Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Химические свойства древесины и коры

Лекция 3.

- Химический состав древесины и коры.

-.Характеристика органических веществ

- Древесина, кора и древесная зелень как химическое сырье и топливо

-.Гидролиз древесины

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99 % общей массы), в состав которых входят углерод (С), водород (Н), кислород (О) и немного азота (N). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49...50 % углерода, 43...44% кислорода, 6 % водорода и всего лишь 0,1...0,3 % азота. Элементный химический состав древесины ствола и ветвей различается мало. При сжигании древесины остается ее неорганическая часть — зола (0,1... 1 %). В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний; в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Большая часть (75... 90 %) образованных ими минеральных веществ нерастворима в воде. Среди растворимых веществ преобладают карбонаты калия и натрия, а среди нерастворимых — соли кальция.

Больше золы дает кора. Так, стволовая древесина дуба образовала при сгорании 0,35 % золы, а кора — 7,2 %. Древесина ветвей образует больше золы, чем древесина ствола: ветви березы дают при сгорании 0,64 % золы, а стволовая древесина — 0,16 %. Древесина верхней части ствола дает больше золы, чем нижняя.

Основными органическими веществами древесины являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозы, которые, как уже отмечалось, входят в состав клеточных стенок. Содержание указанных веществ зависит от породы. По данным А. В. Бурова и А. В. Оболенской, в древесине хвойных пород целлюлозы 35...52%, лигнина 25... 30 %, гемицеллюлоз 22... 30 % (в том числе пентозанов 5... 11 % и гексозанов 9... 13 %). В древесине лиственных пород несколько меньше целлюлозы (31...50%) и лигнина (20...28%), но больше гемицеллюлоз (19...35 %), причем среди гемицеллюлоз преобладают пентозаны (16...29 %) и гораздо меньше гексозанов (до 6 %).

Целлюлоза — линейный полимер, полисахарид с длинной гибкой цепной молекулой. Формула целлюлозы (С6Ню05)л, где п — степень полимеризации, составляющая 5000... 10000. Это очень стойкое вещество, не растворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета, плотностью 1,54... 1,58 г/см3.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (С5Н8О4)Я, содержащие пять атомов углерода в элементарном звене, и гексозаны (С6Н10О5)я, имеющие, как и целлюлоза, шесть атомов углерода в звене. Однако у всех гемицеллюлоз степень полимеризации гораздо меньше (60...200), что свидетельствует о более коротких, чем у целлюлозы, цепочках молекул.

Лигнин — аморфный полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Лигнин химически менее стоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и ее кислых солей. Цвет лигнина (от светло-желтого до темно-коричневого) зависит от способа его выделения из древесины; плотность 1,25... 1,45 г/см3.

Кроме основных органических веществ в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннинов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

У хвойных пород (сосна, лиственница) в заболони целлюлозы и лигнина больше, чем в ядре. У некоторых лиственных пород (ясень, дуб, тополь) целлюлозы несколько больше в ядре. Древесина лиственницы (ядро) и дуба (ядро и заболонь) отличается повышенным содержанием водорастворимых экстрактивных веществ. В поздней древесине сосны, лиственницы содержится немного больше целлюлозы, чем в ранней древесине.

Элементный химический состав коры мало отличается от состава древесины, но кора содержит гораздо меньше целлюлозы и значительно больше экстрактивных и минеральных веществ. Как было указано ранее, в корке содержится суберин, которого нет в древесине. В корке березы — бересте — помимо суберина содержится бетулин, придающий ей характерный белый цвет.

 

 

Древесина, кора и древесная зелень как химическое сырье и топливо

Получение и использование целлюлозы и целлюлозных материалов. Для получения целлюлозы в промышленности используют различные способы.

К группе кислотных способов относятся сульфитный и бисульфитный. Сульфитный способ до недавнего времени имел у нас наибольшее распространение. При этом способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных (ель, пихта) и ряда лиственных пород.

