CC BY
85
Деревопереработка. Химические технологии
DOI: 10.12737/4520 УДК 674.047: 551.588.74
ИЗМЕНЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
заведующий кафедрой древесиноведения, доктор технических наук, доцент А. Д. Платонов1 кандидат технических наук, доцент Т. К. Курьянова1 кандидат биологических наук, доцент кафедры древесиноведения С. Н. Снегирева1 кандидат технических наук, лаборант химического анализа Ю. С. Михайлова2 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
2 - ОАО «Г азпром добыча Краснодар» [email protected], [email protected]
Как и любое органическое вещество, древесина имеет свой компонентный состав.
Средние количественные значения компонентного состава древесины в группе лиственных пород и хвойных, указывают на большую зависимость их от породы. Древесина лиственных пород, в сравнении с хвойными, содержит пониженное количество целлюлозы и гексозанов, но более высокое содержание пентозанов.
Небольшую часть древесины (2...4 %) составляют экстрактивные вещества. Они не входят в состав клеточной стенки, а способны лишь пропитывать ее. Экстрактивные вещества, в основном, содержатся в полостях клеток и межклеточном пространстве.
Среди экстрактивных веществ - смолы и смоляные кислоты, танниды (дубители), эфирные масла, красители, камеди, белки и др. В каждой породе присутствуют только некоторые экстрактивные вещества, по-разному распределяясь внутри дерева, например, фенольные вещества - в ядровой части, а сахара, жиры и другие - в заболонной древесине. Имеется небольшая доля и минеральных веществ (до 1 %), поступающих из почвы через корневую систему и проводящие ткани.
Значительное количество экстрактивных веществ отмечено в древесине лиственницы, дуба и бука. Экстрактивные вещества более всего концентрируются в ядровой древесине и паренхимных клетках сердцевинных лучей. Учитывая, что древесина лиственных пород имеет более развитые сердцевинные лучи, то можно предположить, что и общее количество, концентрация и разнообразие водорастворимых экстрагируемых веществ у них также будет выше.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что древесина представляет собой продукт растительного происхождения, имеющий сложный элементный и компонентный состав, способный изменяться. В результате длительного воздействия на древесину тепла и влаги происходит разложение лигноуглеводного комплекса и из неё удаляются вещества, многие из которых представляют опасность для окружающей среды.
Вещества, экстрагируемые из древесины, отличаются большим многообразием и имеют сложное строение. В эту группу входят вещества, которые могут быть извлечены из древесины путем экстракции продуктов распада лигноуглеводного ком-
Лесотехнический журнал 2/2014
155
Деревопереработка. Химические технологии
плекса и экстрактивных веществ.
В водном дистилляте могут содержаться следующие вещества: кислоты и их производные, спирты, кетоны, альдегиды, эфиры, углеводороды.
При этом наиболее интенсивно разлагаются углеводы, лигнин же подвергается процессам конденсации с фурфуролом, являющимся продуктом деструкции пен-тозанов.
Часть нерастворимых или плохо растворимых веществ оседают в смоле. Древесная смола представляет весьма сложную смесь многочисленных органических соединений. Состав смолы зависит не только от породы древесины, но также и от условий разложения.
Вещества, присутствующие преимущественно в смоле: спирты, фенолы и их производные, кислоты, углеводороды, фураны.
В нормальных условиях при невысокой температуре процесс экстракции в древесине протекает крайне медленно и в этом случае она не представляет никакой опасности окружающей среде. При повышении температуры в присутствии воды происходит гидролиз древесины с образованием продуктов распада всего лигноуг-леводного комплекса (пентозанов и гексо-занов). Образование этих веществ отмечается уже при невысокой температуре около 60...70 °С и большой продолжительности воздействия, что характерно для условий при проведении камерной сушки древесины. В результате гидролиза полисахаридов до моносахаридов происходит частичное разрушение последних с образованием несахаристых веществ, таких как
фурфурол, формальдегид и некоторые другие летучие альдегиды.
Образование фурфурола и формальдегида в процессе гидротермической обработки древесины может происходить путем преобразования или разложения различных химических соединений.
Так при воздействии температуры на целлюлозу образуется оксиметилфурфу-рол, из которого возникает фурфурол при отщеплении формальдегида по уравнению СбНбОз ^ СН2О + С5Н4О2.
Фурфурол образуется также из звеньев уроновых кислот, входящих в состав глюкуроноксиланов и полиуронидов, которые в результате декарбоксилирова-ния и гидролиза превращаются в пентоза-ны, а последние образуют фурфурол, однако выход фурфурола из уроновых кислот значительно меньше, чем из пентоза-нов по схеме
Уроновая кислота ^ СО2 + пентоза ^
^ фурфурол + 3Н2О.
Значительная часть фурфурола получается путём гидролиза пентозанов до пентоз
(С2Н8О4)й + ПН2О = ПС5Н10О5, и последующей дегидратации пентоз по уравнению
С5Н10О5 ^СзН4О2 + ЗН2О.
Г ексозаны при гидролитическом
процессе дают гексозы
(СбНшО5)„ + ПН2О = пСбН12Об.
Дегидратация гексоз в ходе гидролиза также приводит к образованию фурфурола (из ю-оксиметилфурфурола) по следующей схеме
Гексоза - 3Н2О ^ ю-оксиметил-фурфурол ^ левулиновая кислота + гуми-
156
Лесотехнический журнал 2/2014
Деревопереработка. Химические технологии
новые вещества + фурфурол.
