Ее быстрое высыхание является выгодным фактором при углежжении. Поэтому в качестве объекта исследования была выбрана древесина пихты сибирской.
Для более полного понимания процессов превращения древесины пихты, пораженной сибирским шелкопрядом, при пиролизе были изучены структура и химический состав пихты сибирской различного возраста поражения в сравнении со здоровой. Деформации в структурном каркасе указывают на то, что уголь, вырабатываемый из древесины возрастом поражения 6 лет, будет обладать слабой механической прочностью. Для подтверждения этого предположения о процессах разрушения древесины, пораженной сибирским шелкопрядом, был изучен химический состав. Экспериментально установлено, что в древесине шестилетнего возраста поражения сохраняется меньшее количество лигнина - основного углеобразующего компонента. Количество целлюлозы, которая может участвовать в образовании угольной массы (до 3 %), также значительно уменьшается в древесине шестилетнего возраста поражения. Такую древесину нецелесообразно использовать для получения древесно-угольных материалов.
Известно, что количество вырабатываемого угля зависит от сырьевых факторов - породы, наличия коры, влажности сырья. Древесина пихты, пораженная сибирским шелкопрядом, естественно высушена, не несет на себе кору и ее химический состав частично изменен. Изменение этих факторов оказывает влияние на характеристики угольных материалов из древесины пихты, пораженной сибирским шелкопрядом. Из древесины пихты всех возрастов поражения с влажностью сырья от 10 до 12%, скорости подъема температуры 7 °С/мин до температуры процесса пиролиза 500 °С и продолжительности выдержки при данной температуре - 60 мин были наработаны образцы древесных углей. Характеристики полученных образцов исследованы по стандартным методикам и представлены в таблице 1.
Обсуждение результатов
Эти результаты свидетельствуют о том, что из древесины исследованных возрастов поражения получен уголь с высокими техническими характеристиками. Выход товарного продукта из древесины четырехлетнего возраста поражения достаточно высок. Вырабатывать уголь из древесины возрастом поражения 6 лет менее целесообразно, так как его выход значительно меньше. Невысокий показатель древесного угля по кажущейся плотности может быть объяснен «рыхлой» структурой пихтовой древесины.
Таблица 1. Основные технические характеристики древесных углей
Возраст древесины, лет Давность поражения, лет Кажущаяся плотность, г/см3 Массовая доля нелетучего углерода, % Массовая доля золы, % Массовая доля воды, % Выход древесного угля, %
По ГОСТ не менее не менее не более не более отсут.
7657-84 - 0,37 90 2,5-3 6
100 - 0,20 92 2,3 2 29
100 1 0,18 92 2,2 2 28
100 4 0,16 92 2,2 2 27
100 6 0,15 92 2,2 2 19
Деформация и разрыхление структуры древесины пихты, пораженной сибирским шелкопрядом, побудили необходимость исследования механической прочности вырабатываемых из нее углей. На механическую прочность углей оказывает влияние их трещиноватость, которая зависит от анатомического строения древесины, условий ее предварительной сушки и пиролиза. Древесина пихты всех исследуемых возрастов поражения высушена, условия выжига угля одинаковы. Влияние на механическую прочность может оказать только степень разрушения структуры древесины различного возраста поражения.
Механическая прочность - один из обязательных показателей древесных углей. Его учитывают при доставке угля к месту потребления, определяют вид тары и условия перевозки. Учитывают этот показатель и при вторичной переработке угля, например, при выработке из него активных углей, карбюризатора и других областях. Поэтому была исследована механическая прочность древесных углей, значения которой представлена в таблице 2.
Результаты исследований указывают на то, что вдоль и поперек волокон с увеличением возраста поражения древесины механическая прочность древесных углей значительно понижается. Уголь из древесины первого года поражения, обладающий заметной механической прочностью, может быть перевезен к потребителю на небольшие расстояния без большой доли измельчения. Угли остальных возрастов поражения практически не подлежат перевозке при требовании сохранения кусковой массы.
Результаты, представленные в таблице 2, указывают на то, что с увеличением возраста поражения механическая прочность кускового угля значительно снижается. Это обстоятельство явилось важным аргументом в пользу принятия рекомендуемой технологии переработки древесины в активный уголь в две стадии - пиролиз и активация в раздельных аппаратах.
Другая важная характеристика древесных углей - электросопротивление. Она определяет степень возможности применения углей в электротермических процессах. Некоторые сведения, дающие представление о структурных изменениях углей, вырабатываемых из пораженной древесины, могут дать результаты замеров электросопротивления этих углей. Из литературы известно, что упорядочение структуры древесных углей при длительной термообработке снижает их сопротивление. Следовательно, частичное разрушение структуры древесины, имеющее место при действии дереворазрушающих грибов и при повышенной температуре, должно привести к снижению электропроводности, что и установлено в ходе эксперимента.
Этот показатель также зависит от пористости угольного тела, которая, очевидно, связана со степенью поражения структуры древесины, изменения содержания в ней основного углеобразующего компонента -лигнина. Поскольку эти факторы проявляются при старении древесины, было необходимо экспериментально установить степень их воздействия, измеряя электросопротивление образцов древесного угля из древесины различного возраста поражения. Экспериментально установлено, что показатель электросопротивления древесных углей из древесины пихты, пораженной сибирским шелкопрядом, достаточно высок и незначительно убывает по мере старения древесины.
Эти древесные угли из здоровой древесины пихты и пораженной сибирским шелкопрядом были проактивированы в одинаковом технологическом режиме: температура активации 850 °С, расход активирующего агента (водяного пара) - 7 г/г угля, продолжительность активации - 60 мин. Основные технические характеристики активных углей из этой древесины представлены в таблице 3.
Активные угли из древесины пихты, пораженной сибирским шелкопрядом, в сравнении с активным углем из здоровой, обладают повышенной адсорбционной активностью по метиленовому голубому и йоду. Это можно объяснить изменениями структуры древесины при различной давности поражения и, следовательно, большей доступностью пор при активации. Однако угли из древесины, пораженной сибирским шелкопрядом, в том числе активные, обладающие слабой механической прочностью, будут иметь ограниченную сферу применения.
Таблица 2. Характеристики древесных углей из пораженной древесины
Механическая прочность, МПа
Условия измерения Возраст поражения
здоровая 1 год 4 года 6 лет
Вдоль волокон Поперек волокон От 3,5 до 3,6 От 3,0 до 3,2 От 3,1 до 3,4 От 2,8 до 3,2 От 2,2 до 2,5 От 2,1 до 2,3 От 1,7 до 2,0 От 1,4 до 1,5
Таблица 3. Основные технические характеристики активных углей из здоровой и пораженной древесины пихты
Возраст древесины пихты, лет Давность поражения, лет Активность по йоду,% Активность по метиленовому голубому, мг/г Суммарный объем пор по воде, см3/г
100 - 90 350 2,3
100 1 97 370 2,5
100 4 97 370 2,5
100 6 97 370 2,5
Для БАУ по ГОСТ 6217-74,4453-74 60 225 1,8
По результатам проведенных исследований древесину пихты, пораженную сибирским шелкопрядом, в первые годы поражения можно рекомендовать для переработки на древесные и активные угли.
Список литературы
1. Фенелонов В.Б. Пористый углерод. Новосибирск, 1995. 518 с.
2. Фуряев В.В. Шекопрядники тайги и их выжигание. М., 1966. 92 с.
3. Кислицын А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. М., 1990. 312 с.
Поступило в редакцию 23 июня 2003 г.
