Химия и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания

новых материалов и технологий

(Строительство и архитектура/4. Современные строительные материалы)

(Технические науки)

Доцент А.С. Кривоногова, д.т.н., профессор А.Р. Бирман

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

им. С.М. Кирова, Россия

Анализ использования способов пропитки в технологии производства древесного угля

Для лесопромышленного комплекса задача глубокой переработки низкосортной лиственной древесины является остроактуальным. Один из возможных вариантов её решения является термохимическая переработка. Основной продукт этой переработки – древесный уголь, который может служить основой для получения таких уникальных по своим свойствам нанопористых продуктов как углеродные монообменники, активированный уголь, эффективные сорбенты и т.п. продукция.

В настоящее время исследование древесины и древесных материалов – крупный самостоятельный раздел науки.

Опираясь на данные предварительного анализа, которые позволяют утверждать о пригодности древесины осины для производства качественного древесного угля и древесноугольных материалов [1]. Исследуем способы подготовки древесного сырья путём его модификации, переработки древесины и древесного угля с целью получения конечного продукта в идее сорбентов для очистки водных сред от ионов тяжёлых металлов и органических включений, устанавливаем закономерности и уравнения связи для расчёта технологических режимов обработки и устанавливаем показатели свойств новых материалов.

Классификация существующих способов пропитки капиллярно-пористой структуры (КПС) основана на трёх основных физических явлениях, происходящих при пропитке [2]: перемещение жидкости под действием капиллярных сил, диффузное перемещение молекул или ионов пропитывающего вещества; перемещение жидкости под действием внешнего избыточного давления.

Под теоретической моделью капиллярно-пористой структуры (КПС) понимают воображаемое тело, состоящее из системы гипотетических капилляров, эквивалентное в отношении тех или иных свойств (гидродинамических, капиллярных и других) исследуемому пористому телу [3].

Простейшая капиллярная модель представляет собой систему параллельных прямых трубок одинакового радиуса и одинаковой длины, равной длине рассматриваемого тела, в направлении потока движущейся сквозь него жидкости.

Взаимосвязь структуры древесины и древесного угля можно увидеть с помощью электронной микроскопии. Микрофотограммы образцов древесного угля и древесины показывают, что в угле сохраняются основные анатомические компоненты древесины: сосуды, годичные кольца, волокна, сердцевинные лучи, рис. 1, 2 [4].

Рис. 1. Микрофотограммы поперечного среза (увеличение в 200 раз)
а – древесина берёзовая	б – уголь из древесины берёзовой

Рис. 2. Микрофотограммы поперечного среза (увеличение в 200 раз):
а – древесина берёзовая	б – уголь из древесины берёзовой

Результаты статистической обработки микрофотограмм представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Распределение общей пористости берёзовой древесины и полученного из неё древесного угля

Доля от общей пористости, %	Древесина	Древесный уголь
Сосуды	23,6	24,2
Волокна	35,4	50,2
Лучи	11,6	8,0
Стенки сосудов и волокон	29,4	17,6

Как видно из таблицы, в процессе пиролиза заметно увеличивается пористость волокон при незначительном увеличении пористости сосудов. При этом снижается доля пористости, обусловленная порами лучей и стенок сосудов и волокон. Под действием высокой температуры происходит выгорание межклеточного вещества и клеточных стенок (толщина стенок снижается от 4,2 до 1,27 мкм, т.е. более чем в три раза), нарушаются соединения между отдельными элементами сосудов.

Пористость древесных углей не находится в прямой зависимости от их прочности. Более пористый древесный уголь может быть более прочным, чем менее пористый, если стенки клеток прочны. Прочность же стенок клеток угля сильно возрастает с повышением температуры прокаливания угля при увеличении его пористости. Отношение между порами и плотной массой древесных углей зависит от толщины стенок клеток, благодаря чему это отношение бывает различно не только для разных пород, но даже для одной и той же породы[4]. Отношение объёма пор ко всему объёму древесного угля для осинового угля в среднем составляет 0,72.

Общая пористость не является постоянной величиной и кроме качества и породы древесины, а также способа получения угля, зависит ещё от гранулометрического состава угля. Так, при измельчении угля от размеров куска 2х2х4 см до размеров зёрен 0,3 см общая пористость его уменьшается на 7…10%, что происходит за счёт исчезновения крупных пор и трещин при измельчении угля. Это положение является важным для настоящей работы, так как она связана с анализом сорбционной способности кускового активированного угля и возможностью его регенерации, практически неосуществимой при использовании порошкообразных сорбентов.

Для получения сорбентов на базе окислённых углей необходимо ввести жидкий окислитель (в данном исследуемом варианте) в поровое пространство угля-сырца методом пропитки.