Сахара при действии щелочи испытывают особого рода диссоциацию, образуя формальдегид и сахар с меньшим числом атомов углерода по формуле
С6Н12О6 ^СзНшОз + СН2О.
В результате термического разложения древесных гемицеллюлоз при нагревании водного дистиллята также образуется фурфурол, в количестве около 9 % от количества дистиллята.
Формальдегид образуется в небольшом количестве при действии минеральной кислоты на лигнин.
По данным ряда ученых даже при невысокой температуре, но длительном её воздействии на фурфурол, он может частично разлагаться, в отдельных случаях наблюдаются потери до 25 %. Следовательно, в процессе экстрагирования из древесины лиственных пород будет выделяться ряд веществ, продуктов распада.
В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 и ГН 2.1.6.1338-03 данные вещества в присутствии ацетона и фенола, которые также выделяются из древесины в процессе сушки, обладают суммационным эффектом.
Формальдегид внесён в список канцерогенных веществ ГН 1.1.725-98 в разделе «вероятно канцерогенные для человека», при этом доказана его канцероген-ность для животных.
Большая часть соединений выделяется из древесины под воздействием различных растворителей. Вода является хорошим растворителем для экстрактивных веществ. Поэтому в процессе сушки из древесины удаляется влага, а вместе с ней и вещества, растворенные в ней.
В результате воздействия повышенной температуры влажная древесина подвергается гидролизу, в присутствии слабых кислот этот процесс существенно ускоряется. В результате гидролиза около 2 % гемицеллюлоз распадаются до моносахаридов (пен-тоз), с образованием фурфурола. Количественный и качественный состав веществ экстрагируемых из древесины во многом определяется комплексным воздействием на древесину температуры среды, влажностью древесины и формой удаляемой влаги.
Влага в древесине перемещается как в виде жидкости, так и в виде пара. Пар перемещается по системе полостей клеток; жидкость - в стенках клеток по межфиб-рилярным капиллярам.
На начальном этапе сушки из древесины удаляется свободная влага. Процесс протекает достаточно интенсивно. В этот период преобладает движение влаги в виде жидкости. По мере уменьшения текущей влажности древесины интенсивность движения влаги в виде жидкости постепенно снижается, а в виде пара наоборот увеличивается. Из этого следует, что интенсивность экстрагирования веществ во многом определяется величиной текущей влажности и коэффициента влагопроводности.
По данным О. Кришера, закономерность относительного количества капиллярно перемещаемой в радиальном направлении в древесине бука жидкости к суммарно перемещаемому количеству влаги в виде жидкости и пара при постоянных температурах 20, 40, 60 и 80 °С. Чем выше температура и ниже влажность древесины, тем в большем количестве влага перемещается в виде пара. Так при температурах
Лесотехнический журнал 2/2014
157
Деревопереработка. Химические технологии
свыше 60 °С, при достижении древесиной влажности соответствующей пределу гигроскопичности, отмечается резкое смещение доли движения влаги в общем потоке в сторону ее движения в виде пара. Подобное смещение в сторону перемещения влаги в виде пара будет способствовать и резкому снижению содержания количества водорастворимых, экстрагируемых веществ, удаляемых из древесины с влагой, но увеличивать количество экстрагируемых веществ, удаляемых с паром.
Отсюда можно сделать вывод, что максимальное удаление водорастворимых веществ будет происходить на первом этапе сушки древесины, когда в древесине присутствует свободная влага, а температура находится на минимальных значениях.
Можно предположить, что наиболее благоприятными в этом плане будут мягкие режимы, отличающиеся повышенной длительностью процесса сушки и воздействием невысоких температур, способствующих увеличению степени гидролиза древесины и экстрагирования водорастворимых веществ и доли движения влаги в виде жидкости до более низких значений влажности древесины. Максимальная степень гидролиза древесины, безусловно, оказывает негативное влияние и на прочностные свойст-
ва высушиваемой древесины.
Таким образом, при высушивании количество удаляемых из древесины органических веществ, будет зависеть от температуры, продолжительности процесса сушки, начальной и конечной влажности.
Библиографический список
1. Гороновский, И. Т. Краткий справочник по химии [Текст] / И. Т. Гороновский, Ю. П. Назаренко, Е. Ф. Некряч. -Киев : Наукова Думка, 1974. - 992 с.
2. Кришер, О. Научные основы техники сушки [Текст] / О. Кришер. - М., 1961. - 536 с.
3. Колосовская, Е. А. Физические основы взаимодействия древесины с водой [Текст] / Е. А. Колосовская, С. Р. Лоскутов, Б. С. Чудинов. - Новосибирск : Наука,
1989. - 216 с.
4. Михайлова, Ю. С. Влияние продолжительности сушки на качество древесины твердых лиственных пород [Текст] / Ю. С. Михайлова, А. Д. Платонов, Т. К. Курьянова // Лесотехнический журнал. - 2011. - № 4. - С. 33-38.
5. Никитин, Н. И. Химия древесины [Текст] / Н. И. Никитин. - М. - Л. : АН СССР, 1951. - 579 с.
158
Лесотехнический журнал 2/2014