Короткие окоренные бревна (балансы), а также отходы лесопиления и лесозаготовок на рубильных машинах перерабатываются в щепу. Отсортированную, однородную по размерам щепу загружают в вертикальные варочные котлы. В котел подается так называемая сульфитная варочная кислота, представляющая собой раствор сернистой кислоты, содержащей некоторое количество бисульфита кальция Ca(HSO3)2. Кальциевое основание (СаО) может быть заменено магниевым, натриевым или аммонийным.. Варка ведется при температуре 130... 150 °С и давлении 0,5... 1 МПа в течение 5... 12 ч. Основная задача варки заключается в делштофикации древесины. Во время варки происходят также частичный! гидролиз гемицеллюлоз и другие процессы.

В результате варки получают целлюлозную массу и перешедшие в раствор остальные органические вещества — сульфитный щелок. Содержимое котла вымывают или выдувают в сцежку или приемный резервуар. Здесь происходят отделение щелока от целлюлозы и ее промывка. Далее целлюлозную массу очищают от непроваренной щепы, песка и других примесей. Для некоторых производств необходима особо чистая целлюлоза, поэтому ее дополнительно облагораживают, обрабатывая раствором NaOH удаления гемицеллюлоз, остатков лигнина, золы и смолы. Обычно такой процесс облагораживания сочетают с отбелкой целлюлозы хлорсодержащими агентами или перекисью водорода. Разработан также способ отбелки целлюлозы молекулярным кислородом в щелочной среде.

Затем целлюлозную массу обезвоживают и на специальной машине превращают в непрерывную плотную ленту с влажностью 8... 12 %. Эту ленту разрезают на листы, упаковывают в пачки и отправляют на другие предприятия (бумажные фабрики и т.д.). Побочный продукт — сульфитный щелок — используют для получения белковых кормовых дрожжей, этилового спирта (этанола) и других продуктов. Химической переработкой из щелока можно получить ванилин, фенолы, ароматические кислоты. Технические лигносульфонаты из щелока, упаренного после биохимической переработки, находят применение в производстве цемента и бетона, литейных форм и стержней, используются при бурении скважин, для улучшения структуры почв и других целей.

К недостаткам сульфитного способа, не пригодного для варки древесины высокосмолистых пород, относятся: отсутствие достаточной регенерации химикатов из отработанных щелоков, что приводит к загрязнению водоемов; длительность процесса; необходимость кислотостойкого оборудования.

Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород. Варка щепы проводится в водном растворе бисульфита натрия, магния или аммония. Оборудование и технология во многом схожи с применяемыми при сульфитном способе, однако температура процесса варки выше — 155... 165 °С. К недостаткам сульфитного способа в данном случае добавляется ограниченная возможность биохимической переработки отработанного щелока из-за низкого содержания в нем простейших Сахаров.

К группе щелочных способов относятся сульфатный и натронный. Наибольшее распространение получил сульфатный способ, которым получают более половины производимой в мире целлюлозы. При таком способе может быть использована древесина любых пород, в том числе и высокосмолистых (сосны и др.). Измельченная в щепу древесина подвергается варке в растворе, содержащем едкий натр (NaOH) и в 3 раза меньше сернистого натрия (Na2S). Варка ведется при температуре 170... 180 °С и давлении 0,7... 1,2 МПа в течение 2...5 ч. По окончании процесса варочный раствор приобретает черный цвет и называется черным Щелоком. Черный щелок упаривают, для компенсации потерь Na2S смешивают с сульфатом натрия (Na2SO4) и прокаливают. При этом органическая часть щелока сгорает (используется как топливо), а минеральная употребляется доя приготовления свежего варочного раствора — белого щелока.

Остальные операции такие же, как и при получении сульфитной целлюлозы. Для получения высококачественной целлюлозы древесину подвергают предгидролизу (пропаркой, водной варкой или другим способом) для удаления большей части гемицеллюлоз.

