Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса получения прессованных строительных материалов из растительных отходов 12
2. Технология прессованных материалов из растительного сырья с предварительной его гидротермической обработкой 28
3. Материалы и методы исследования 42
3.1. Применяемые материалы 42
3.2. Методы исследования 44
3.2.1. Методики химического анализа растительного сырья 44
3.2.2. Методики определения функциональных групп растительного сырья 47
3.2.3. Методика проведения гидротермической обработки растительного сырья 50
3.2.4. Методика определения количества фурфурола в фур-фуролсодержащем конденсате 52
3.2.5. Методика определения количества уксусной кислоты в газовых выбросах после гидротермической обработки растительного сырья 53
3.2.6. Методика получения фурфуролацетонового мономера 54
3.2.7. Методика подготовки растительного сырья по фракциям 56
3.2.8. Методика изготовления и исследования прессованных строительных материалов из растительного сырья 57
3.2.9. Планирование эксперимента и статистические методы анализа экспериментальных данных 60
3.2.10. Методика определения токсикологических свойств
плитных строительных материалов из растительного сырья 65
4. Исследование свойств пресс-массы и технология её подготовки для получения прессованных строительных материалов из растительных отходов 68
4.1. Влияние режима гидротермообработки и вида растительного сырья на динамику протекания гидролитических процессов 68
4.2. Влияние режима гидротермообработки сырья на выход фурфурола и химический состав целлолигнина 78
4.3. Динамика накопления фурфуролацетонового мономера в слабых водных растворах фурфурола 95
4.4. Свойства мономера ФА, полученного из фурфурола различных видов растительного сырья 99
4.5. Состав и свойства лигнинов гречневой и подсолнечной лузги 103
4.6. Процесс образования гуминоподобных веществ при гидротермической обработке растительного сырья 108
4.7. Состав и свойства водорастворимых веществ и экстрагируемых спиртобензолом веществ, содержащихся в целлолиг-нинах берёзы 117
4.8. Влияние режима гидротермообработки и породы древесины на количество и состав экстрагируемых спиртобензольной смесью веществ 123
4.9. Влияние температуры гидротермообработки на состав
экстрагируемых спиртобензолом веществ целлолигнина берёзы 129
5. Физико-механические свойства прессованных строительных материалов из растительного сырья 134
5.1. Влияние содержания фурфуролацетонового мономера на физико-механические свойства плит 134
5.2. Влияние водорастворимых веществ, экстрагируемых спиртобензольной смесью веществ и «коллоидного лигнина» на физико-механические свойства плит 137
5.3. Влияние фракционного состава исходного сырья на физико-механические свойства плит 142
5.4. Влияние влажности пресс-масс на химический состав и физико-механические свойства плит 147
6. Токсикологические свойства плит 157
7. Практические рекомендации 159
7.1. Технологическая схема производства плитных прессо ванных строительных материалов из растительного сырья 159
7.2. Расчёт экономической эффективности производства плит по разработанной технологии 162
7.3. Определение величины предполагаемого предотвращенного экологического ущерба 163
Общие выводы 167
Список используемой литературы 169
Приложения 182
- Методики химического анализа растительного сырья
- Влияние режима гидротермообработки и вида растительного сырья на динамику протекания гидролитических процессов
- Влияние содержания фурфуролацетонового мономера на физико-механические свойства плит
- Технологическая схема производства плитных прессо ванных строительных материалов из растительного сырья
Введение к работе
В Парадигме развития Человечества подчёркивается, что в XXI веке центральной становится проблема «качества жизни». Среди показателей «качества жизни» на первое место выходит безопасность человека и прежде всего экологическая [26, 63, 114].
Поэтому достоинства или недостатки строительных материалов в настоящее время определяются с точки зрения экологических требований, которые характеризуются следующими основными показателями: 1) минимальное загрязнение окружающей среды при производстве и эксплуатации материалов; 2) малые материальные, энергетические и трудовые затраты при добыче и переработке сырья, а также при изготовлении и применении строительных материалов [13].
