Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

'621

роды и в целом ряде случаев направлений использования, а также

способов переработки является предпосылкой для совместного рас-

смотрения наиболее распространенных на практике технологий ре-

куперации указанных отходов.

16.1. Масштабы потребления и воспроизводства

растительного сырья

Процессы фотосинтеза в природе производят из года в год около

200 млрд. т. органического сырья (биомассы), что более чем в 20

раз превышает суммарную добычу угля, нефти и газа. Значительная

часть этого количества биомассы приходится на древесину и одно-

летние сельскохозяйственные растения.

На каждого жителя в СССР приходилось 3,88 га лесных насаж-

дений и 341 м

запасов древесины. По общей площади лесного фон-

да (четвертая часть всех лесов земного шара, в том числе половина

хвойных, или примерно 910 млн. га) и запасам древесины (около

80 млрд. м

) СССР находился на первом месте в мире.

До 2000 различных продуктов, получаемых

из

древесины, исполь-

зуется человеком. Среди наиболее крупных потребителей древеси-

ны следует назвать такие отрасли промышленности как деревооб-

рабатывающая (производство стандартных домов, мебели, тары, фа-

неры, спичек, различных клеев и др.), целлюлознобумажная

(различные виды целлюлозы, бумаги, картона), строительная (стро-

ительные материалы, различные плиты, паркет, облицовочные и кро-

вельные покрытия, шпалы

др.), топливно-энергетическая (топливо,

смазочные средства, топливные добавки), химическая (спирты, ра-

створители, лаки, краски, искусственные волокна, пластические мас-

сы и др.), сельское хозяйство (кормовые добавки, удобрения, ядохи-

микаты), горнодобывающая, металлургическая, машиностроитель-

ная (крепь, детали

и части

транспортных средств, механизмов, машин

и др.), а также ряд других.

Общий средний естественный прирост древесины за год на терри-

тории СССР был примерно равен 900 млн. м

, а объем ее заготовок

составлял

около

400 млн. м

. Однако масштабы потребления этого вида

возобновляемого сырья прогрессивно увеличиваются. Так, если

доре-

волюционной России

1913

г.

было выработано 14,2

млн.

пиломате-

риалов, 258 тыс. т целлюлозы и 269 тыс. т бумаги, то

1967 г, в СССР

объем заготовок деловой древесины вырос в 9 раз, объем производства

'622

целлюлозы и древесной массы -

в 18

раз, а производство бумаги и кар-

тона - в 20 раз.

Масштабы производства и потребления зерновых и технических

сельскохозяйственных культур определяются размерами выделяе-

мых

для

их выращивания угодий и урожайностью последних.

16.2. Общая характеристика отходов растительного

сырья и состояние их использования

Из общего количества заготовлявшейся ежегодно в СССР дре-

весины (около 400 млн. м

) около половины (>150 млн. м

) не утили-

зировалось и являлось обременительным отходом, то есть по суще-

ству каждое второе дерево спиливалось лишь для того, чтобы затем

его выбросить*. Почти четверть заготовляемой растительной мас-

сы оставалась в лесах в виде сучьев, пней и вершин деревьев, щепы

и хвои - отходов лесозаготовительной промышленности (около

40 млн. т) и оставляемой на лесосеках так называемой неликвидной

древесины,

основном лиственных пород и сломанных тонкомерных

деревьев (40-60 млн. м

Примерно такое же количество древесины превращалось в отхо-

ды (опилки, стружки, обрезки, щепа, кора

т.п.)

процессах ее пере-

работки - окорки и разделки в производстве пиломатериалов, фане-

ры, мебели, целлюлозы и других продуктов. Так, в производстве пи-

ломатериалов отходы составляли более трети перерабатываемой

древесины, при выработке шпал - около половины, в производстве

фанеры - почти 2/3, в спичечном производстве - 65%, а в катушеч-

ном и карандашном производствах 90-95%. Значительные массы

древесных отходов составляют различные виды вышедших из упот-

ребления деревянной тары, строительной опалубки, лесов, крепи, же-

лезнодорожных шпал и ряда других древесных материалов.

Велики и масштабы аналогичных древесным по химическому

составу неиспользуемых отходов сельскохозяйственного производства.