Использование чисто капиллярного давления без давления внешнего по нашему мнению технологически затруднено при производстве окислённых углей. Особенно порошкообразной фракции значительного объёма и применении окислителей, например, пероксида. Полная сквозная пропитка в этом случае является длительным не технологичным процессом без фиксированных временных границ [5. 6].

Диффузионная пропитка технически осуществляется кратковременным или длительным погружением КПС в ванны с последующей выдержкой. Диффузия в чистом виде определяется законом Фика [3].

, (1.1)

где i – плотность потока диффундирующих молекул; D – коэффициент диффузии; k – концентрация вещества в растворе; x – длина пути направлении диффузии.

Как и капиллярная, полная диффузионная пропитка не имеет фиксированных временных границ, но, при наличии достаточного экспериментального опыта и накоплении предприятием надёжных статистических данных, может быть использована для сквозной равномерной пропитки [7].

Пропитка центробежным способом основывается на взаимодействии находящихся в поле центробежных сил пропитывающей жидкости и капиллярно-пористой структуры, например, древесины или древесного угля. При использовании центробежного способа значительно сокращается продолжительность пропитки [2, 6]. Эффективность данного способа обусловлена тем, что удаление влаги происходит за счёт градиента давления, возникающего в материале, помещённом в центробежном поле. Это же положение относится к процессу пропитки [2, 3].

Параметром, определяющим процесс пропитки, принято считать линейную скорость торца материала, или параметр пропитки h:

, (1.2)

где w – частота вращения; R – радиус дальнего торца материала [8].

Степень обезвоживания зависит от структуры, параметра обезвоживания, начального состояния древесины. Например, ядровая часть хвойной древесины вследствие перекрытия пор в стенках трахеид обезвоживается заметно хуже (на 30…40%) заболонной части [8].

При высокой эффективности сушки древесины центробежным способом очевидна привлекательность применения этого метода для пропитки древесины (замещение пропитывающим составом свободных воздуха или влаги, находящихся древесине) [9].

Интенсификация процессов пропитки за счёт центробежной нагрузки изучены в основном для древесины, а для древесного угля в этой области проведено недостаточно исследований. Кроме этого, отрасль пока не оснащена в достаточной степени оборудованием, создающим поле центробежных сил (центрифугами, барабанами и т.д.). Поэтому необходимы дальнейшие исследования в направлении математического моделирования как процессов уплотнения древесины, используемой для пиролиза, так и процессов пропитки древесного угля водорастворимыми веществами.

Наиболее широкое применение получили три способа пропитки под давлением. По терминологии Сенежской лаборатории консервирования древесины – это способ ВДВ (вакуум – давление – вакуум), ДДВ (давление воздушное – давление жидкостное – вакуум) и ДВ (давление – вакуум).

Другие способы пропитки, например, за счёт возбуждения в жидкости ультразвукового поля или за счёт электрогидравлического эффекта в настоящее время не получили широкого применения из-за их низкой производительности, высокой энергоёмкости и сложной реализации.

Таким образом, исследования процесса пропитки не нашли своего окончательного завершения и продолжение работы в этом направлении является актуальной задачей.

Литература

1. Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции // Новые направления использования древесины осины и её отходов / А.Р. Бирман, Н.А. Белоногова. – Вологда: ВоГТУ, 2009, – 217 с.

2. Торцовая пропитка длинномерных сортиментов / А.Р. Бирман, В.А. Соколова, А.С. Кривоногова // Научное обозрение. № 7/2014. – М.-Саратов, 2014. – 281-286 с.

3. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. – М.: Лесн. пром-сть, 1990. – 304 с.

4. Юрьев Ю.Л., Древесный уголь. Справочник /автор и составитель Ю.Л. Юрьев. Екатеринбург: Издательство «Сократ», 2007. – 184 с.

5. Бирман А.Р., Соколова В.А., Кривоногова А.С. Пропитка древесины гидростатическим способом // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика / Сборник научных трудов по материалам заочной научно-практической конференции. 2014г. №5 ч. 4 (10-4) – Воронеж: ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», 2014. – 33-38 с.

6. Бирман А.Р., Белоногова Н.А., Кривоногова А.С. Способ торцовой пропитки длинномерных сортиментов на определённую их длину // Современные проблемы переработки древесины: материалы международной научно-практической конференции / Под ред. В.В. Сергеевичева, А.Н. Чубинского. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 77-81 с.

7. Борирование древесины пропиткой с целью повышения её нейтронозащитных свойств / А.Р. Бирман, В.А. Соколова, А.С. Кривоногова // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып: 208. – СПб.: СПбГЛТУ, 2014. – 130-138 с.

8. Кулимин В.В. Исследование процесса обезвоживания пиломатериалов в центробежном поле // Науч. тр. МЛТИ. – 1980. – Вып. 124. – 125 с.

9. Кацадзе В.А., Виноградов Д.В. Центробежная пропитка древесины. Архангельск: Лесной журнал, №3, 2007, – 17-21 с.