Полезные материалы, вырабатываемые из древесины, коры и зелени

Ряд широко применяемых материалов вырабатывают из целлюлозы. Ее получают кислотными (сульфитным и бисульфитным), щелочными (сульфатным и натрон­ным) и нейтральным способами.

Сульфитный способ основан на обработке малосмолянистой еловой и пихтовой щепы в варочных котлах емкостью до 400 м³ сульфитной ки­слотой, т.е. раствором сернистой кислоты H₂S0₄ с бисульфитом кальция Ca(HSО₃)₂ при 130...150°С под давлением 0,5 1 МПа в течение 5...12 час до полной делигнификации древесины с последующим отделением целлю­лозы от сульфитного щёлока и очистки от щепы, песка и других примесей. Особо чистую и отбеленную целлюлозу получают последующей обработ­кой раствором едкого натрия NaOH и перекисью водорода Н₂О₂. Затем целлюлозу обезвоживают на сетчатой ленте, разрезают на листы 600x800 мм, упаковывают и отправляют на бумажные фабрики. Из сульфитного щёлока путём биохимической переработки получают белковые кормовые дрожжи, этиловый спирт, а также ванилин, фенолы, ароматические кис­лоты, а из лигносульфонатов щёлока – концентраты сульфитно спиртовой барды для производства цемента и бетона, литейных форм и стержней, синтетических дубителей, для улучшения структуры почв. Недостатки этого способа: длительность процесса, загрязнение водоёмов, коррозия оборудования от действия кислот.

Бисульфитный способ позволяет использовать древесину любых по­род. Варку щепы проводят в водном растворе бисульфита натрия, магния или аммония при температуре 160 °С.

Щелочной сульфатный способ получения целлюлозы пригоден даже при обработке высокосмолистой щепы в растворе с едким натром в котлах ёмкостью около 100 м³ при температуре 170... 180 °С под давлением около 1 МПа в течение 3...5 час. Полученный "чёрный щёлок" упаривают, сме­шивая с солью серной кислоты – сульфатом натрия Na₂SО₄ и прокаливают, сжигая органическую часть для приготовления из минеральной части но­вого варочного белого щелока. Остальные операции такие же, что и при сульфитном способе.

При удалении из древесины гемицеллюлоз (для получения высоко­качественной целлюлозы) проводят предгидродиз – пропарку или варку при 170 °С. Сульфатный способ даёт более прочные волокна (для корда) и обеспечивает регенерацию щёлока (ведут процесс по замкнутой схеме, не загрязняя водоёмов). К побочным продуктам относятся скипидар и суль­фатное мыло, разложение которого минеральной кислотой даёт талловое масло для производства хозяйственного мыла, олифы, смазочных масел, канифоли и фитостерин для лечения атеросклероза, кожных заболеваний и для производства ядохимикатов, моющих средств, эмульгаторов. Из щелочного лигнина – наполнители для синтетического каучука, замены фенола при получении пластмасс в шинной, керамической продукции. Из предгидоолизата – кормовые дрожжи.

Щелочной натронный способ основан на применении в качестве реа­гента едкого натра с добавкой соды при переработке лиственной древеси­ны.

Нейтральный способ используют при переработке древесины лист­венных пород раствором сульфитов натрия и аммония (Na₂SO₃ и (NH₄)₂S0₃), имеющих нейтральную реакцию.

Качество продукции, вырабатываемой из целлюлозы, зависит от процента её полезного выхода из сырья. Целлюлоза нормального выхода (40...50 % массы сырья) используется в производстве высококачественной бумаги и в химической промышленности. Целлюлоза высокого выхода (50...60 %), содержащая часть лигнина и гемицеллюлоз – для производства картона и бумаг. Полуцеллюлоза (60...80 %) – для тарного картона и низ­косортных бумаг. Химическая древесная масса (85...92 %) – белая масса, получаемая путём перетирания балансов в дефибраторе абразивной по­верхностью быстро вращающегося камня в присутствии воды, – применя­ется в производстве массовых видов бумаги; пропаренная бурая масса (95...98 %) – для обёрточной бумаги и картона.

Из химически обработанной целлюлозы получают вискозу, а из неё искусственный шёлк, штапельное волокно, кордовые нити для ткани каркасов автошин, транспортерных лент, текстропных ремней; путём продавливания вискозы через плоскощелевую фильеру получают целлофановую плёнку. Из нитратов целлюлозы получают целлулоид, кино- и фотоплёнку, нитролаки, нитроклей, бездымный порох.

Гидролиз древесины водными растворами кислот превращает цел­люлозу и гемицеллюлозу в простые сахара (глюкозу, ксилол), из кото­рых химобработкой получают ксилит, сорбит, лигнин (для .получения смол, пластмасс, антисептиков, стимуляторов роста растений, активного угля, топлива). Конденсацией гидролизата получают фурфурол (для пла­стмасс, нейлона, смол, смазочных масел, фурацилина (мед.), красителей, этиловой спирт), сухой лед. Из остатков после отгонки спирта выращи­вают кормовые дрожжи.

