Химический состав древесины, его характеристика

 

Все древесные породы по химическому составу имеют примерно одинаковое содержание основных химических элементов: углерод ≈ 49%, кислород ≈ 44%, водород ≈ 6%.

При сгорании древесины остается неорганическая часть - зола, в количестве до 1 %. При сгорании коры, золы образуется до 5%.. 

Органические вещества, образующие древесину состоят из целлюлозы, лигнина, геллицеллюлозы и экстрактивных веществ.

Экстрактивные вещества не входят в состав клеточной стенки, слабо связаны с древесиной. Находясь в полостях клеток или на клеточных стенках, они могут быть извлечены из древесины при помощи воды или органических растворителей.

Включают в себя смолистые вещества, водорастворимые соединения, красители, дубильные вещества, Многие из экстрактивных веществ применяют в качестве лекарств, для пищевых целей, для химической переработки.

Целлюлоза – это основное вещество, образующее клеточную стенку. Содержание целлюлозы у хвойных – 41-58 %, у лиственных – 39-47 %. Представляет собой линейный полимер, полисахарид (С₆Н₁₀О₅)_п. Химически весьма стойкое вещество. Не растворяется в воде и большинстве органических растворителей. Пучки макромолекул целлюлозы – тончайшие волокна называются микрофибриллами. Они образуют каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находятся лигнин, гемицеллюлоза, а также вода.

Лигнин – вещество, неопределенного состава, аморфный полимер. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения (упрочнения) молодой клеточной стенки. В зависимости от способа его выделения отличается и по содержанию и по строению. Содержание лигнина у хвойных – 28-34 %, у лиственных – 17-27 %. Химически не стоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах кислот.

Гемицеллюлоза – состоит из двух соединений – пентозаны и гексозаны. Полимеры с более короткими молекулами чем целлюлоза. Входит в состав клеточных стенок. Химически менее стойкие, чем целлюлоза. Содержание гемицеллюлозы у хвойных – 15-23 %, у лиственных – 20-38 %. При химической переработке распадается на простые сахара.

 

                 2 Процессы химической переработки

В качестве сырья древесину потребляют три отрасли химической промышленности: целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая.

  1. Наиболее распространенный процесс химической переработки - получение целлюлозы.

Получение целлюлозы происходит следующим образом. Сначала крупномерную древесину в виде баланса или кусковых отходов подвергают механической переработке на щепу. Эта операция происходит в рубильных машинах. Щепа представляет кусочки древесины длиной 15-30 мм, толщиной до 5 мм. Эта операция производится для того, чтобы ускорить процесс химической реакции. Далее щепу загружают в большие вертикальные котлы, размером до 400 м³. Заливают либо раствором кислоты или раствором щелочи. Затем всю эту массу нагревают до температуры 150 ⁰С, в результате чего происходит варка древесины в течение 5-10 часов. В процессе варки происходит растворение лигнина и гемицеллюлозы. После окончания варки раствор процеживают, в результате чего остается небеленая целлюлоза, которая используется для получения оберточной бумаги или картона. Отбелку целлюлозы проводят с использованием хлора или перекиси водорода. Общий выход целлюлозы 40-50% от исходного сырья, остальная часть переходит в раствор.

      Серьезными недостатками получения целлюлозы является загрязнение окружающей среды отходами, содержащими хлор, серу.

Для производства целлюлозы кислотным способом применяют мало-смолянистые хвойные породы (ель, пихта), при щелочном - используют и хвойные и лиственные породы.

     2. Получение древесной массы.

Древесной массой называются мелкие волокна древесины вплоть до отдельных клеток, которые получают при механическом истирании древесины. Для этого крупномерные сортименты древесины растирают по абразивному камню.

Древесную массу получают двух видов, белая древесная масса из натуральной древесины и бурая масса, из предварительно обработанной паром древесины.   Практически не остается отходов (полезный выход 95-98 %). Ее добавляют при изготовлении картона, оберточной бумаги.

3. Гидролиз древесины.

Гидролиз представляет собой воздействие на древесину слабых водных растворов серной кислоты. Процесс  гидролиза также проводится в больших котлах при температуре 150 – 190 ^оС. При этом происходит разрушение молекул целлюлозы и гемицеллюлозы на более короткие молекулы простых сахаров (глюкоза, ксилоза).

Растворы сахаров сцеживают и подвергают химической или биохимической переработке.

Биохимическая переработка заключается в добавлении ферментов дрожжей, которые сбраживают сахара до слабых растворов винных спиртов. Эти растворы затем перегоняют и получают этиловый спирт и густой остаток - барда. Ее также используют для выращивания кормовых дрожжей, их применяют в сельском хозяйстве в качестве пищевых добавок.

Химическая переработка растворов сахаров применяется в получении заменителей сахара (ксилит, сорбит).

4. Получение экстрактивных веществ.

Переработка смолы. Смолу получают в результате подсочки древесины сосны. Добывают еловую смолу, лиственничную, кедровую, пихтовый бальзам. Из сосновой смолы получают жидкий растворитель скипидар и кристаллическую массу – канифоль.

Дубильные вещества получают из коры ели, лиственницы, ивы, дуба и каштана. Используют для обработки животных кож с целью придания им водоотталкивающих прочностных и более высоких механических свойств. Дубильные вещества получают в виде водных растворов при замачивании коры или древесины, а сухой порошок при выпаривании воды из раствора.

Биологически активные вещества получают из древесной зелени с помощью растворителей. Используют в медицинских целях, пищевой промышленности, парфюмерии.

5. Термическое разложение производится при воздействии на древесину повышенных температур. При 150^оС происходит выпаривание воды и незначительное изменение химического состава. При нагревании до 220^о – 250^о начинается бурное разложение древесины с выделением горючих газов содержащих углерод. Эти газы, соединяясь с кислородом воздуха, вызывают образование пламени. В зависимости от количества поступаемого воздуха в древесине возможны три процесса разложения:

1) пиролиз; 2) газификация; 3) горение.

Пиролиз – нагрев древесины без доступа воздуха. Проводится в закрытых емкостях или печах. В результате получают древесный уголь, газообразные продукты, жидкие продукты (деготь).

Наиболее ценным является древесный уголь, который состоит почти из чистого углерода и применяется в качестве адсорбента, в металлургии, в медицине, в качестве топлива и т.д..

Газификация -  происходит при ограниченном притоке воздуха к нагретой древесине. Его осуществляют в газогенераторных печах с целью получения большого количества горючих газов. Эти газы используют в качестве топлива.

Горение – сжиганиедревесины. Онопроисходитвслучаеизбыточногопритокавоздухакнагреваемойдревесине. Этотпроцессосуществляетсядляполучения тепла. В отличие от каменного угля и нефти при сгорании древесины не выделяется сернистых соединений, загрязняющих окружающую среду.