Древесина, как химическое сырье

 

Получение и использование целлюлозных материалов. Содержание большого количества целлюлозы делает древесину основным сырьем для получения технической целлюлозы, представляющей собой полуфабрикат в производстве бумаги. Бумага может быть изготовлена и из древесной массы и целлюлозы. Ее можно получить, удалив из клеточных стенок древесины все остальные вещества.

В промышленности целлюлозу получают двумя способами: сульфитным (кислотным) и сульфатным (щелочным). Наиболее перспективный экологически чистый второй способ, т.к. он позволяет перерабатывать все породы древесины, в том числе и смолистые. Основа этого процесса - варка древесины при высоких температурах и давлении при воздействии различными агентами, растворяющими сопровождающие целлюлозу вещества, отличающиеся меньшей химической стойкостью. Данным способом получают более половины производимой в мире целлюлозы

Технологический цикл замкнут, т.е. можно восстанавливать щелок и при этом способе волокна целлюлозы получаются более прочными, см. схему технологического процесса (рис. 9).

Измельченная в щепу древесина варится в растворе, содержащем едкий натрий (NaОН) и в 3 раза меньше сернистого натрия (Na₂S).

Варка ведется в котлах вместимостью 75-100 м³ при 170-180 ^оC и давлении 0,8-1 МПа в течение 3-5 часов. По окончании процесса варочный раствор приобретает черный цвет и называется черным щелоком.

Его упаривают для компенсации потерь Na₂S, смешивают с сульфатом натрия Na₂SO₄ и прокаливают. При этом органическая часть щелока сгорает (используется как топливо), а минеральная употребляется для приготовления свежего варочного раствора - белого щелока. В дальнейшем при варке в котлах непрерывного действия происходит частичный гидролиз гемицеллюлоз и другие процессы.

В результате получают целлюлозную массу и перешедшие в раствор органические вещества. При последующей операции отбеливания хлорсодержащими агентами и NaОН целлюлозу промывают (удаляются остатки лигнина, золы и смолы). После обезвоживания целлюлозы в специальной машине ее превращают в непрерывную ленту влажностью 8 - 12%. Эту ленту разрезают на ленты и упаковывают в пачки для отправки на бумажные фабрики и др. целлюлозоперерабатывающие предприятия.

Сульфатный способ позволяет получить более прочные волокна, необходимые для производства корда и других целей. К достоинствам способа относится также предусмотренная технологией регенерация щелока, что сводит до минимума загрязнение водоемов.

 

 

 

Рис. 9. Схема технологического процесса получения целлюлозы

сульфатным (щелочным) способом

В качестве побочных продуктов получают сульфатное мыло, фитостерин, скипидар, кормовые дрожжи. Часть щелочного лигнина можно использовать в производстве синтетического каучука, пластмасс, керамики и т.д. Из щелочной целлюлозы получают кроме тех веществ, что перечислены выше: вискозу (из нее вырабатывают искусственный щелк, штапель, целлофан). Воздействуя на целлюлозу азотной и серной кислотой, получают бездымный порох, целлулоид, фотопленку, нитролаки, нитроклеи и т.д.

В бумажном производстве находит большое применение такой полуфабрикат, как древесная масса:

а) Химическая - получают при неглубокой химической переработке древесины, но содержание целлюлозы достигает 92%.

б) Белая - получается только путем механической переработки древесины в дефибраторах (истирание древесины - балансов - в присутствии воды). Сохраняется натуральный цвет древесины. Таким способом изготавливают массовые виды бумаги.

в) Бурая - перед истиранием древесину пропаривают, получаются более длинные волокна, но цвет - бурый. Так изготавливают картон, оберточную бумагу.

Гидролиз древесины. При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит разложение полисахарида целлюлозы (полимерного сахара) на более простые сахара (глюкозу и ксилозу). Разлагаются в первую очередь гемицеллюлоза и ее производные - гексозаны, которые и подвергаются дальнейшей биохимической переработке путем брожения и выделения известным способом этилового спирта - С₂Н₅ОН.

Это целый комплекс химических производств, позволяющих утилизировать отходы лесопильного и деревообрабатывающего видов производства.