Пиролиз древесины – термическое разложение (сухая перегонка без воздуха) при температуре 120...275 °С – на первой стадии (сушка и начало разложения гемицеллюлоз); при температуре 275...450 °С с бурным выде­лением тепла – на второй стадии (распад веществ) и при 450...550 °С с до­полнительным прокаливанием угля – на последней стадии (удаление ос­татков летучих веществ). В результате получают: древесный уголь, жижку и газы.

Древесный уголь содержит 80 ...98 % углерода, 1,5 % золы, имеет вдвое более высокую теплоту сгорания, высокую сорбционную способность и используется в металлургии для выплавки цветных металлов и ферросплавов, для осветления и очистки растворов и сточных вод, для получения вискозного волокна и целлофана, особо чистого кристаллического кремния (для полупроводников), для электродов, цементации стальных деталей, для топлива, прикормки для скота и в медицине.

Жижка – это двухслойный (легкий водный и тяжелый смоляной) дистиллят. Из водного слоя выделяют уксусную кислоту, метиловый спирт, растворители (ацетон, метилацетат). Из смоляного слоя – анти­окислитель бензина, антисептики (креозот), фенолы для производства пла­стмасс.

Газы используют как топливо для обогрева аппаратов для сухой пе­регонки – реторт.

Пиролиз коры при сухой перегонке даёт больше чем древесина смо­лы, угля и газов, но меньше метилового спирта и уксусной кислоты.

Древесное топливо оценивается теплотой сгорания, выделяющейся при полном сжигании 1 кг топлива. Низшая (без учета тепла от конденса­ции водяных паров) теплотворная сдосрбность древесного топлива в зави­симости от процентного содержания углерода С, водорода Н, кислорода О и воды W₀ может быть определена с точностью 5... 10 % по формуле Д.И. Менделеева

Q_H = 339*С + 1031Н – 1090*О – 25 W₀ (1.1)

У абсолютно сухой древесины теплота сгорания колеблется в преде­лах 19600...21400 кДж/кг (у торфа 23000, антрацита 30000, мазута 40000 кДж/кг). У свежесрубленной влажной древесины она в 2 раза меньше, чем у сухой (берёзовая кора имеет Q_H = 35000 кДж/кг). Наивысшая температура горения – жаропроизводительность древесины 1550 °С, действительная температура горения дров в топке принимается равной 1000... 1100 °С.

Живица, содержащая 75 % канифоли и 20 % скипидара, добывается при подсочке из карры – специальной раны на стволах живых хвойных де­ревьев (рис. 1.15). В среднем за сезон собирают 1,5 кг живицы (сосна крымская даёт смолы в 2...3 раза больше сосны обыкновенной). Живица лиственницы используется для изготовления лучших сортов лаков и кра­сок, в медицине. Пихтовая живица (бальзам) даёт совершенно прозрач­ную плёнку для оптической промышленности, микроскопии.

Скипидар находит широкое применение как растворитель лаков и красок, для производства синтетической камфары (как пластификатора, в производстве целлулоида, лаков и киноплёнки), душистых веществ, смазки для авиационных двигателей и т.д.

Канифоль (живичная, экстракционная и талловая) – ценнейший ле­сохимический продукт, идущий на производство синтетического каучука, для проклейки бумаги, для изготовления электроизоляционных материа­лов, мыла, шин, полиграфических красок. Глицериновый эфир канифоли вводят в состав нитролаков для придания блеска плёнке.

Дубильные экстракты (жидкие, тестообразные, порошкообразные) получают вымыванием горячей водой из коры ивы (8...12 % таннидов), ели (7...12 %), лиственницы (10... 12 %), пихты (7... 15 %), дуба (5 %) и каштана (7 %).

Биологически активные вещества (витамины, хлорофилл, каротин, ферменты, микроэлементы, фитонциды) содержатся в живых клетках ли­ствы. В хвое аскорбиновой кислота (витамина С) в 6 раз больше, чем в лимонах и апельсинах. Витаминная мука содержит каротин – жёлтый пиг­мент, превращающийся в живом организме в витамин А, протеин (белок), витамины Е, К, В, микроэлементы и другие вещества. Её используют в ка­честве кормовых добавок для животных и птиц. Хлорофиллокаротиновая паста добавляется в парфюмерно-косметические изделия – мыла, зубные пасты, шампуни, экстракты для ванн – с целью их витаминизации (Е). Её применяют в животноводстве. Из сосновой и еловой зелени получают пре­парат, близкий по составу к гемоглобину крови – хлорофиллин натрия – кроветворное, тонизирующее и заживляющее средство.

Эфирные масла – сильно летучие ароматические вещества также со­держатся в древесной зелени в сосновых, еловых и особенно в пихтовых лапках (в 5...7 раз больше – до 2,5 %). Их получают путём отгонки с паром из зелени и последующей конденсации, а из остатков водорастворимых веществ вырабатывают лечебный экстракт, используемый для приготовле­ния хвойных ванн при лечении нервной системы, сердечно-сосудистых и ревматических заболеваний. Из хвойной и лиственной зелени выжимают натуральный сок, богатый витаминами и микроэлементами, используемый в сельском хозяйстве, парфюмерии, медицине и пищевой промышленности для изготовления мармелада, безалкогольных напитков и т.д.