CC BY
24
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
УДК 674.047
ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ СУШКИ ЛИСТВЕННИЧНЫХ
ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
Ш.Г. Зарипов
ФБГОУ ВПО «Сибирский Государственный технологический университет» 660049 Красноярск, пр. Мира, 82; e-mail: [email protected]
Образование полимерной плёнки в поверхностных слоях доски явление, которое сопровождает процесс сушки лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами. В статье показана связь между образованием полимерной плёнки и одним из основных показателей кинетики процесса - удельной скоростью сушки.
Ключевые слова: сушка, лиственница, пиломатериалы, кинетика, арабиногалактан, экстрактивные вещества, удельная скорость сушки.
The formation of polymer films in the surface layers of the boards is a phenomenon that accompanies the process of drying of larch timber low-temperature regimes. The article shows the relationship between the formation of a polymeric film and one of the main indicators of the kinetics of process - specific rate of drying.
Keywords: drying, larch, , timber, kinetics, arabinogalactan, extractive substances, specific speed of drying.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема низкой эффективности сушки лиственничных пиломатериалов является актуальной. Одна из причин низкой эффективности - повышенные сроки сушки. Так, по сравнению с сосновыми, лиственничные пиломатериалы сохнут в (2,5 ... 3,0) раза дольше. Современная теория сушки такое соотношение сроков объясняет повышенным значением плотности древесины лиственницы (Серговский, Расев, 1987; Шубин, 1975).
Однако данное положение не нашло подтверждение на практике сушки пиломатериалов. Так, пихтовые пиломатериалы, у которых плотность в 1,75 раза ниже лиственничных (Уголев Б.Н, 1975), в сравнимых условиях высушиваются в те же сроки, что и лиственничные. При этом в первые (15 ... 20) ч. сушки удельная скорость удаления воды GW, кг/(м2 ч) из лиственничных пиломатериалов несколько превышала тот же показатель сосновых. По истечении указанного срока сушки интенсивность удаления воды из лиственничных пиломатериалов резко снижалась в несколько раз, а у сосновых оставалась на первоначальном уровне. Следовательно, влияние на процесс сушки досок из древесины лиственницы повышенного значения плотности не является определяющим.
В работах, опубликованных ранее (Зарипов, 2012, 2013), было указано, что решающее значение на кинетику сушки оказывает наличие в древесине лиственницы различного вида водорастворимых экстрактивных веществах, основу которых составляет арабиногалактан - (88 ... 89) % (Антонова, 1967). Однако механизм влияния указанной группы веществ на кинетику сушки изучен недостаточно полно. В настоящей работе предлагается один из вариантов объяснения влияния данного фактора на кинетику сушки лиственничных пиломатериалов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Проведённые ранее экспериментальные исследования (Зарипов, Ермолин, 2010, 2011) показали, что из древесины лиственницы при сушке выводится циклически не только вода, но также и водорастворимые экстрактивные вещества и парогазовая смесь. При этом массоперенос в лиственничных пиломатериалах осуществляется под действием избыточного давления. Экспериментально было установлено, что избыточное давление формируется в древесине парогазовой смесью, которое образуется в древесине в результате химико-физических процессов. Вышесказанное позволило выдвинуть предположение о том, что древесину лиственницы следует рассматривать как систему закрытых водопроводящих каналов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В замкнутых формированиях, которыми являются клетки древесины лиственницы, парогазовая смесь периодически формирует избыточное давление. Повышение избыточного давления до определённых значений переводит стенки клеток из непроницаемых в проницаемые. В результате под действием избыточного давления происходит вытеснение содержимого клеток, что приводит к поэтапному переносу определённой группы веществ из центра доски на её поверхность.
На поверхности доски за счёт массообменных процессов происходит разделение на отдельные компоненты - парогазовая смесь и вода удаляются, а экстрактивные вещества остаются, накапливаясь со временем. Тогда качественный анализ процесса мас-сопереноса при сушке лиственничных пиломатериалов может быть проведён на примере микрофильтра-
ции с образованием на внешней стороне мембраны пермеата, который описывается уравнением материального баланса (Дытнерский, 1975; Кочаров, 1982):
Л
Ят = --св - [Дриз6. - (тг3 - щ )], (1)
И1 п
где дт - удельная проницаемость мембраны по водному раствору экстрактивных веществ;
А; - константа, зависящая от вида мембраны;
^ - вязкость раствора после прохождения через мембрану;
св - доля свободной воды в разделяемом растворе у поверхности мембраны;
п, п2 - соответственно, осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны и пермеата;
Дриз6 - перепад давлений.