Так, например, выход соломы при сборе урожая различных зер-

новых культур составляет 1-2,1 ц на 1 ц зерна, а выход кукурузной

кочерыжки, подсолнечной и просяной лузги составляет соответствен-

но 25-32, 25-35 и 25-30% от массы перерабатываемых початков и

семян (зерна). Более 1 млн. т/год хлопковой шелухи (оболочка се-

мян с волокнами делинта) скапливалось

СССР

на

хлопкоперераба-

* Общий годовой объем древесных отходов в США около 270 млн. м

'623

тывающих предприятиях. Частично подобные отходы растительно-

го

сырья

использовали по ряду направлений. Однако ежегодно

СССР

пропадало до 100 млн. т зерновой соломы, только

Молдавии гибнет

200-220 тыс. т лозы от весенней обрезки виноградных кустов, в ряде

районов СССР не использовалась рисовая солома, составляющая око-

ло половины биологического урожая этой культуры, на полях и токах

пропадали десятки тысяч тонн кочерыжек

ку

курузных початков.

Весьма значительные массы твердых отходов того же состава,

образующихся в процессах переработки урожая ряда сельскохозяй-

ственных

культур

на специализированных предприятиях. Так при про-

изводстве льняного полотна больше половины объема поступающе-

го с полей растительного сырья образует отход - так называемую

костру. До 500

тыс.

т лузги и около 300 тыс. т рисовой мучки, образу-

ющихся на предприятиях по переработке рисового зерна на крупу,

представляли в СССР практически неиспользуемые отходы.

Помимо вышеотмеченных видов отходов в ряде отраслей про-

мышленности, базирующихся на переработке древесного и другого

растительного сырья механическими, химическими и термически-

ми способами, образуются большие количества других твердых от-

ходов аналогичного или близкого химического состава.

Основные массы перечисленных отходов сжигают, транспорти-

руют на свалку или оставляют в местах их образования. В СССР

ежегодно сжигали около 100 млн. м

отходов деревообработки и де-

ревянной

тары,

не посту пающей

оборот,

в том

числе около 30 млн.м

древесных опилок. Использование этих отходов по сравнению с мас-

штабами их образования является незначительным. Так, напри-

мер, менее 1/3 массы опилок, возникающих при переработке древе-

сины, используют

настоящее время

на

технологические цели. Скоп-

ление отходов на лесосеках и сельскохозяйственных угодьях

вызывает ряд нежелательных последствий (болезни леса, опасность

возникновения пожаров, снижение урожайности зерна и

др.) помимо

пря-

мого экономического ущерба, вызываемого потерей части заготавлива-

емых материалов. Удаление отходов на свалки и их складирование от-

рицательно сказываются на экономических показателях соответствую-

щих технологических процессов. Так, например, по разным оценкам в

СССР ежегодно перемещали

отвалы

7—12

млн. т древесной коры, а на

содержание

отвалов

и сжигание древесных отходов тратили 10-12 млн.

руб в год. В связи с этим увеличение объема полезного использования

таких отходов является насущной и важной задачей.

'624

Мероприятия, связанные с проблемой отходов древесного и дру-

гого растительного сырья, можно разделить на две основные груп-

пы, отнеся

одной из них меры, направленные на предотвращение их

образования, и объединив во вторую таковые по утилизации имею-

щихся и образующихся отходов.

Среди мероприятий первой из указанных групп,

большей степе-

ни относящихся к древесным отходам, наиболее важными являются

строгое соблюдение правил заготовки, транспортировки, хранения и

технологии переработки древесины, ее антисептирование, развитие

производства прогрессивных видов лесопродукции, эффективно за-

меняющих балансовую древесину, сокращение потребления древе-

сины в ряде отраслей промышленности, создание безотходных тех-

нологических процессов комплексной переработки древесного и дру-

гого растительного сырья и ряд других.

Не менее обширен и круг рассматриваемых ниже мероприятий,

объединяемых во вторую группу

тесно связанных с вопросами ком-

плексной переработки этих видов отходов. Практически все они ба-

зируются на использовании либо отдельных механических, терми-

ческих, химических и микробиологических приемов обработки отхо-

дов, либо на СОВОКУПНОСТИ некоторых из них. Для понимания

су

щества

этих приемов необходимо краткое ознакомление с составом выше-

перечисленных отходов и некоторыми свойствами как отходов в це-

лом, так и отдельных их компонентов.

16.3. Состав отходов древесного и другого

растительного сырья и некоторые свойства их

компонентов

Биомасса перечисленных выше видов отходов древесины и сель-

скохозяйственного производства имеет аналогичный химический

состав, представленный в основном органическими полимерами Са-

харов с 5-6 углеродными атомами (гемицеллюлозы и целлюлоза) и

ароматическими полимерами (лигнин).