Сульфатный способ позволяет получать более прочные волокна, необходимые для производства корда и для других целей. К достоинствам этого способа относится также возможность осуществлять процесс по замкнутой схеме (путем регенерации щелока), что уменьшает загрязнение окружающей среды. При сульфатном производстве целлюлозы улавливают скипидар и снимают с поверхности охлажденного щелока сульфатное мыло, которое используют при выработке хозяйственного мыла, олифы, смазочных масел, моющих средств, эмульгаторов и т.д. Из предгидролизата суль-; фатно-целлюлозного производства можно получать кормовые] дрожжи.

Натронный способ получения целлюлозы основан на применении в качестве реагента едкого натра; потери щелочи возмещаются добавкой соды. Этот способ находит сравнительно небольшое применение главным образом при переработке древесины лиственных пород.

Гидролиз древесины.

При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз, которые превращаются в простые сахара (например, глюкозу, ксилозу и др.). Эти сахара можно подвергать химической переработке, получая такие продукты, как ксилит, сорбит и Однако в основном гидролизная промышленность ориентиру* на последующую биохимическую переработку Сахаров. Сырьем гидролизной промышленности служат главным образом отходы лесопиления и деревообработки, низкокачественная древесина. Технологические опилки (ГОСТ 18320—78) сразу подвергают гидролизу, крупномерные отходы и дрова предварительно измельча- ют в щепу.

Гидролиз древесины можно осуществлять разбавленными MI неральными кислотами (серной, соляной) при высокой температуре или концентрированными кислотами при нормальной температуре.

В промышленности применяется гидролиз разбавленной до 0,5...0,6 % серной кислотой. Сырье в виде смеси опилок и щепы поступает в гидролизаппарат. Туда же подается горячий раствор серной кислоты. При температуре 140... 160 °С происходит гидролиз гемицеллюлоз, а при 180... 190 °С — гидролиз целлюлозы. Одновременно с подачей серной кислоты отбирают гидролизат — кислый водный раствор простых Сахаров. В конце процесса в гидролизаппарат подается горячая вода для удаления Сахаров и серной кислоты, пропитывающих нерастворимый остаток — лигнин. Этот побочный продукт гидролизного производства может быть использован для получения смол, пластмасс, антисептиков, удобрений, активного угля, топлива и др.

При гидролизе более концентрированной (10... 15%) серной кислотой богатой пентозанами древесины лиственных пород (береза, осина) и сельскохозяйственных растительных отходов получают фурфурол. Он применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон, смол, для очистки смазочных масел, изготовления медицинских препаратов (фурацилина и др.), красителей, средств для борьбы с сорняками, грибами и насекомыми и для других целей.

Нейтрализованный известковым молоком гидролизат (сусло) поступает в бродильное отделение. Под действием ферментов винокуренных дрожжей содержащиеся в сусле гексозы (глюкоза и сахара из гексозанов) сбраживаются и образуют этиловый спирт, а также углекислый газ, который улавливается и используется для получения жидкой углекислоты и сухого льда. Этиловый спирт (этанол) используется в производстве пластмасс, пленок, лакокрасочных материалов, лекарственных препаратов и т.д. Весьма перспективно использование этанола в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Остатки после отгонки спирта (барда) содержат неразложившиеся пентозы, которые используют для выращивания кормовых дрожжей, богатых витаминами и белком. Создана самостоятельная гидролизно-дрожжевая промышленность, в которой технологический процесс не предусматривает получения этилового спирта. Весь гидролизат, включающий как гексозы, так и пентозы, используется для выращивания кормовых дрожжей — ценной добавки к рациону питания животных. Дрожжи выпускают в виде сухого (влажностью не более 10 %) порошка коричневого цвета с содержанием белка не менее 35 %.

В последнее время кроме традиционного способа гидролиза получили распространение автогидролиз кратковременной пропаркой древесины при температуре 200...240°С с последующим мгновенным сбросом давления и, особенно, ферментативный гидролиз с использованием биологических катализаторов.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Части растущего дерева | Физические свойства древесины
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 1929; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.019 сек.