Утилизация отходов деревообрабатывающей промышленности

Автор: Птахина Оксана, 10 класс,
школа № 46 г. Белгорода

Научный руководитель: к.т.н. Свергузова С.В.

г. Белгород

Введение

Благодаря достижениям науки и техники человек получил в свои руки мощные рычаги воздействия на природу. Эти достижения позволяют людям вторгаться в микро- и макромиры, влиять на процессы, протекающие в биосфере, превращать миллионы бесплодных земель в сельскохозяйственные поля и цветущие сады, существенно изменять и улучшать сотни пород животных и тысяч сортов растений, создавать новые ландшафты. Но, вторгаясь в природные процессы, человек нередко нарушает закономерности их протекания, вызывает нежелательные для него же изменения в природе. поэтому перед человечеством встала задача по предотвращению экологического кризиса, осуществлению охраны природы и рациональному использованию ее ресурсов.

Целью данной работы является исследование возможности использования отходов деревообрабатывающей промышленности (опилок) в качестве добавки в строительные композиции.

Литературный обзор

Современный этап развития цивилизации характеризуется интенсивным использованием природных ресурсов и накоплением огромного количества антропогенных отходов. При этом все образующиеся отходы условно можно разделить на три группы: промышленные, сельскохозяйственные и бытовые. Наиболее значимыми среди них в плане загрязнения окружающей среды в связи с крупнотоннажностью и большим разнообразием по химическому составу являются промышленные отходы. Так, в настоящее время практически все доступные химические элементы (87 из 104) используются в производственной практике. Только объем извлекаемой из недр горной массы превышал в восьмидесятые годы в России 15 млрд. т в год. Однако в хозяйственный оборот вовлекалось лишь около трети всего минерального сырья, а на производство готовой продукции расходовалось менее 7% добытых полезных ископаемых. Структуру отходов промышленности можно отобразить схемой (рис. 1).

Рис. 1. Характеристика промышленных отходов

Широко распространенным и еще малоутилизируемыми крупнотоннажными отходами являются твердые отходы процессов заготовления, переработки и использования растительного сырья - в основном древесины. Утилизация таких отходов основана на использовании различных химических, механохимических, термохимических и биохимических превращений содержащихся в них компонентов в ценные вещества и материалы.

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.

На каждого жителя в СССР приходилось 3,88 га лесных насаждений и 341 м³ запасов древесины. По общей площади лесного фонда и запасам древесины наша страна находится на первом месте в мире.

Человеком используется до 2000 различных продуктов, получаемых из древесины. На рис. 2 показана схема наиболее крупных потребителей древесины.

Общий естественный прирост древесины за год на территории СССР был примерно равен 900 млн. м³, а объем ее заготовок составлял около 400 млн. м³. Масштабы потребления древесного сырья прогрессивно увеличиваются. Так, в 1913 г. в России было выработано 14,2 млн. м³ пиломатериалов, 258 тыс. т целлюлозы и 269 тыс. т бумаги, а в 1967 г. в СССР объем заготовок деловой древесины вырос в 9 раз, объем производства целлюлозы - в 18 раз, производство бумаги и картона - в 20 раз.

Деревообрабатывающая

(производство стандартных домов, мебели, тары, фанеры, спичек, клеев и др.

Горнодобывающая, металлургическая, машиностроительная

(крепь, детали и части транспортных средств, механизмов, машин и др.)

Строительная (строительные материалы, различные плиты, панели, паркет, облицовочные и кровельные покрытия, шпалы и др.)

Целлюлознобумажная

(различные виды бумаги, картона, целлюлозы)

Топливно-энергетическая (топливо, смазачные материалы, топливные добавки)

Рис. 2. Наиболее крупные потребители древесины

Из общего количества заготавливающейся ежегодно в СССР древесины (около 400 млн. м³) свыше 150 млн. м³ не утилизировалось и являлось обременительным отходом, т.е., по существу каждое второе дерево спиливалось, чтобы затем его выбросить. В США годовой объем древесных отходов составляет около 270 млн. м³. В производстве пиломатериалов отходы составляют более трети перерабатываемой древесины, при выработке шпал - около половины, в производстве фанеры - почти 2/3, в спичечном производстве - 65%, а в катушечном и карандашном производстве - 90-95% (рис. 3).