В основе образования высшими растениями таких сложных орга-

нических веществ из простых соединений (CO

, H

O) лежит явление

фотосинтеза, суммарное уравнение которого имеет вид:

свет

+ H

O > С (H

O)+ O

+502,416 кДж/моль.

хлорофилл

Сложные по своему механизму процессы фотосинтеза приводят к

'625

образованию в клетках растений различных органических соедине-

ний, в том числе растворимых в воде Сахаров - пентозы C

гексозы C

, служащих для питания клеток. Необходимый для

жизни растений запас Сахаров образуется в результате полимериза-

ции молекул пентоз и гексоз, сопровождаемой отщеплением молекул

воды, и хранится в виде пентозанов (C

)

и гексазанов

)

, растворимость которых в воде прогрессивно уменьша-

ется с увеличением молекул полимера. Сложная смесь высокомоле-

кулярных гетерополисахаридов (молекулярная масса 1000-12000),

включающая эти соединения и являющаяся одним из основных ком-

понентов оболочек растительных клеток, называется гемицеллюло-

зами. Эти углеводы присутствуют в одревесневших частях растений

(соломе, семенах, орехах) и древесине в количестве 6-27%. Так, на-

пример, в древесине лиственных и хвойных пород их содержится со-

ответственно 22-27 и 20-21%, в сене 10-15%. Гемицеллюлозы ра-

створяются в щелочах. Они легко гидролизуются разбавленными ми-

неральными кислотами, переходя в раствор

образованием способных

к спиртовому брожению гексоз и неспособных к таковому пентоз.

Другим важнейшим компонентом этих облочек является весьма

близкий

гемицеллюлозам полисахарид - целлюлоза или клетчатка.

Содержание

ее в

подсолнечнике, злаках, камыше составляет 30-40%,

в древесине - 40-50%, в стеблях лубяных растений - 75-90%. Мак-

ромолекулы целлюлозы состоят из элементарных звеньев Д-глюко-

зы, связанных

линейные неразветвленные цепи:

Средняя степень полимеризации целлюлозы варьирует в широ-

ких пределах и, например,

хлопковых и лубяных волокнах достига-

ет 10000-14000. Целлюлоза обусловливает механическую прочность

и эластичность растительных тканей.

В воде, спирте, эфире, ацетоне и других обычных органических

растворителях целлюлоза нерастворима. Она довольно устойчива в

обычных условиях

действию слабых окислителей. При продолжи-

OH CH

J—О

GLOH

H ОН

H он H он

'626

тельном воздействии разбавленных минеральных кислот целлюлоза

переходит в гидроцеллюлозу, представляющую собой хрупкое веще-

ство - смесь неизмененной клетчатки и продуктов ее деструкции и

гидролиза. Это свойство целлюлозы используют в практике для от-

деления шерсти из тканевых отходов, содержащих хлопок.

Под энергичным воздействием минеральных кислот гликозидные

связи между элементарными звеньями макромолеку л целлюлозы лег-

ко гидролизуются.

Проду ктом

полного гидролиза целлюлозы явлет-

ся Д-глюкоза:

Эта реакция лежит

основе промышленного способа получения эти-

лового спирта из целлюлозу содержащего сырья.

При нагревании до 120-150°С в отсутствие кислорода целлюло-

за устойчива, при оолее высоких температурах происходит деструк-

ция, а

выше

300°

- графитизация (карбонизация) целлюлозного во-

локна.

Наконец, третьим основным компонентом клеточных оболочек

СОСУДИСТЫХ растении является лигнин, полимерные молекулы кото-

рого в процессе роста растений внедряются между молеку лами цел-

люлозы, инкрустируя их, придавая оболочкам клеток значительну ю

упругость и твердость и вызывая там самым «одревеснение» кле-

ток. Лигнин представляет собой сложное, не имеющее стабильной

молекулярной массы полимерное вещество ароматического харак-

тера, относительно теории образования, структуры и реакций кото-

рого в настоящее время нет единого мнения. Молекула лигнина со-

стоит из продуктов полимеризации ароматических спиртов. Ее ос-

новным мономером является конефериловый спирт:

Содержание лигнина в древесине лиственных пород деревьев

составляет 19-24%, хвойных - 26-28%. По сравнению с целлюлозой

лигнин является веществом менее стойким и легко подвергается

действию горячих щелочей, окислителей и других реагентов. Под

действием растворов H

и NaOH он легко переходит в раствор.

На этом свойстве лигнина основано получение из растительного сы-

рья технической целлюлозы. Наличие в составе лигнина значитель-

(C-

пн

0-+ HC

OCH

'627

ного количества метоксильных групп - OCH

объясняет образова-

ние метилового спирта при сухой перегонке растительного сырья.