В соответствии с этими принципами, а также придерживаясь целевой федеральной программы «Отходы», федерального закона «Об отходах производства и потребления», на современном этапе необходимо вовлекать в стройиндустрию, как в наиболее материалоёмкую отрасль, вторичные материальные ресурсы - отходы различных производств, в том числе отходы переработки древесины и одревесневшие отходы сельского хозяйства [1,25, 49, 54, 72, 111].
Имея гигантские запасы древесины, Россия значительно отстает от лесоперерабатывающих стран мира по выпуску готовой продукции из древесины в расчёте на кубометр заготавливаемой древесины [54, 110].
Ежегодный прирост древесных отходов в России составляет 780-800 тыс.м [73]. В настоящее время на территории РФ скопилось более 1 млрд.м древесных отходов, которые занимают большие земельные площади, загрязняя окружающую среду.
Кроме того, ежегодно тысячи тонн остатков урожая, которые составляют по массе почти половину сухого вещества урожая, остаются не востребованными. Например, солому, в связи с резким сокращением поголо-
6 вья скота, в качестве подстилки и корма почти не используют, её просто сжигают, вызывая загрязнение атмосферы.
Между тем, из отходов растительного происхождения можно получать различные материалы строительного назначения, в том числе плитные композиционные строительные материалы без традиционных синтетических связующих и вяжущих веществ, содержащих в своём составе канцерогенные и другие вредные вещества.
Актуальность настоящей работы заключается в том, что в последнее время особое внимание уделяется разработке плитных строительных материалов на основе дешёвых отходов растительного происхождения и экологически чистых связующих веществ или без них, т.к. в связи с ужесточением экологических требований применение ДСП, содержащих в своём составе токсичные связующие, ограничено. В то же время ДСП обладают высокими техническими свойствами, могут иметь крупноформатные размеры и сужение области их применения создаёт определённый дефицит в материалах с аналогичными свойствами.
Были попытки изготовить из древесного и другого растительного сырья плитные строительные материалы без ввода в пресс-массу традиционных связующих веществ [65, 70, 88, 100, 103, 137, 138] или их компонентов. Однако такие материалы не обладали необходимыми физико-механическими и техническими свойствами. При получении таких материалов не уделялось достаточного внимания вопросам влияния химического и функционального составов растительного сырья на свойства пресс-массы и недооценивалась зависимость свойств готовых плит от физико-химических процессов, происходящих при технологической переработке сырья.
Накопленный опыт не позволяет разработать научно-обоснованные рекомендации по индивидуальному и совместному использованию различных видов растительных отходов и получать прессованные материалы с гарантированно высокими свойствами. Причина этого состоит не столько
в недостатке фактического материала, сколько в отсутствии единого подхода к природе химических процессов, происходящих при изготовлении подобных материалов, режимам их переработки и требованиям, предъявляемым к исходному сырью.
Вышеизложенное обуславливает необходимость создания теоретической и методологической базы разработки составов и технологии прессованных строительных материалов на основе отходов растительного происхождения с точки зрения современных представлений о структуре лиг-ноуглеводной матрицы растительной клетки, а также физико-химических процессов, происходящих в растительной ткани на технологических этапах получения материала.
Целью настоящей работы является исследование зависимости свойств прессованных строительных материалов из растительных отходов от вида сырья, от его химического состава, функциональных групп, физических свойств и технологических качеств сырья и пресс-массы; разработка соответствующей пресс-массы, включающей в себя фурфуролацетоно-вый мономер, полученный непосредственно из растительного сырья при добавлении ацетона; а также создание экологически чистой технологии изготовления плитных прессованных строительных материалов с высокими физико-механическими свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
исследовать исходный химический состав сырья на основе отходов растительного происхождения с целью нахождения потенциальных источников клеящих веществ;
исследовать химические процессы, протекающие при гидротермообработке, изменение функционального и химического составов в зависимости от режима гидротермической обработки сырья, а также установить оптимальный режим этого процесса;
исследовать процесс получения фурфуролацетонового мономера (ФА) из слабых водных растворов фурфурола;
исследовать свойства ФА, полученного из фурфурола различных видов растительного сырья;
установить зависимость свойств материала от содержания фурфуролацетонового мономера в пресс-массе;
установить зависимость свойств прессованных строительных материалов от содержания в пресс-массе комплекса химических веществ растительной ткани (водорастворимых веществ, экстрагируемых спиртобензольной смесью веществ и «коллоидного лигнина»), т.е. от качества целлолигнина, а также от фракционного состава и влажности сырья;
определить токсикологические свойства плит;
произвести опытно-промышленную апробацию разработанных прессованных строительных материалов из древесных отходов и отходов сельского хозяйства и оценить эколого-экономическую эффективность их производства.
