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 однолетние сельскохозяйственные растения.

На каждого жителя в СССР приходилось 3,88 га лесных насаж-
дений и 341 м³ 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. м³) 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.), целлюлозно-бумажная
(различные виды целлюлозы, бумаги, картона), строительная (стро-
ительные материалы, различные плиты, паркет, облицовочные и кровельные покрытия, шпалы и др.), топливно-энергетическая (топливо, смазочные сред­ства, топливные до­бавки), химическая (спирты, растворители, лаки, краски, искусственные волокна, пластические масссы и др.), сельское хозяйство (кормовые добавки, удобрения, ядохимикаты), горнодобывающая, металлургическая, машиностроительная (крепь, детали и части транспортных средств, механизмов, машин и др.).

Общий средний естественный прирост древесины за год на территории СССР был примерно равен 900 млн. м3, а объем ее заготовок составлял около 400 млн. м3. Однако масштабы потребления этого вида возобновляемого сырья прогрессивно увеличиваются.

 

Общая характеристика отходов растительного сырья

и состояние их использования

Из общего количества заготовлявшейся ежегодно в СССР дре-
весины (около 400 млн. м³) около половины (> 150 млн. м³) 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 оставатась 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, в основном лиственных пород и сломанных тонкомерных
деревьев (40-60 млн. м³).

Примерно такое же количество древесины превращалось в отхо-
ды (опилки, стружки, обрезки, щепа, кора и т.п.) в 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 карандашном - 90-95%.

Не менее обширен и круг рассматриваемых ниже мероприятий,
объединяемых во вторую группу и тесно связанных с вопросами комплексной переработки этих видов отходов.

Практически все они базируются на использовании либо отдельных механических, термических, химических и микробиологических приемов обработки отходов, либо на совокупности некоторых из них. Для понимания существа этих приемов необходимо краткое ознакомление с составом перечисленных отходов и некоторыми свойствами как отходов в целом, так и отдельных их компонентов.

Совместное обсуждение:

Предложить и рассмотреть варианты замены лесных ресурсов другими видами природных ресурсов или сырья в перечисленных сферах их использования. Предложения должны быть направлены в первую очередь на сохранение и рациональное использование лесных ресурсов и ориентировочно оценены в экономическом аспекте.

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 (С0₂, Н₂0) лежит явление

фотосин­теза, суммар­ное уравнение которого имеет вид:

 

которое приводит к образованию в клетках растений различных ор­ганиче­ских соединений, в том числе растворимых в воде сахаров - пентозы С₅Н₁₀О₅ и обра­зованию в клетках растений различных органических соединений, в том числе растворимых в воде сахаров - пентозы С₅Н₁₀О₅ и гексозы С₆Н₁₂0₆, служащих для питания клеток. Необходимый для жизни растений запас саха­ров образуется в результате полимеризации молекул пентоз и гексоз,. Слож­ная смесь высокомоле кулярных гетерополисахаридов, включающая эти со­единения и являющаяся одним из основных компонентов оболочек расти­тельных клеток, называется гемицеллюлозами. Эти углеводы присутствуют в одревесневших частях растений (соломе, семенах, орехах) и древесине. Гемицеллюлозы растворяются в щелочах. Они легко гидролизуются разбавленными минеральными кислотами, переходя в раствор с образованием способных к спиртовому брожению гексоз.

Другим важнейшим компонентом этих облочек является весьма
близкий к гемицеллюлозам полисахарид - целлюлоза или клетчака.
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 в линейные неразветвленные цепи. 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 к действию слабых окислителей. При продолжи-

 

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 макромолекул целлюлозы лег-
ко гидролизуются. Продуктом полного гидролиза целлюлозы явлет-
ся Д-глюкоза:

Эта реакция лежит в основе промышленного способа получения этилового спирта из целлюлозусодержащего сырья.

При нагревании до 120-150°С в отсутствие кислорода целлюло-
за устойчива, при более высоких температурах происходит деструк-
ция, а выше 300° С - графитизация (карбонизация) целлюлозного во-
локна.