Помимо вышеперечисленных органических полимеров клетки на-

званных растительных отходов содержат и другие органические со-

единения - дубильные и красящие вещества, смолы, камеди, эфир-

ные масла, алкалоиды. Кроме того, в их состав входят минеральные

соединения, дающие при сжигании отходов золу Последняя включа-

ет растворимые в воде (поташ, сода) и нерастворимые в ней (из-

весть, магнезия, соли железа, кремникислота) вещества.

16.4. Пути использования и переработки отходов

растительного сырья

Значительная часть указанных отходов растительного сырья,

особенно отходов его заготовки, весьма рассредоточена, в связи с

чем не все отходы доступны для использования и промышленной

переработки. Такие рассредоточенные отходы часто остаются на

местах их образования, где подвергаются естественному разложе-

нию (гниению) на воздухе, запахиваются

почву или сжигаются для

предупреждения их вредного воздействия на окружающую среду,

предотвращения снижения плодородия полей и

ряде других целей.

Потенциально полезные свойства отходов при этом практически не

используются.

Вместе с тем даже небольшие массы рассредоточенных отхо-

дов многих видов растительного сырья могут эффективно использо-

ваться

районах их образования

сельскохозяйственных

животно-

водческих целях в качестве сырья для приготовления органических

удобрений и средств для борьбы с вредителями растений, добавок в

корм скоту и птице (непосредственно или после простой предвари-

тельной обработки, сводящейся обычно к измельчению и последую-

щему замачиванию или запариванию), подстилки

животноводстве.

Наиболее простым, но в целом ряде случаев достаточно эффек-

тивным приемом использования указанных отходов является их не-

посредственное внесение в почву в качестве органического удобре-

ния (предпочтительно

измельченном виде) с целью повышения уро-

жайности некоторых сельскохозяйственных культур.

Так, например, такое использование измельченной коры листвен-

ных пород древесины, которая составляет около 10% общей кубату-

ры последней, в количестве 30 т/га обеспечивает на ряде почв в сред-

ней полосе России увеличение урожая картофеля в течение двух лет

'628

примерно на 25%. Еще больший эффект (260 вместо 150 ц/га этой

сельскохозяйственной культуры) получают при предварительном

смешивании этих отходов с азотными и фосфорными туками. При

этом улучшается и качество клубней - в них увеличивается содер-

жание крахмала и ряда других ценных веществ.

Кора повышает урожайность и многих других культу р, таких как

лук, томаты, сахарная свекла, зерновые. Кору используют также как

почвостабилизирующую

мульчу,

способствующую удерживанию алаги

в песчаных почвах и улучшающую состав суглинистых почв.

Для получения органических удобрений

ботву,

увлажненные стебли

и другие растительные остатки можно закладывать с послойной пе-

ресыпкой их землей в бурты или в компостные ямы различных раз-

меров. Двухлетняя ферментация таких отходов обеспечивает полу-

чение хорошего средства обогащения почв. Для ускорения процесса

разложения отходов и улучшения качества получаемого компоста

при его закладке можно добавлять навоз и фекалии, а также неболь-

шое количество минеральных удобрений. Перед внесением готового

компоста в почву в него добавляют для рыхлости песок, а для нейт-

рализации избыточной кислотности - известь из расчета примерно

2 кг/м

Для получения средств подкормки растений и борьбы с их вре-

дителями обычно предварительно измельченные стебли, листья и

корневища ряда культурных растений и некоторых сорняков помеща-

ют в различные емкости и заливают водой. После 4-8 - дневного (в

зависимости от температуры) вымачивания настой сцеживают и

используют по назначению. В ряде случаев процесс может быть зна-

чительно ускорен путем прессования отходов, обработки их горячей

водой и некоторыми другими приемами. Твердые остатки выщела-

чивания могут

быть

использованы

как сырье для

приготовления ком-

постов.

Значительно более широкими являются в той или иной степени

реализуемые на практике направления использования и переработки

нерассредоточенных

масс

перечисленных растительных отходов. При

этом независимо от этих направлений отходы обычно проходят ряд

подготовительных операций, связанных с их очисткой, измельчени-

ем и классификацией (сортировкой). Последовательность этих опе-

раций,

также применяемые способы измельчения и классификации

зависят от направления использования отходов, их характера, плот-

'629

ности и размеров составляющих их компонентов. Ниже освещены

наиболее важные из этих направлений.