Научная новизна работы состоит в исследовании возможности получения плитных материалов из разнообразного нетрадиционного растительного сырья с предварительной гидротермической обработкой и его последующим двухоперационным прессованием; разработана технология получения нетрадиционного связующего вещества для пресс-массы из сконденсированного фурфурола, полученного при гидротермической обработке сырья - фурфуролацетонового мономера (ФА).
Установлены зависимости свойств полученных прессованных строительных материалов от химического и функционального составов, фракционного состава и влажности сырья.
Выявлены и описаны основные закономерности взаимодействия компонентов пресс-масс при их подготовке, гидротермической обработке и получении мономера ФА.
Предложен метод определения потенциального фурфурола в сырье, метод определения «коллоидного лигнина» в гидротермообработанном растительном сырье. Выявлены математические зависимости свойств готовых изделий от количества водорастворимых веществ, экстрагируемых спиртобензольной смесью веществ и «коллоидного лигнина» в пресс-массе. Выполненный анализ функционального и химического составов растительного сырья с позиции химии растительной клетки позволяет изыскать возможность получения клеящих веществ из собственно исходного растительного сырья, объяснить закономерности образования внутренней структуры материала, обеспечить возможность создания нового материала, в котором полностью реализованы потенциальные возможности ингредиентов растительной ткани к химическому взаимодействию.
Разработана технология производства плитных материалов с нетрадиционным связующим компонентом. Получены математические модели, позволяющие прогнозировать и оптимизировать составы пресс-масс, а также физико-механические свойства готовых плит в зависимости от составов пресс-масс.
Практическая значимость работы заключается в более полном обеспечении гражданского и промышленного строительства новыми экологически безопасными плитными прессованными строительными материалами с высокими физико-механическими свойствами из экологически чистого сырья (отходы деревообработки лиственных и хвойных пород, солома пшеницы, подсолнечная и гречневая лузга) без ввода в пресс-массу традиционных токсичных синтетических связующих веществ. Показана экономическая целесообразность использования растительных отходов в производстве таких плит, поскольку в этом случае уменьшается стоимость плит в результате использования такого сырья и отказа от применения дорогостоящих смол, кроме того, в результате применения предлагаемой технологии получения плит существенно сокращаются потери от рубки леса.
Реализация работы. Эффективность разработанных на основе диссертационных исследований составов пресс-масс и технологии получения плит из отходов древесины лиственных и хвойных пород, пшеничной соломы, подсолнечной и гречневой лузги подтверждена опытно-промышленной проверкой и техническими испытаниями в ООО «ЭКО-КОМ» (г. Тольятти, Самарская обл.).
Апробация работы. По результатам исследований была принята к публикации работа «Оптимизация процесса гидротермической обработки при производстве древесностружечных плит» в журнале «Известия ВУЗов. Строительство». Получено положительное решение предварительной экспертизы о получении патента по заявке №9912340 от 21.06.99 г. «Способ изготовления плит из растительного сырья» авторов Озеровой Н.В., Арбузова В.В.