Рис. 3. Объем образующихся отходов древесины по отношению к

объему использованных материалов

Основные массы перечисленных отходов сжигают, транспортируют на свалку или оставляют в местах их образования. В настоящее время в нашей стране ежегодно сжигают около 30 млн. м³ древесных опилок. На технологические цели используют менее 1/3 образующихся опилок. Скопление древесных отходов не лесосеках и сельскохозяйственных угодьях вызывает ряд нежелательных последствий: развитие болезней леса; пасность возникновения пожаров; развитие патогенной микрофлоры; снижение урожайности зерна.

Удаление отходов на свалки и их складирование отрицательно сказываются на экономических показателях соответствующих технологических процессов. Так, например, на содержание отвалов и сжигание древесных отходов в нашей стране ежегодно тратится 10-12 млн. руб. в год. В связи с этим увеличение объема полезного использования таких отходов является насущной и важной задачей. В настоящее время в нашей стране существуют следующие направления использования древесных отходов (рис. 4).

Рис. 4. Основные направления использования древесных отходов

Белгородский деревообрабатывающий завод за 2000 г. получил в качестве отходов 2900 м³ опилок. Мелкая деревообрабатывающая мастерская получает 400 м³ древесных отходов в год. До настоящего времени они не нашли рационального использования. По нашему мнению, одним из перспективных направлений утилизации одного из видов древесных отходов - опилок - является использование их в качестве наполнителей к гипсовым строительным смесям. Исследованию этого вопроса посвящена дальнейшая часть этой работы.

Экспериментальная часть

В работе использовали древесные опилки лиственных пород, которые вводили в гипсовые смеси как облегчающую и теплоизолирующую добавку.

Поскольку для строительных композиций важную роль играет значение рН среды, перед экспериментом опилки обрабатывались холодной и горячей водой в течение 1часа, затем измерялось рН полученного раствора. Значение рН при холодной обработке равнялось 10,26 , при горячей 11,15. Это является положительным фактором при составлении строительных композиций.

В ходе эксперимента строительный гипс (марка Г7, ГОСТ 125-79) смешивали с сосновыми опилками с различным размером фракций. Опилки просеивали через сита, в итоге для эксперимента были отобраны 3 фракции опилок со средним размером: 1) фракция 4,5 мм; 2) фракция 1,61 мм; 3) фракция менее 0,44 мм.

Каждую фракцию смешивали с гипсом в количестве 1, 3 и 5% по отношению к массе гипса, затворяли водой, затем формовали образцы размером 2х2х2 см с помощью специальных металлических формочек. Через 2 часа образцы твердели и формы подвергали распалубке. Затвердевшие образцы ставили в сушильный шкаф при t = 55 ⁰C для сушки в течение 3 суток, после чего их подвергали лабораторным испытаниям на прочность при сжатии на прессе. Предел прочности при сжатии вычисляли по формуле: R_СЖ = ,где: Р - усилие, разрушающая нагрузка, действующая на образец, кгс; S - площадь верхней поверхности образца, см².

Физико-химические характеристики определялись как среднее арифметическое испытаний 3 образцов. Результаты экспериментов представлены в таблице 1, 2 и на рис. 5-7.

Таблица 1

Составы гипсовых материалов с использованием добавки отхода

деревообрабатывающей промышленности

№ п/п	Размер фракций опилок	Средний размер опилок, N, мм	Степень измельчения, 1/N	Добавка опилок, % к массе гипса
1	2	3	4	5
1	2 - 7 мм	4,5	0,22	1
2	1,25 - 2 мм	1,625	0,61	1
3	0,63 - 0,25 мм	0,44	2,27	1
1	2	3	4	5
4	2 - 7 мм	4,5	0,22	3
5	1,25 - 2 мм	1,625	0,61	3
6	0,63 - 0,25 мм	0,44	2,27	3
7	2 - 7 мм	4,5	0,22	5
8	1,25 - 2 мм	1,625	0,61	5
9	0,63 - 0,25 мм	0,44	2,27	5
10	без добавки опилок (контроль)

