МУ к ПЗ №4. Методические указания к практическому занятию 4 Переработка отходов при заготовке и использовании растительного сырья
 Скачать 71 Kb.
|
|
5. Методические указания к практическому занятию №4 Переработка отходов при заготовке и использовании растительного сырья Широко распространенным и еще недостаточно утилизируемыми крупнотоннажными отходами являются твердые отходы процессов заготовки, переработки и использования растительного сырья (древесины) и большого числа видов сельскохозяйственной продукции. Утилизация этих отходов в значительной степени основана на использовании различных химических, механохимических, термохимических и биохимических превращений содержащихся в них компонентов в ценные вещества и материалы. Ниже освещены основные направления технологии рекуперации различного вида древесных отходов и отходов сельскохозяйственного производства. Общность происхождения и в целом ряде случаев направлений - их использования, а также способов переработки, является предпосылкой для совместного рассмотрения наиболее распространенных на практике технологий рекуперации указанных отходов. Потребление и воспроизводство растительного сырья Процессы фотосинтеза в природе производят из года в год около 200 млрд. т. органического сырья (биомассы), что более чем в 20 раз превышает суммарную добычу угля, нефти и газа. Значительная часть этого количества биомассы приходится на древесину и однолетние сельскохозяйственные растения. На каждого жителя в СССР приходилось 3,88 га лесных насаж- дений и 341 м3 запасов древесины. По общей площади лесного фон- да (четвертая часть всех лесов земного шара, в том числе половина хвойных, или примерно 910 млн. га) и запасам древесины (около 80 млрд. м3) СССР находился на первом месте в мире. До 2000 различных продуктов, получаемых из древесины, исполь- зуется человеком. Среди наиболее крупных потребителей древеси- ны следует назвать такие отрасли промышленности как деревооб- рабатывающая (производство стандартных домов, мебели, тары, фа- неры, спичек, различных клеев и др.), целлюлозно-бумажная (различные виды целлюлозы, бумаги, картона), строительная (стро- ительные материалы, различные плиты, паркет, облицовочные и кровельные покрытия, шпалы и др.), топливно-энергетическая (топливо, смазочные средства, топливные добавки), химическая (спирты, растворители, лаки, краски, искусственные волокна, пластические масссы и др.), сельское хозяйство (кормовые добавки, удобрения, ядохимикаты), горнодобывающая, металлургическая, машиностроительная (крепь, детали и части транспортных средств, механизмов, машин и др.). Общий средний естественный прирост древесины за год на территории СССР был примерно равен 900 млн. м3, а объем ее заготовок составлял около 400 млн. м3. Однако масштабы потребления этого вида возобновляемого сырья прогрессивно увеличиваются. 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 органических веществ из простых соединений (С02, Н20) лежит явление фотосинтеза, 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 сахаровобразуется 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 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) целлюлозы. 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. Использование и переработки отходов растительного сырья Значительная часть указанных отходов растительного сырья, особенно отходов его заготовки, весьма рассредоточена, в связи с чем не все отходы доступны для использования и промышленной переработки. Такие рассредоточенные отходы часто остаются на местах их образования, где подвергаются естественному разложе- нию (гниению) на воздухе, запахиваются в почву или сжигаются для предупреждения их вредного воздействия на окружающую среду, предотвращения снижения плодородия полей и в ряде других целей. Потенциально полезные свойства отходов при этом практически не используются. Вместе с тем даже небольшие массы рассредоточен ных отходов многих видов растительного сырья могут эффективно использоваться в районах их образования в сельскохозяйственных целях в качестве сырья для приготовления органических удобрений и средств для борьбы с вредителями растений, добавок в корм скоту и птице (непосредственно или после простой предварительной обра ботки, сводящейся обычно к измельчению и последующему замачиванию или запариванию), подстилки в животноводстве. Наиболее простым, но в целом ряде случаев достаточно эффек- тивным приемом использования указанных отходов является их не- посредственное внесение в почву в качестве органического удобре- ния (предпочтительно в измельченном виде) с целью повышения урожайности некоторых сельскохозяйственных культур. Использование отходов растительного сырья в производстве строительных материалов Отходы процессов заготовки и обработки древесины и ряда сель- скохозяйственных культур в виде горбылей, обрезков, шпона, коры, стружек, опилок, стеблей растений (соломы), костры, шелухи могут быть весьма эффективно использованы для производства различно- го вида древесных плит (древесностружечных, древесноволокнис- тых,цементностружечных, гипсоволокнистых, гипсоопилочных), пластиков, в составе некоторых бетонов. Использование таких отходов наряду с неделовой