Основные положения диссертации на различных этапах её выполнения докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах: «Исследование возможности получения связующего на основе остатка сточных вод гидролизного производства» (Международная научно-практическая конференция «Хозяйственно-питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования», Пенза 1996); «Утилизация вторичных кубовых остатков фурфурольного производства» (Международная научно-практическая конференция «Питьевая и сточные воды: проблемы очистки и использования», Пенза, 1997); «Новый композиционный материал из соломы» (Международная научно-практическая конференция «Вопросы планировки и застройки городов», ПГАСА, 1998); «Пьезотермопла-стик из подсолнечной лузги» (Международная научно-практическая конференция «Экономика природопользования», Пенза, 1998); «Новый композиционный материал из отходов растительного происхождения» (Международная научно-практическая конференция «Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля», Пенза, 1998); «Прессованные строительное материалы из древесного и другого растительного сырья
11 без связующих», «Неразрушающие методы исследования вязкоупругих свойств древесины при гидротермической обработке» (Международная научно-практическая конференция «Экология и жизнь», Пенза, 1999); «Исследование изменения количества пентозанов и карбоксильных групп в процессе водного гидролиза», «Получение фурфуролацетонового мономера из конденсата паров самоиспарения гидролизата» (Международная научно-практическая конференция «Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля», Пенза, 1999), «Исследование свойств мономера ФА, полученного из фурфурола различных видов растительного сырья» (Международная научно-практическая конференция «Экология и жизнь», Пенза, 1999), «Методика определения токсичности плитных прессованных строительных материалов из отходов растительного происхождения без связующих» (Всероссийская научно-практическая конференция «Лабораторное дело. Организация и методы исследования», Пенза, 1999), «Композиционные плитные строительные материалы из отходов лесного и сельского хозяйства» (Международная научно-техническая конференция «Композиционные строительные материалы. Теория и практика», Пенза, 2000), «Плитные материалы из растительных отходов как замена ДСП» (Международная научно-практическая конференция «Экономика природопользования и природоохраны-2000», Пенза, 2000). Всего по теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Результаты исследований диссертационной работы внедрены в учебный процесс ряда вузов по дисциплинам «Экология» и «Безопасность жизнедеятельности» .
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 43 таблицы, 58 рисунков, список литературы из 142 наименований и 8 приложений.
Методики химического анализа растительного сырья
Перед началом исследования химического состава растительного сырья его крупнодисперсную фракцию измельчали до частиц размером не более 1 мм.
При анализе химического состава всех видов исследуемого растительного сырья определяли влажность, зольность, лигнин, водорастворимые вещества, экстрагируемые спиртобензолом вещества, легкогидроли-зуемые и трудногидролизуемые полисахариды, пентозаны, уроновые кислоты и целлюлозу. Определения проводили в соответствии с рекомендациями, указанными в литературе [14, 89, 124].
Анализ растительного сырья на содержание пентозанов и потенциального фурфурола, основанный на определении образующегося при распаде пентозанов фурфурола, проводили в присутствии 40 %-ной серной кислоты, что позволило повысить точность анализа и проводить несколько определений серийно без разборки аппаратуры, т.к. серная кислота вследствие своей нелетучести не отгоняется вместе с фурфуролом и может быть использована многократно [47, 61, 67, 109, 112].
Разработанная нами методика определения потенциального фурфурола заключается в следующем.
Навеску сырья (размер частиц 0,2-1,0 мм) в количестве 0,4-0,8 г (в зависимости от содержания в нём пентозанов) вносили в реакционную колбу до начала нагревания, заливали 150 мл 40 %-ной серной кислоты и далее проводили процесс паровой дистилляции до отрицательной реакции конденсата с 5 %-ным раствором бензидина в уксусной кислоте. Через 20 минут после начала дистилляции выделилось уже 60-80 % от общего количества образовавшегося фурфурола (15,99 - 16,08 % от абсолютно сухого вещества). Для пересчёта количества образовавшегося фурфурола в пентозаны мы пользовались эмпирическим коэффициентом 1,563. В за висимости от метода определения потенциального фурфурола, а также от вида растительного сырья (учитывается соотношение ксилозы и арабино-зы) численное значение коэффициента может меняться от 1,88 до 1,48 [67]. Количество фурфурола в дистилляте определяли с помощью фотоэлектро-колориметра ФЭК-Н, измеряя оптическую плотность красно-фиолетового продукта, образованного фурфуролом в 5 %-ном растворе бензидина в уксусной кислоте, с помощью зеленых светофильтров №4 (длина волны 508 нм).
