Компонентный состав древесины и коры

Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы), в состав которых входят углерод, водород, кислород и азот. Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков.

Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.

Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы — тончайшие волоконца, называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находятся лигнин, гемицеллюлозы, а также вода.

Гемицеллюлозы — группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (С5Н8O4) n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60–200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой.

Кроме основных органических веществ в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннинов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.

ЦБП вырабатывает целлюлозу для изготовления бумаги, картона и целого ряда целлюлозных материалов (производных целлюлозы), а также древесноволокнистых плит.

Основываясь на высокой химической стойкости целлюлозы, путем воздействия различных агентов на древесину переводят в раствор сопровождающие ее менее стойкие вещества. Различают три группы способов промышленного получения целлюлозы: кислотные, щелочные и нейтральные. Выбор того или иного способа зависит в основном от породного состава перерабатываемого древесного сырья.

К группе кислотных способов относятся сульфитный и бисульфитный. При сульфитном способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных (ели, пихты) и ряда лиственных пород.

Технология производства целлюлозы заключается в следующем. Короткие окоренные бревна (балансы), а также отходы лесопиления и лесозаготовок на рубильных машинах перерабатываются в щепу. Отсортированную и однородную по размерам щепу загружают в вертикальные варочные котлы.

В котел подается так называемая сульфитная варочная кислота, представляющая собой раствор сернистой кислоты, содержащей некоторое количество бисульфита кальция Са(НSO3)2. В результате получают целлюлозную массу, которую превращают в непрерывную ленту. Конечный товарный вид продукции — пачки из листов разрезанной ленты.

Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород. Варка щепы проводится в водном растворе бисульфита натрия, магния или аммония. Оборудование и технология во многом схожи с применяемыми при сульфитном способе, однако температура варки выше. Недостатки практически те же, что и в предыдущем способе.

При этом способе может быть использована древесина любых пород, в том числе и высокосмолистых (например, сосна). Варка щепы ведется в растворе едкого натра и сернистого натрия. Сульфатный способ позволяет получать более прочные волокна. К достоинствам этого способа относится меньшая продолжительность варки, а также возможность осуществлять процесс по замкнутой схеме (путем регенерации щелока), что уменьшает опасность загрязнения водоемов.

Для получения целлюлозы из древесины лиственных пород используется также нейтральный способ, при котором варочный раствор содержит вещества (моно- сульфиты), имеющие реакцию, близкую к нейтральной.

При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз, которые превращаются в простые сахара (глюкозу, ксилозу и др.). Эти сахара можно подвергать химической переработке, получая ксилит, сорбит и другие продукты. Однако гидролизная промышленность в основном ориентируется на последующую биохимическую переработку сахаров.

Реакция гидролиза происходит при довольно высокой температуре (150–190 °С). При охлаждении гидролизата (водного раствора простых сахаров) образуются пары, из конденсата которых получают фурфурол. Он применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон (нейлона), смол, изготовления медицинских препаратов (фурацилина и др.), красителей и других продуктов.

При дальнейшей переработке гидролизата получают этиловый спирт, углекислый газ, который улавливается и используется для изготовления углекислоты и сухого льда. Этанол получают только из хвойной древесины, применяют как растворитель и, все больше, как топливо. Гидролизат используют также для выращивания кормовых дрожжей, богатых витаминами и белком.

При нагревании древесины без доступа воздуха происходит пиролиз. В результате пиролиза образуются уголь, жижка и газы. Древесный уголь, отличающийся высокой сорбционной способностью, применяют для очистки промышленных растворов, сточных вод, в производстве сахара; при выплавке цветных металлов, при изготовлении медицинских препаратов, полупроводников, электродов и для многих других целей.

Качество древесины как топлива оценивается теплотой сгорания. Этот показатель представляет собой количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг древесины.

На практике древесное топливо часто измеряется в единицах объема. Теплоту сгорания единицы объема (м3) древесины можно получить умножением массовой теплоты сгорания на плотность древесины. Поскольку плотность древесины у разных пород различна, теплота сгорания единицы объема древесины существенно зависит от породы.

Скипидар широко применяется как растворитель в лакокрасочной промышленности для производства синтетической камфары. Камфара используется в производстве целлюлозы, лаков и кинопленки. Канифоль применяют в производстве каучука, бумаги, нитролаков, электроизоляционных материалов и др.

Древесина хвойных пород отличается несколько большим содержанием целлюлозы, а лиственных — высоким содержание пентозанов (табл. 2.1).

Соотношение между основными органическими веществами в коре иное, чем в древесине, здесь значительно меньше целлюлозы. Кроме того, в наружной части коры содержится суберин, которого нет в древесине (табл. 2.2).

На примере исследования древесины сосны обыкновенной выявлено, что компонентный состав ядровой и заболонной части ствола различается, а также изменяется по высоте ствола,