В гидролизаппаратах емкостью 18-160 м³ измельченная древесина варится в горячем водном растворе серной кислоты (0,5-0,6%) вначале при t = 140-160 ^оC, затем при t = 180-190 ^оC. При этом, сначала осахариваются гемицеллюлозы, а затем и целлюлоза. В конце процесса в аппарат подается горячая вода для удаления сахаров и оставшейся серной кислоты, лигнин остается в виде нерастворимого осадка. Раствор охлаждают и в него добавляют известковое молоко для нейтрализации серной кислоты. В осадок выпадает гипс. Он оседает на дно емкости. Раствор, называемый суслом, подают в бродильное отделение, где в него добавляют ферменты винокуренных дрожжей для сбраживания. В процессе сбраживания образуются два компонента: углекислый газ и этиловый спирт см. схему технологического процесса (рис. 10).

 

 

Рис. 10. Схема технологического процесса гидролиза древесины

 

Далее, при конденсации подогретого раствора идет отгонка только этилового спирта (t = 73,2 ^оC). Из 1 м³ опилок выход спирта составляет 70-80 литров, а из одной тонны древесных опилок - 200 литров спирта. При охлаждении гидролизата образуются пары, конденсируя их, получают фурфурол - бесцветную маслянистую жидкость с запахом печеного хлеба. Используется фурфурол в медицине для получения фурацелина, а в химической промышленности - для получения пластмасс, нейлона, синтетического каучука, лаков, красок и т.д.

Для справки:1. Одна тонна сухих опилок заменяет 1 т картофеля при выработке этилового спирта; 2. Завод, выпускающий 5 млн. литров этилового спирта из древесных отходов лесопильного цеха, дает возможность экономить 3 тыс. га посевных площадей.

Термическое разложение древесины и коры. Разложение древесины (и коры) под действием высокой температуры происходит во многих процессах лесохимических производств. Широко известен способ сухой перегонки древесины без доступа воздуха. В этом процессе совершается пиролиз древесины с выработкой древесного угля, жижки (жидкий дистиллят используется для получения ацетона, креозота, уксусной кислоты, метилового спирта и т.д.) и газообразных продуктов (водород, угарный газ, метан).

При пиролизе древесины и коры выход основных продуктов зависит от породы. Так, например, при пиролизе сосны выход следующий: уголь - 37,9%, газы - 18,2%, уксусная кислота - 3,1%, метиловый спирт - 0,85%,смола - 7% (выход в % от массы абсолютно сухого сырья).

В настоящее время современные газогенераторы, работающие в составе автономных электростанций, позволяют получать промышленный электрический ток с использованием дизельэлектрогенераторов мощностью до 400 кВт.

Сжигание древесины и коры. Окисление древесины и коры в процессе горения происходит не только при энергохимической переработке, но и использование их в виде топлива. Качество древесины как топлива оценивается теплотой сгорания, т.е. теплотворной способностью его.

Теплота сгорания - это количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг древесины. Она практически не зависит от породы, т.к. элементный химический состав древесины различных пород почти одинаков.

С повышением влажности топлива теплота сгорания снижается (у свежесрубленной древесины - она почти в 2 раза меньше). У абсолютно сухой древесины теплота сгорания Q_н = 19,6-21,4 МДж/кг (1 МДж = 239 ккал). Температура горения t = 1550 ^оC.

Теоретически низшую теплоту сгорания (без учета тепла, образующегося при конденсации водяных паров) можно определить по формуле Д.И.Менделеева:

 

Q_н = 339 С + 1031 О – 109 Н – 25 W _отн, кДж/кг          (1)

 

где С, О, Н - содержание химических элементов, %; W - относительная влажность древесины, %.

Роль древесины, как топлива в последнее время возрастает, т.к. это возобновляемое, легкодоступное (сравнительно), экологически чистое (не содержит серы) сырье. Из высушенных отходов получают топливные брикеты, себестоимость которых будет значительно ниже, чем стоимость мазута и угля.

 

Контрольные вопросы

1. Каков процентный состав основных химических элементов

содержит органическая часть древесины?

2. Из каких компонентов состоит древесина?

3. Назовите наиболее прогрессивный способ получения целлюлозы.

4. Что такое пиролиз и гидролиз древесины?