Экстрагируемые спиртобензольний смесью вещества определяли в аппарате Сокслета в течение 8-12 часов [81].
Водорастворимые вещества определяли в растворе, полученном при кипячении навески растительного сырья в дистиллированной воде в течение 30 мин [90].
Содержание зольных веществ в растительном сырье определяли методом сжигания при температуре 300 С и последующего прокаливания навески в муфельной печи при температуре 575±25 С по ГОСТ 18461-82.
Абсолютную влажность растительного сырья определяли по ГОСТ 16932-85 методом высушивания навески до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 103±2 С.
Метод определения лигнина в растительном сырье основан на способности его подвергаться гидролизу смесью крепкой (75 %-ной) серной (6 частей) и ортофосфорной (80 %-ной) кислот (1 часть) (ГОСТ 11960-79) [80].
Содержание целлюлозы в растительном сырье определяли по ГОСТ 6840-78 [80].
Легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) определяли при нагревании навески растительного сырья с 2 %-ной НС1 при 100 С, а трудногид-ролизуемые полисахариды (ТГП) - обработкой остатка 80 %-ной H2SO4 с последующей «инверсией» [14].
Уроновые кислоты определяли по методу Дише [31], разработанному /утя определения галактуроновой кислоты пектиновых веществ плодов. Этот метод основан на реакции уроновых кислот с карбазолом (0,5 %-ный спиртовой раствор) в кислой среде, ведущей к образованию окрашенных соединений с максимумом поглощения при X = 530 нм. Расчет количества кислот в пробах проводили по стандартным растворам галактуроновой кислоты известной концентрации. Чувствительность метода составляет 1-5 мкг/мл анализируемой пробы.
Содержание редуцируемых веществ (РВ) определяли эбулиостати-ческим методом [89], химическая сущность которого заключается в окислении РВ меднощелочной (фелинговой) жидкостью при кипячении в стеклянном сосуде - эбулиостате.
Методика определения «коллоидного лигнина» заключается в следующем [5].
Целлолигнин, освобождённый от водорастворимых и экстрагируемых спиртобензольной смесью веществ, подвергали экстрагированию 1,5 %-ным раствором NaOH в течение 16 часов при комнатной температуре, после чего фильтровали и осадок промывали горячей дистиллированной водой. Фильтрат от всех видов сырья имел оранжевую окраску. Затем фильтрат соединяли с промывными водами и разлагали 10 %-ной соляной кислотой в течение 12 часов при температуре 15-25 С. При этом фильтраты заметно светлели и из оранжевых превращались в бледно-жёлтые. Через 30 минут в фильтрате появлялись хлопьевидные вещества, по внешнему пиду напоминающие коллоиды. Через 15-20 мин из коллоидов снова образовывался хлопьевидный сгусток.
Затем фильтрат выпаривали на водяной бане. Остаток измельчали до дисперсности менее 0,05 мм, после чего сушили при 105 С до постоянной массы и подвергали экстрагированию спиртобензольной смесью при температуре 15-25 С в течение 24 часов.
Спиртобензольний раствор фильтровали и после удаления спиртобензольної! смеси в остатке получали «коллоидный лигнин».
Поскольку частицы «коллоидов», оставшихся на фильтре, получены из собственного лигнина растительного сырья и оставшихся трудногидро-лизуемых полисахаридов, то можно их природу считать лигнином и углеводами. Количественное определение «коллоидного лигнина» (КЛ) проводили по формуле [5]
Влияние режима гидротермообработки и вида растительного сырья на динамику протекания гидролитических процессов
Одной из основных стадий исследуемого технологического процесса получения плитных строительных материалов из растительных отходов является их гидротермическая обработка, при которой происходит деструкция растительной ткани с увеличением пластичности сырья, накоплением смолистых веществ и других компонентов, положительно влияющих на физико-механические свойства плитных прессованных строительных материалов. Поэтому нами были проведены исследования по определению количества переходящих из сырья в раствор пентозанов и по образованию в сырье золь-фракций, содержание в нём карбоксильных групп, а также определялась общая потеря массы сырья при такой обработке. В исследованиях применялись сосновые и берёзовые опилки, солома пшеницы, гречневая и подсолнечная лузга.