древесиной на заводах древесных плит отличается пониженными (по сравнению с их переработкой на дру- гих заводах) капитальными затратами. Одним из перспективных и быстроразвивающихся направлений использования этих отходов является изготовление древесноволок- нистых плит (ДВП), осуществляемое введением в обрабатываемую массу в качестве связующего синтетической смолы. Источником сырья для производства древесностружечных плит может служить бывшая в употреблении ящичная тара, дре- весные стружки, кора, обрезки, опилки, льняная костра и щепа. Еще одним перспективным направлением использования рассмат- риваемых отходов в строительной индустрии является производство древесных пластиков. Под этим термином объединяют древесносло истые пластики и прессованную древесину. Лиственные породы древесины в виде тонких пластин (шпона) используют для получения древеснослоистых пластиков, производ- ство которых заключается в обработке шпона ростворами терморе- активных синтетических смол с последующей просушкой и сборкой в пакеты. С целью улучшения прочности и эластичности изделий ис- пользуют армирующие материалы (фольга, металлическая сетка, прорезиненная ткань и т.п.), а для повышения их антифрикционных свойств вводят графит и масла. Древесноволокнистые пластики используют в качестве конструкционных, электроизоляционных, антифрикционных материалов в судостроительной, электротехнической и машиностроительной отраслях промышленности. Растительные отходы в виде опилок, стружек, тонких и мелких обрезков, волокон служат сырьем для производства древесноплас- тических масс, которые ввиду их хороших электроизоляционных свойств используют в транспортном машиностроении, в судостроении, производстве строительных материалов и по некото- рым другим направлениям. Использование этих пластиков позво- ляет экономить значительные количества черных и цветных метал- лов, ценных пород древесины. Экономическая эффективность одной тонны этих материалов в СССР составляла 2,5 тыс. руб, а капиталь- ные затраты на их производство окупались в течение 3-5 месяцев. Такие широко распространенные отходы, как древесные стружки и опилки, используют для производства древесной муки. Последняя представляет собой тонкодисперсный (размер частиц 150-420 мкм) сыпучий порошок, получаемый сухим помолом. Дре- весную муку используют в производстве ряда строительных мате- риалов (линолеум, ксилолит и др.), в мебельной промышленности, для получения некоторых взрывчатых веществ. Известно большое число рецептур и приемов использования растительных отходов для производства облегченных и легких бетонов. Отходы растительного сырья можно эффективно использовать в качестве выгорающих добавок, вводимых в сырьевые смеси при производстве строительной керамики. Современные клеи позволяют из различных древесных обрезков получать длинномерные детали, по прочности практически не уступающие таковым, изготовленным из цельной древесины. Рас- четы показывают, что клеевое соединение обрезков древесины дли- ной не менее 0,2 м в детали для строительства и мебельной про- мышленности с выгодой окупает расходы на соответствующее обо- рудование и организацию производства. Такой путь утилизации древесных отходов все шире используют в мировой практике для производства различных типов щитового паркета, некоторых строи- тельных элементов, железнодорожных шпал, отдельных деталей мебели и других изделий. Химическая переработка отходов растительного сырья Наиболее выгодным использованием отходов древесины и ряда других видов растительного сырья является их химическая перера- ботка с получением товарных продуктов в целлюлозно-бумажном (картонном), гидролизном и лесохимическом производствах, хотя капиталовложения для переработки равных количеств этих отходов на заводах древоплит все же значительно ниже, чем на этих пред- приятиях. Целлюлозно-бумажное производство Для получения бумаги используют целлюлозу различных древес- ных пород и однолетних растений и древесную массу. Целлюлоза является также ценным сырьем для текстильного производства. Весьма широкое применение она находит и в других отраслях про- мышленности. В общей массе вырабатываемой в мире технической целлюлозы доля последней, получаемой на основе древесины лиственных пород и однолетних растений, равна соответственно примерно 20 и 5%. Таким образом, из отходов растительного сырья можно производить полезных продуктов ,не меньше, чем из самой древесины -таких как высококачественный кормовой белок, древесный уголь, смолы для строительных и иных целей, сырье для получения биологических стимуляторов, лечебных и противогрибковых препаратов, и ряд других веществ. Производство отдельных видов указанных продуктов осуществляется в промышленных масштабах. Так, например, дубящие вещества (танниды, таннины), широко используемые в кожевенной промышленности, получают путем эк- стракции их из древесной коры и ряда других растительных отходов водой, растворами щелочей или некоторых солей. Органические ра- створители применяют для экстрагирования из таких отходов смол, жиров и восков. Вопросы для подготовки к практической работе и проверки усвоения её материалов:
10.Что можно получить пиролизом отходов растительного сырья? |