Наконец, третьим основным компонентом клеточных оболочек
сосудистых растений является лигнин, полимерные молекулы кото-
рого в процессе роста растений внедряются между молекулами цел-
люлозы, инкрустируя их, придавая оболочкам клеток значительную
упругость и твердость и вызывая там самым «одревеснение» кле-
ток. Лигнин представляет собой сложное, не имеющее стабильной
молекулярной массы полимерное вещество.

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 H₂S0₄ и NaOH он легко переходит в раствор.
На этом свойстве отделения лигнина основано получение из растительного сырья технической целлюлозы.

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, кремнекислота) вещества.

Использование 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 в почву или сжигаются для
предупреждения их вредного воздействия на окружающую среду,
предотвращения снижения плодородия полей и в ряде других целей.
Потенциально полезные свойства отходов при этом практически не
используются. Вместе с тем даже небольшие массы рассредоточенных отходов многих видов растительного сырья могут эффективно использоваться в районах их образования в сельскохозяйственных 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 в 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 в измельченном виде) с целью повышения урожайности некоторых сельскохозяйственных культур.

 

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), 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 введением в обрабатываемую массу в качестве связующего синтетической смолы.

Источником сырья для производства древесностружечных плит
может служить бывшая в употреблении ящичная тара, дре-
весные стружки, кора, обрезки, опилки, льняная и конопляная костра,
щепа.

Еще одним перспективным направлением использования рассмат-
риваемых отходов в строительной индустрии является производство
древесных пластиков. Под этим термином объединяют древеснослоистые пластики, древеснопластические массы и прессованную древесину.

Лиственные породы древесины в виде тонких пластин (шпона)
используют для получения древеснослоистых пластиков, производ-
ство которых заключается в обработке шпона ростворами терморе-
активных синтетических смол с последующей просушкой и сборкой
в пакеты. С целью улучшения прочности и эластичности изделий ис-
пользуют армирующие материалы (фольга, металлическая сетка,
прорезиненная ткань и т.п.), а для повышения их антифрикционных
свойств вводят графит и масла. Древесноволокнистые пластики используют в качестве конструкционных, электроизоляционных, антифрикционных материалов в судостроительной, электротехнической и машиностроительной отраслях промышленности.

Растительные отходы в виде опилок, стружек, тонких и мелких
обрезков, волокон служат сырьем для производства древесноплас-
тических масс, которые ввиду их хороших электроизоляционных свойств используют в транспортном машиностроении, в судостроении, производстве строительных материалов и по некото-
рым другим направлениям. Использование этих пластиков позво-
ляет экономить значительные количества черных и цветных метал-
лов, ценных пород древесины. Экономическая эффективность одной
тонны этих материалов в СССР составляла 2,5 тыс. руб, а капиталь-
ные затраты на их производство окупались в течение нескольких ме-
сяцев.

Такие широко распространенные отходы, как древесные стружки
и опилки, используют для производства древесной муки. Последняя
представляет собой тонкодисперсный (размер частиц 150-420 мкм)
сыпучий порошок, получаемый сухим помолом. Дре-
весную муку используют в производстве ряда строительных мате-
риалов (линолеум, ксилолит и др.), в мебельной промышленности,
для получения некоторых взрывчатых веществ и ряда других
целей.

Известно большое число рецептур и приемов
использования растительных отходов для производства облегченных
и легких бетонов.

Отходы растительного сырья можно эффективно использовать в
качестве выгорающих добавок, вводимых в сырьевые смеси при
производстве строительной керамики.

Современные клеи позволяют из различных древесных
обрезков получать длинномерные детали, по прочности практически
не уступающие таковым, изготовленным из цельной древесины. Рас-
четы показывают, что клеевое соединение обрезков древесины дли-
ной не менее 0,2 м в детали для строительства и мебельной про-
мышленности с выгодой окупает расходы на соответствующее обо-
рудование и организацию производства. Такой путь утилизации
древесных отходов все шире используют в мировой практике для

производства различных типов щитового паркета, некоторых строи-
тельных элементов, железнодорожных шпал, отдельных деталей
мебели и других изделий.