Одним из основных показателей любого процесса массопереноса через мембрану является её проницаемость. В уравнении 1 влияние данного показателя устанавливается константой А;. Здесь следует обратить внимание на то, что основная масса лиственничных пиломатериалов выпиливается из ядровой зоны. Поэтому массоперенос следует рассматривать через мембраны, которые располагаются в ядровой зоне бревна.
В специальной литературе отмечается, что формирование ядровой зоны древесины происходит путём изменения её химического состава. При этом гистологическое строение остаётся неизменным. Также остаётся неизменным «каркас» маргинальной зоны мембраны окаймлённой поры (Материалы из Вики-теки).
Удаление из мембраны ряда веществ в процессе ядрообразования приводит к утрачиванию её способности принимать активное участие в массопереносе, включая воду (Харук, 1976). Тогда можно предположить, что в процессе ядрообразования из мембраны удаляется, как минимум, липидный бислой, так как именно полярные группы липидов ориентируют окружающие их молекулы воды (Чиркова, 1997). При этом в полостях клеток накапливаются различного вида вещества: смолы, древесные камеди, дубильные вещества (Харук, 1976), а на каркасе мембраны происходит отложение органикорастворимых экстрактивных веществ. Данное предположение основывается на том, что проницаемость древесины ядра лиственницы значительно повышалась после экстрагирования различными видами органических растворителей (Харук, 1976).
Равенство значений удельной скорости удаления воды при сушке сосновых и лиственничных пиломатериалов в первые часы указывает на то, что наличие органикорастворимых экстрактивных веществ в маргинальной зоне мембран не является ограничивающим интенсивность массопереноса элементом в ядровой древесине лиственницы. Од-
нако период интенсивной сушки лиственничных пиломатериалов не превышает 25 ч. при tc > 500С и 60 ч. при tc @ 440С. с
После этого следует период пониженной скорости сушки, величина которой в несколько раз меньше первоначального значения. При этом из сосновых пиломатериалов вода удалялась без какого-либо существенного изменения. Такие результаты получены независимо от толщины высушиваемых пиломатериалов.
Следует оговориться, что характерной особенностью переноса распределяемого вещества в непористых полимерных материалах является то, что он происходит не по строго фиксированным каналам (порам), а через окна и дырки, которые периодически появляются и исчезают в матрице полимера в результате теплового движения сегментов макромолекул (Ишанходжаева., 2012). Поэтому прохождение группы водорастворимых веществ через гидрофобный слой, к которым относятся органикорастворимые, не приводит к набуханию последних. Тогда константа, зависящая от вида мембраны А; в процессе сушки лиственничных пиломатериалов остаётся неизменной. Процесс прохождения отдельных элементов содержимого клеток древесины лиственницы через мембрану представляется как преодоление «лобового» и «бокового» сопротивления диффундирующих веществ (Дытнерский, 1975).
Наибольшее сопротивление прохождению через слой органикорастворимых веществ испытывают макромолекулы арабиногалактана. Арабиногалак-тан - аморфное вещество, обладающее повышенной мембранотропностью (Медведева, Александрова, Танцырев, 2002). Данное свойство может быть объяснено относительно низкой молекулярной массой и сфер образной формой, что снижает как «лобовое», так и «боковое» сопротивление. Процесс экстракции арабиногалактана ускоряется с повышением температуры (Бабкин и др.; Кузнецова и др.), так как увеличивается размер окон и дырок (Рейтлингер, 1974). Экстракция сопровождается такой операцией как «смывание» с поверхности древесины экстрагируемых веществ дополнительными порциями воды, тем самым освобождая место под новые порции (Бабкин и др.; Кузнецова и др., 2005).
При сушке происходит накопление арабинога-лактана на поверхности доски, так как смывание не предусмотрено, что является одним из основных условий внесения коррекции в процесс влагопереноса, которая учитывается в уравнении (1) таким показателем, как вязкость раствора после прохождения через мембрану mn.