Таблица 2

Физико-механические характеристики образцов

№ п/п	масса образца, m , г	объем образца, V, см^3	плотность образца, r, г/см^3	площадь образца, S, см^2	усилие, Р, кгс	RСЖ, МПа	RСЖ, средн.МПа
1	10,9 10,44 9,73	9,24 9,24 8,46	1,18 1,13 1,15	4,2 4,62 4,62	100 140 140	2,38 3,03 3,03	2,81
2	11,02 10,67 10,37	8,82 8,82 8,43	1,25 1,21 1,23	4,2 4,41 4,2	160 150 150	3,8 3,4 3,57	3,59
3	10,87 11,09 12,01	8,43 8,67 9,24	1,29 1,28 1,30	4,62 4,62 4,2	180 180 200	3,9 3,89 4,76	4,18
4	9,84 10,23 9,23	8,56 8,82 8,24	1,15 1,16 1,12	4,41 4,41 4,62	100 110 120	2,26 2,49 2,59	2,44
5	10,58 10,40 10,81	8,82 8,82 9,24	1,20 1,18 1,17	4 4,2 4,41	130 120 130	3,25 2,85 2,94	3,01
6	10,33 11,38 11,57	8,4 8,82 9,26	1,23 1,29 1,25	4 4,4 4	150 180 170	3,75 4,09 4,25	4,03
7	9,12 7,73 8,59	9,7 8,4 9,24	0,94 0,92 0,93	4,62 4,41 4,62	95 75 80	2,06 1,7 1,73	1,83
8	9,89 9,79 10,07	9,24 9,24 9,24	1,07 1,06 1,09	4,4 4,2 4,4	100 110 95	2,27 2,62 2,16	2,35
9	11,45 10,23 11,61	9,7 8,82 9,68	1,18 1,16 1,20	4,84 4,4 4,84	130 140 110	2,68 3,18 2,27	2,71
10	13,13 13,55 13,29	9,73 9,68 9,56	1,35 1,40 1,39	4,62 4,41 4,4	250 290 270	5,41 6,57 6,13	6,03

Рис. 5. Зависимость прочности на сжатие от массы добавляемых опилок

Величина R_сж падает с увеличением добавки (%) опилок и с увеличением размера фракции.

Рис. 6. Зависимость плотности образцов от количества добавляемых опилок

Рис. 7. Увеличение прочности образцов при повышении

степени измельчения опилок

Как видно из табл. 2 и рис. 5-7, при повышении количества добавляемых опилок прочность и плотность образцов падают, а при повышении степени измельчения опилок прочность образцов возрастает (рис. 7). Ходя падение прочности образцов является отрицательным фактором, большинство изготовленных образцов соответствует требованиям ГОСТ для теплоизоляционных материалов (прочность на сжатие должна быть в пределах R_СЖ = 1,05-3 МПа), и ГОСТ на плиты гипсовые для перегородок (R_СЖ = 3,5-10 МПа).

Выводы:

1. Проведены эксперименты по изготовлению гипсовых материалов с добавкой измельченных опилок.

2. Установлена возможность утилизации опилок в качестве облегчающей добавки при изготовлении теплоизоляционных гипсовых материалов, и стеновых перегородок.

3. Утилизация крупнотоннажного отхода - опилок - дает возможность расширить сырьевую базу строительных материалов, снизить экологическую напряженность в стране, сберечь сотни гектаров лесов.

Список использованных источников:

1. Новиков Ю.В. Охрана окружающей среды. М.: Высш. школа, 1987, с.4-10.

2. Экологическая альтернатива / Под общ. ред. М.Я. Лемишева. - М.: Прогресс, 1990, с.174-175.

3. Родионов А.И., Клушин В.Н., Систер В.Г. Технологические процессы экологической безопасности/ Основы энвайроменталистики/: Учебник для студентов технических и технологических специальностей. 3-у изд., перераб. и доп. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2000. - 800 с., ил, табл.