16.5. Использование отходов растительного сырья в

производстве строительных материалов

Отходы процессов заготовки и обработки древесины и ряда сель-

скохозяйственных культур в виде горбылей, обрезков, шпона, коры,

стружек, опилок, стеблей растений (соломы), костры, шелухи могут

быть весьма эффективно использованы для производства различно-

го вида древесных плит (древесностружечных, древесноволокнис-

тых, цементностружечных, гипсоволокнистых, гипсоопилочных),

муки, пластиков, в составе некоторых бетонов. Использование таких

отходов наряду с неделовой древесиной на заводах древесных плит

отличается пониженными (по сравнению с их переработкой на дру-

гих заводах) капитальными затратами.

Одним из перспективных и быстроразвивающихся направлений

использования этих отходов является изготовление древесноволок-

нистых плит (ДВП), осуществляемое двумя способами - сухим с

введением в обрабатываемую массу в качестве связующего 4-8%

синтетической смолы и мокрым без добавки связующего. Волокни-

стую массу для производства таких плит готовят механическим раз-

молом сырья на дефибрерах, термомеханической его обработкой с

использованием дефибреров и рафинеров

или

химико-механическим

способом, при котором сырье варят в щелочных растворах, а затем

измельчают размолом.

Технология ДВП различается в зависимости от их назначения. В

промышленности производят изоляционные, изоляционно-отделочные,

полутвердые, твердые, сверхтвердые и различные виды комбиниро-

ванных ДВП. Для придания изделиям водостойкости

волокнистую

массу добавляют парафиновые, масляные, смоляные

другие эмуль-

сии и осадители [Al

(SO

)

]. Полученную волокнистую массу направ-

ляют на отливочные машины, где из нее формируют ДВП. В зависи-

мости от назначения ДВП последующая обработка отлитых плит

сводится

операциям сушки, горячего прессования, закалки, увлаж-

нения. Поверхность ДВП

часто

облагораживают полимерными плен-

ками, бумажными пластиками и другими средствами. Толщина про-

изводимых отечественными предприятиями ДВП составлет 3-8 мм,

ширина - 1,0-1,8 м, длина - 1,2-3,6 м. ДВП широко используют в

'630

качестве теплоизоляционных и отделочных материалов в строитель-

стве, а также в мебельном и тарном производствах.

Разработан и целый ряд отличных от вышеуказанных рецептур

производства ДВП на основе такого отхода,

как

древесная кора (иног-

да с добавкой древесины), позволяющих получать различные плиты

(пористые, полутвердые, твердые и др.) с применением дешевых

связующих (например, водной битумной эмульсии) или без них.

Источником сырья для производства древесностружечных плит

может служить бывшая в употреблении ящичная тара. В СССР из

древесины делати 45,6% тары, а количество ежегодно выходившей

из оборота тарной дощечки составляло около 8 млн.м

. Выход щепы

при переработке такой древесины составляет 65-67%. Себестои-

мость 1 м

щепы из отходов ящичной тары составляла 4,64 руб, что

примерно в два раза ниже, чем из дров или отходов лесопиления.

Хорошими являются также плиты, получаемые тем или иным спосо-

бом из лигнина - отхода гидролизных производств.

Другим из указанных направлений является производство дре-

весностружечных плит (ДСП). Отходы растительного сырья (дре-

весные стружки, кора, обрезки, опилки, льняная и конопляная костра,

щепа) смешивают со связующими (фенол-форматьдегидные, моче-

вино-формальдегидные и другие смолы) и подготовленную таким

образом массу подвергают горячему плоскому или экструзионному

прессованию

получением изделий различной плотности. ДСП плос-

кого прессования выпускаются отечественной промышленностью в

виде одно-, трех-, пяти-,

многослойных изделий толщиной 10-25мм,

шириной 1,22-1,75 м

длиной 2,5-3,5 м. Экструзионные ДСП выпус-

кают в виде однослойных изделий сплошного заполнения или тако-

вых, имеющих внутренние каналообразные полости. Их толщина со-

ставляет 15-52 мм, ширина - 1,25 м, длина - 2,,5 м. Поверхность

ДСП может быть отделана теми же средствами облагораживания,

которые используют в производстве ДВП. Прессованные плиты из

костры по прочности не уступают ДСП, но при прочих равных харак-

теристиках весят значительно меньше. ДСП находят широкое при-

менение в строительстве, мебельной промышленности и друтих от-

раслях народного хозяйства.

Еще одним перспективным направлением использования рассмат-

риваемых отходов в строительной индустрии является производство

древесных пластиков. Под этим термином объединяют древеснослоис-

тые пластики, древеснопластические

массы

и прессованную древесину.