Однако простого накопления веществ на поверхности недостаточно для скачкообразного снижения удельной скорости сушки (рисунок 1, кривая 3). Необходимы изменения физического состояния экстрактивных веществ, которые происходят в относительно короткий период времени (не более 0,1 с.). Такие процессы принято называть «коллапсом» (Филиппова О.Е., 2005). Здесь величина GW скачком снижается с 0,04 кг/(м2•ч) до 0,005 кг/(м2-ч).
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 3 - 4, 2015
Арабиногалактан - вещество, обладающее полиэлектролитными свойствами (Медведева, Александрова, Танцырев, 2002), что предопределяет способность поглощать значительное количество воды (Оводов, 1998). Скапливаясь на поверхности доски, арабиногалактан поглощает значительное количество воды, что приводит к его набуханию. В периоды поглощения, продолжительность которых составляет от 2 ч до 12 ч. (Зарипов, Ермолин, 2011), удаления воды с поверхности лиственничной доски не наблюдается. Следовательно, наличие на поверхности доски водорастворимых экстрактивных веществ является вторым фактором циклического вывода воды из древесины лиственницы.
Набухание переводит арабиногалактан в неустойчивое термодинамическое состояние, когда незначительное изменение внешних условий (температура, рН и др.) приводит к резкому уменьшению объёма геля (в сотни раз) (Филиппова и др., 2005). В результате происходит вытеснение воды на поверхность полимерного геля, которое сопровождается уплотнением арабиногалактана, что, в конечном итоге, приводит к образованию плёнки.
Эффект образования полимерной плёнки прослеживается на графике (рисунок 2), из которого видно, что избыточное давление (кривая 2) скачком изменяет своё значение с 10 кПа до 60 кПа. Увеличение избыточного давления указывает на повышение сопротивляемости среды, через которую происходит массоперенос. Повышению избыточного давления предшествует увеличение температуры в сушильной камере. Образованная в начальный период сушки (@13 ч.) полимерная плёнка впоследствии только увеличивается в размерах по толщине. Об этом свидетельствует подъём избыточного давления в центре доски до 120 кПа после 21 ч сушки.
Наличие полимерной плёнки на поверхности доски и её влияние на кинетику сушки нашло подтверждение при проведении специального эксперимента, когда сушке подвергались парные образцы из древесины лиственницы. После резкого снижения удельной скорости сушки с одного из пары образцов снимался поверхностный слой толщиной (3 ... 4) мм. Данная операция позволяла повысить удельную скорость сушки на (50 ... 60) % по сравнению с контрольным образцом. Через (4 ... 5) ч. сушки удельная скорость сушки образца, с которого снимался поверхностный слой, снижалась до уровня контрольного.
Таким образом, при сушке лиственничных пиломатериалов различимы два периода: повышенной и пониженной интенсивности, которая определяется наличием полимерной плёнки в поверхностных слоях доски. Следовательно, образование полимерной плёнки, влияние которой на удельную проницаемость мембранной системы древесины лиственницы учитывается таким показателем, как вязкость раствора, после прохождения через мембрану тп является основополагающим фактором, определяющим кинетические параметры сушки лиственничных пиломатериалов.
Содержание свободной воды определяет наличие поверхности скольжения вокруг диффундирующей макромолекулы арабиногалактана, тем самым увеличивая или уменьшая «боковое» сопротивление. В уравнении (1) представлено как доля свободной воды в разделяемом растворе у поверхности мембраны с . Из этого следует, что чем ниже содержание свободной воды в свежесрубленной древесине лиственницы, тем меньше интенсивность экстракции, что в полной мере согласуется с выводами работы (Бабкин и др.).
Обращает на себя внимание тот факт, что образование полимерной плёнки на поверхности доски снижает влияние перепада давлений (Дрш6) на удельную проницаемость мембраны за счёт обратного эффекта осмотического давления (п - п2).
ВЫВОДЫ
1. Кинетика сушки лиственничных пиломатериалов устанавливается полимерной плёнкой, которая образуется на поверхности доски в первые часы сушки.
2. Проницаемость свежесрубленной древесины лиственницы принципиально не отличается от сосны.
3. Удельная скорость сушки лиственничных пиломатериалов скачком снижается в несколько раз в первые часы по причине образования полимерной плёнки на поверхности доски.
4. Образование полимерной плёнки во многом зависит от температуры в сушильной камере первой ступени сушки.
