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 сахаров 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.