Результаты исследований представлены в табл. 4.1., 4.3. и на рис. 4.1-4.11.
Из табл. 4.1. видно, что с повышением температуры возрастает скорость деструкции древесного вещества. Сопоставление количества переходящих в раствор веществ и пентозанов (рис 4.1. и 4.3.) подтверждает, что основным процессом является гидролитическое расщепление гемицеллю-лоз. При более жёсткой обработке (185 С, 1..2 ч), очевидно, начинаются вторичные процессы образования полимерных продуктов, приводящие к уменьшению количества переходящих в раствор веществ. Причём при этой температуре в раствор переходит до 23 % древесного вещества сосновых опилок и до 31 % древесного вещества берёзовых опилок. Объяснить это можно меньшим содержанием в сосновой древесине гемицеллюлоз, т.е. легкогидролизуемых углеводов. Общее содержание водорастворимых веществ после 40 минут обработки не изменяется, но количество удаляемых из древесины пентозанов растёт (рис. 4.1. и 4.4.).
Количество свободных карбоксильных групп в образцах сосновой древесины также не изменяется, что объясняется удалением из древесины пентозанов, содержащих звенья уроновых кислот. Однако пересчёт количества свободных карбоксильных групп на содержание пентозанов в древесине показывает, что в начале процесса количество свободных карбоксильных групп всё же несколько возрастает (рис. 4.2. и 4.5.). В дальнейшем оно уменьшается, очевидно, вследствие декарбоксилирования. При 185 С с увеличением длительности гидротермической обработки, как в случае берёзовой древесины, так и в случае сосновой, количество карбоксильных групп увеличивается.
Согласно гипотезе строения древесинного вещества, предложенной в работе Эриньша [129], лигноуглеводная матрица образуется суперпозицией двух сеток: 1) сетки, формируемой гемицеллюлозами и лигнином с помощью лигноуглеводных связей, и 2) сетки собственно лигнина. Следовательно, уменьшение плотности сетки лигноуглеводнои матрицы может произойти в результате, во-первых, гидролиза сложноэфирных лигноуглеводных связей, во-вторых, гидролиза гликозидных связей гемицеллюлоз и, в-третьих, деструкции сетки лигнина.
Для хвойных пород, в частности, для сосновой древесины, в общей сетке лигноуглеводнои матрицы удельный вес лигнина значительно больше, чем в берёзовой древесине, а удельный вес сложноэфирных лигноуглеводных связей меньше. Этим объясняется столь существенная разница в динамике протекания гидролитических процессов берёзовой и сосновой древесины.
При гидротермической обработке берёзовой древесины достаточно легко расщепить часть сложноэфирных связей. При этом с переходом в раствор около 20 % древесинного вещества резко снижается плотность сетки лигноуглеводнои матрицы и скачкообразно растёт пластичность пресс-массы, чего не происходит с сосновыми опилками.
На рост пластичности древесины при деструкции сетчатой лигноуглеводной матрицы кроме снижения общей плотности сетки должна влиять и гетерогенность сетки. В лиственной древесине гетерогенность сетки лигнина, по всей вероятности, выше, чем в хвойной. Было высказано предположение, что во вторичном слое клеточных стенок лиственной древесины лигнин состоит из отдельных или слабо связанных между собой глобул [130]. В хвойной древесине эти глобулы более тесно связаны между собой вследствие большей концентрации лигнина в лигноуглеводной матрице и более плотной её сшивке.
Кроме того, лиственные породы содержат в 2-3 раза больше пенто-занов, чем хвойные породы древесины. Пентозаны являются потенциальным источником фурфурола:
Влияние содержания фурфуролацетонового мономера на физико-механические свойства плит
Образцы для исследований изготовляли из пресс-массы влажностью 17 %, с фракционным составом частиц 1-2 мм.
