Аспирант 1го курса, Сеничев В.П.

К.х.н., доцент, Воропай Л.М.

Д-р. техн. наук, профессор, Осипов Ю.Р.

Вологодский государственный университет, Россия

 

Эффективность ультразвукового воздействия в процессе экстрагирования редуцирующих сахаров в измельченной древесине

В настоящее время в строительной практике широкое применение находит арболит. Составные элементы данного композита – органический заполнитель и неорганическое гидравлическое вяжущее, весьма противоречивы по своей природе. В процессе приготовления смеси с учетом особенностей химического состава компонентов, в структуре материала протекают сложные физико-химические процессы, образуются продукты твердения цементного камня, а также продукты взаимодействия цементного теста с древесиной, которые определяют качество арболита [1].

Установлено, что из всех веществ наиболее отрицательное влияние на твердение древесно – цементной массы оказывают легко растворимые в воде моносахара, которые легко проникают сквозь стенки клеток древесины [2].

На практике для увеличения эффективности обработки твердых сред используют ультразвуковое воздействие. В литературе описано применение ультразвука при отмывке металлов и сплавов, полимерных материалов и т.д. Однако отсутствуют данные влияния ультразвука на процессы гидротермической обработки древесины.

В связи с этим, была поставлена цель интенсификации технологического процесса производства арболита с помощью ультразвуковой обработки древесного заполнителя.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Экспериментально установить технологические параметры ультразвуковой обработки древесной щепы.

2. Опытным путем определить влияние ультразвука на процессы гидролиза и экстрагирования водорастворимых сахаров, вызывающих деструкцию при формировании древесного композита.

3. На основании экспериментальных данных установить зависимость вымывания редуцирующих сахаров от времени обработки ультразвуком.

Предлагаемый способ обработки древесины щепы под действием ультразвука и ожидаемый эффект основаны на явлении акустической кавитации в растворе.

Эффективность кавитационного влияния на обрабатываемые среды зависит от многих факторов (интенсивности и частоты колебаний, характера акустических течений, физических свойств обрабатываемой жидкости и др.), но в особенности от температуры и характера среды. Экстрагирование и разрушение компонентов древесины под действием ультразвука происходит, благодаря совместному действию химически активной среды, и факторов, обусловленных положением акустических полей.

Обработка щепы проводилась в ультразвуковой установке контактного типа, разработанной и смонтированной совместно ООО «Александра плюс» и Вологодским государственным университетом.

Для проведения эксперимента были подготовлены пять навесок измельченной древесины хвойных пород, полученной как отход производства лесопильной линии.

Методика определения водорастворимых редуцирующих веществ была выполнена в соответствии с приложением к ГОСТу [3]. Количество редуцирующих веществ в древесине (РВ) в процентах от массы сухой навески определяют по формуле:

где b – количество сахара, соответствующее объему перманганата калия, пошедшего на титрование пробы, найденное по таблице ГОСТ, мг;

V0 –  объем воды, использованный для приготовления водной вытяжки, мл;

V1 – объем водной вытяжки, взятый на анализ, мл;

g – навеска сухой древесины, мг.

В процессе проведения эксперимента были установлены следующие факты:

 - соотношение в рабочем растворе массы обрабатываемого вещества и объема воды является определяющим фактором эффективности ультразвукового воздействия;

- высокая плотность раствора, т.е. относительно большое количество измельченной древесины и небольшой объем воды являются причиной снижения кавитации и неэффективности вымывания сахаров;

- экспериментально установленные параметры ультразвуковой обработки приведены в таблице 1.            

   Таблица1

Технологические параметры ультразвуковой обработки измельченной древесины

№ образца

Масса навески,

г.

Объем воды,

мл.

Время обработки,

мин.

Температура начальная, К

Температура конечная, К

1

50

900

5

296

306

2

50

900

10

296

319

3

50

900

15

296

326

4

50

900

20

296

330

5

50

900

25

296

335

 

С увеличением времени ультразвукового воздействия наблюдались изменения следующих показателей:

- повышение температуры рабочей среды в течение 25 минут на 39 К;

- подкисление жидкой фазы, (изменение рН в общем на 0,9)

         - неравномерность изменения оптической плотности экстракта после отмывки древесины ультразвуком;

- повышение оптической плотности  экстракта после добавления реактивов и отделения осадка;

- существенное снижение кавитации в рабочем растворе;

- незначительное уменьшение кавитации в воде.

Полученные экспериментальные данные представлены в таблице 2.

Таблица 2

Влияние времени ультразвуковой обработки на процесс экстрагирования редуцирующих сахаров в измельченной древесине

№

об-раз-ца

Время обра-ботки,

мин.

Объем KMnO4, мл.

 

Содержа-ние сахара  при объеме титра перманга-ната калия С, мг.

Содержа-ние водорас-творимых редуци-рующих веществ С, %.

рН сре-ды

Оптическая плотность

Кавитации

в растворе

в

воде

Д1

Д2

n1

n2

n1

n2

1

5

6.7

21.20

0.42

6

0.685

0.139

80

60

64

49

2

10

11.1

36.20

0.72

5.8

0.686

1.496

63

52

56

45

3

15

13.9

46.10

0.92

5.6

0.844

1.584

55

46

52

43

4

20

16.5

55.40

1.10

5.4

0.798

1.653

52

46

52

44

5

25

20.1

68.80

1.37

5.1

0.766

1.742

43

42

50

43

На основании эксперимента следует:

1. Применение ультразвука в гидротермической обработке древесины является эффективным способом вымывания водорастворимых редуцирующих веществ.

2. Увеличение времени ультразвукового воздействия при обработке измельченной древесины существенно повышает эффективность процесса экстрагирования водорастворимых сахаров.

Таким образом, применение ультразвукового метода обработки древесного заполнителя в производстве арболита позволяет регулировать процессы отмывки древесины, что существенно снижает проблему влияния водорастворимых редуцирующих сахаров на технологические процессы его изготовления. 

 

Литература:

1.                     Наназашвили, И.Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И. Х. Наназашвили. - Л.: Стройиздат, 1990. – 415 с.

2.                     Гружанс, А. Я. Исследование опилочных бетонов [Текст]: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 05.23.05 /А. Я. Гружанс. - Рига, 1958. - 68 с.

3.                     ГОСТ 19222 – 84. Арболит и изделия из него. Общие технические требования [Электронный ресурс]. - Взамен ГОСТ 19222 – 73; введ. 01.01.1985 // Техэксперт: инф.-справ. система / Консорциум «Кодекс».