5. Технологию сушки лиственничных необходимо выстраивать, ориентируясь на образование полимерной плёнки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Серговский, П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины [Текст]: учебник для вузов / П. С. Серговский, А. И. Расев. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с. Шубин, Г. С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины [Текст] / Г. С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 248 с.
Уголев, Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст] / Б. Н. Уголев. - М.: Лесн. пром-сть, 1975. - 384 с.
Зарипов, Ш. Г. Влияние водорастворимых экстрактивных веществ на процесс переноса влаги при конвективной сушке лиственничных пиломатериалов [Текст] / Ш. Г. Зарипов // Известия СПбЛА. - 2012. - № 201. -С. 177-185.
Зарипов, Ш.Г. О механизме переноса влаги в древесине лиственницы сибирской при сушке [Текст] / Ш. Г. Зарипов // Хвойные бореальной зоны: теоретический и научно-практический журнал. - 2013. - Т. XXXI. - № 1-2. -С. 352-354.
Антонова Г. Ф. Некоторые вопросы экстракции водорастворимых полисахаридов древесины лиственницы сибирской. — Изв. СО АН СССР, сер. хим. наук, 1967, вып. 2, № 4, с. 151—157.
Зарипов, Ш. Г. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке [Текст] / Ш. Г. Зарипов, В. Н. Ермолин // Лесной журнал. - 2011. - № 4 - С. 52-57.
Зарипов, Ш. Г. Перераспределение водорастворимых экстрактивных веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки [Текст] / Ш. Г. Зарипов, В. Н. Ермолин // Хвойные бореальной зоны: теоретический и научно-практический журнал. - 2010. - Т. XXVII. - № 3-4. - С. 352-354.
Дытнерский, Ю. И. Мембранные процессы разделения жидких смесей [Текст] / Ю. И. Дытнерский. - М.: Химия, 1975. - 232 с.
Кочаров, Р.Г. Основы технологического расчёта мембранных аппаратов для разделения жидких смесей [Текст]/Р. Г. Кочаров// Труды МХТИ им. Д. И. Менделеева. - 1982. Вып. 122. - С. 39 - 51.
Древесина в ботанике. Материал из Викитеки — свободной библиотеки < ЭСБЕ ги^^оигсе.о^^кЮСБЕ /Древесина, в ботанике.
Харук, Е. В. Проницаемость древесины газами и жидкостями [Текст] / Е. В. Харук. - Новосибирск: Наука, 1976. - 189 с.
Чиркова, Т. В. Клеточные мембраны и устойчивость растений к стрессовым воздействиям [Текст] / Т. В. Чиркова // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №9. -С. 12-17.
Хванг, С.-Т. Мембранные процессы разделения [Текст]/ С.-Т. Хванг, К. Каммермейер. - М.: Химия, 1981. - 464 с.
Ишанходжаева, М.М. Физическая химия. Диффузия в системах с твёрдой фазой. Часть 1 [Текст]: учебно - методическое пособие / М. М. Ишанходжаева. - СПб.: СПбГТУРП, 2012 - 35 с.
Медведева, С. А. Гель - проникающая хромотография ара-биногалактана [Текст] / С. А. Медведева, Г. П. Александрова, А. П. Танцырев // Лесной журнал. - 2002. -№ 6.- С. 108-113.
Эффективный антиоксидант из древесины лиственницы [Текст] / В. А. Бабкин [и др.] // Хвойные бореальной зоны. - 2003. - №1 - С. 108-113.
Кузнецова, С. А. Интенсификация процесса водной экстракции арабиногалактана из древесины лиственницы [Текст] / С. А. Кузнецова [и др.] // - Химия растительного сырья. - 2005. - № 1. - С. 53-58.
Рейтлингер, С. А. Проницаемость полимерных материалов [Текст] / С. А. Рейтлингер. - М.: Химия, 1974. -272 с.
Филиппова, О. Е. "Умные" полимерные гидрогели [Текст] / О. Е. Филиппова // Природа №8, 2005. - С. 11 - 17.
Оводов, Ю. С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность [Текст] / Ю. С. Оводов // Биоорганическая химия. - 1998. - Т. 24. - № 7. -С. 483-501.
Поступила в редакцию 27.02.15 Принята к печати 21.09.15