Результаты исследования влияния содержания фурфуролацетонового мономера на свойства плитных прессованных строительных материалов из растительного сырья представлены на рис. 5.1 - 5.4.
Прочность изделий из берёзовых опилок имеет максимальное значение при содержании мономера ФА 10 %, при дальнейшем увеличении содержания мономера она постепенно уменьшается. Подобные максимумы наблюдаются для прочности изделий из соломы при 7 %-ном содержании мономера ФА и для прочности изделий из подсолнечной лузги при 10 %-ном содержании мономера ФА. Это, по-видимому, объясняется тем, что мономер ФА всё в большей степени начинает расходоваться на создание межчастичных образований (толщина слоя мономера увеличивается) и заполнение пустот, а не на образование новых клеевых швов между частицами целлолигнина, поскольку когезионная прочность ФА меньше таковой прочности частиц целлолигнина.
Из рис. 5.2. видно, что зависимости имеют почти линейный характер. С увеличением содержания мономера ФА в изделиях повышается их плотность. Это объясняется тем, что плотность мономера ФА равная 1,09-1,17 г/см3 больше плотности растительного сырья [91].
Объяснение повышения гидрофобных свойств может быть найдено, основываясь на теории водопоглощения, предложенной А.А. Эльбертом
[128]. Как установлено, водопоглощение и разбухание происходят особенно интенсивно в начальный период, постепенно поглощение воды замедляется, а затем прекращается, при этом равновесие достигается за разные промежутки времени (в зависимости от плотности материала и содержания связующего). Согласно предложенной теории можно выделить три периода поглощения воды прессованным материалом: 1 период заполнение по-ровых пространств между частицами заполнителя; 2 период - пропитка древесного заполнителя во внешней диффузионной области; 3 период -пропитка древесины во внутренней диффузионной области.
Скорость водопоглощения в первом периоде зависит от плотности материала и в некоторой степени от содержания связующего. Второй период характеризуется высокой постоянной скоростью диффузии и наличием гидродинамических ограничений, являющихся следствием защиты поверхности растительного сырья связующим. Скорость водопоглощения при этом зависит только от плотности материала. В третьем периоде скорость водопоглощения определяется только содержанием открытых капилляров в единице объёма (или плотностью) материала.
Из рис. 5.2. и 5.3. видно, что при содержании мономера ФА в изделиях более 9 % водопоглощение и разбухание этих изделий становится менее 5 %. По-видимому, в нашем случае мономер ФА, обладая высокой водостойкостью и когезионной прочностью, в таком количестве способен частично (или полностью) изолировать поверхность частиц целлолигнина от воздействия воды.
В предыдущих главах было показано, что количество и функциональный состав водорастворимых веществ, экстрагируемых спиртобензольной смесью веществ и «коллоидного лигнина» целлолигнина влияет на физико-механические свойства плитных материалов вне зависимости от вида растительного сырья.
В процессе исследования определяли усреднённые значения плотности, предела прочности при статическом изгибе, водопоглощения и разбу-ханіїя за 24 часа прессованных строительных изделий из растительного сырья, изготовленных из целлолигнинов различного качества по разработанной нами технологии. Результаты исследований представлены на рис. 5.5.-5.8.
Технологическая схема производства плитных прессо ванных строительных материалов из растительного сырья
Принципиальная технологическая схема производства материалов показана на рис. 7.1. Технологический процесс осуществляется следующим образом: Лузга 1 дозатором 2 равномерно засыпается в дезмембратор 4, где измельчается до нужной дисперсности. Полученная фракция вентилятором 5 подаётся в бункер для хранения сырья 6. Солома 3 вручную подаётся в тот же дезмембратор 4, где измельчается до нужной дисперсности. Полученная фракция вентилятором 5 подаётся в бункер для сырья 6.
Таким же образом происходит подготовка древесных отходов. В этом случае опилки и стружка 45 дозатором 46, пройдя зону магнитного сепаратора 47, равномерно засыпаются в дефибратор 48, где измельчаются до нужной дисперсии и подаются в классификатор (грохот) 49 с ситом, на котором происходит разделение сырья на две фракции. Прошедшая сито, фракция вентилятором 51 подаётся в циклон 44 и далее порционным затвором 50 - на площадку сырья.
Из бункера 6 сырьё дозатором 7 подаётся в гидролизаппарат 43. После загрузки гидролизаппарат закрывается верхней крышкой и через ниж 160 ний штуцер подаётся пар для подогрева. Давление поднимается до 0,7 МПа. И производится гидротермическая обработка растительного сырья в течение 3 часов при температуре 190-210 С. По истечении 3 часов давление в гидролиз аппарате снижают до 0,6 МПа. И производят выстрел сырья в сцежу 42 с теплоизоляцией. Далее оно попадает в бункер 41с перемешивающим устройством, откуда транспортёром 40 доставляется в сушилку 39, где в качестве сушильного агента используются топочные газы. Использованный рабочий агент сушилки через сепаратор 19 направляется в котельную.
Каждые 10 мин. автоматически происходит сдувка парогазовой смеси из гидролизаппарата, которая охлаждается в теплообменнике (конденсаторе) 8 и поступает в сборник фурфуролсодержащего конденсата 9. В основной фурфурольной колонне 10 происходит отгонка легколетучих фракций, представляющих собой смесь эфирноальдегидной и метанольной фракций, поступающих затем в сборник метанольной фракции 11. Оставшийся кубовый остаток, содержащий фурфурол, накапливается в сборнике 12. В смеситель-реактор с мешалкой и паровой рубашкой 16 с помощью дозаторов 13, 14 и 18 подаются фурфурол из сборника 12, ацетон из ёмкости 15 и 20 %-ный водный раствор едкого натра из ёмкости 17. Реакция протекает с выделением теплоты, поэтому в рубашку подают холодную воду. По окончании экзотермической стадии реакции массу нагревают до 86-96 С путём подачи пара в рубашку и продолжают реакцию несколько часов. Затем полученный продукт охлаждают до 25-30 С. Реакционная масса после отстаивания расслаивается на мономер ФА и водную фазу, которую удаляют декантацией.
В смесителе 29 приготавливается водный раствор бензолсульфокис-лоты (в соотношении БСК:вода = 10:1), который является отвердителем мономера ФА. Связующий компонент нужной концентрации готовится в смесителе 30, куда подаётся дозатором 24 мономер ФА и раствор бензол-сульфокислоты.
Подсушенное гидролизованное растительное сырьё поступает в циклон 20, из которого порционным затвором - в бункер 21. Мелкодисперсная пыль из циклона 20 с помощью рукавного фильтра 23 направляется в бункер 21.
Осмоление связующим подготовленного растительного сырья производится в смесителе 32, куда дозаторами 22, 31 подаются мономер ФА с отвердителем и гидротермообработанное растительное сырьё.
Из готовой композиции стелется ковёр 33, который подпрессовыва-ется при нормальной температуре в прессе 34. В горячем прессе 36 производится изготовление плитного материала, вредные вещества, выделяющиеся при этом, улавливаются зондом 35. Далее плиты обрезаются на форматно-обрезном станке 37 и отправляются на склад кондиционной выдержки 38.
По указанной схеме изготавливаются плитные прессованные строительные материалы без связующих размером 2,44x1,22x0,01 м.
Технология была апробирована в производственных условиях ООО «ЭКОКОМ» (г. Тольятти, Самарская обл.)
Технико-экономическая эффективность производства прессованных строительных материалов из растительного сырья обеспечивается заменой карбамидоформальдегидной смолы и кондиционной древесной стружки отходами растительного происхождения и ацетоном с одновременным повышением эксплуатационных показателей и улучшением условий производства. Экономический эффект от производства разработанных пресс-масс рассчитывался путём сравнения предлагаемых материалов с базовым вариантом. Расчёт себестоимости предлагаемых материалов и базового варианта представлен в приложении 7.
