Почему одного химического состава недостаточно
Когда описываем древесину для пиролиза, одного анализа состава мало. Перед нами материал из клеток: у них есть стенки, внутренние полости и сообщения друг с другом. Юрьев рассматривает это устройство как исходную матрицу, из которой формируется древесный уголь. То есть сначала нужно понять, как устроена сама древесина. Что затем произойдёт с её размерами и порами при нагревании, уже относится к превращению древесины в уголь. Из описания исходных клеток нельзя заключить, что они сохранятся без изменений.
Поэтому в описании сырья стоит сразу разложить всё по отдельным признакам: какая порода, какая часть дерева, как она устроена, сколько в ней органических компонентов, воды и минеральных веществ. Если оставить только слово «биомасса» или процент углерода, эти различия потеряются. Здесь разбираем именно исходную древесину. До свойств полученной пирожидкости и углеродистых отложений другого происхождения нужно дойти отдельно.
Хвойная древесина
У хвойной древесины основную часть структуры составляют трахеиды. Это вытянутые клетки со скошенными концами; через поры они сообщаются между собой. В пособии для них приведены длина 2,5–4,5 мм, ширина 35–50 мкм и толщина стенок 1,5–6 мкм. По этим величинам можно представить масштаб клеток, о которых идёт речь. Для приёмки промышленного сырья такие диапазоны не подходят: источник не задаёт допуски и не утверждает, что размеры одинаковы у всех пород.
Помимо трахеид, в древесине есть сердцевинные лучи и смоляные ходы. Пособие даёт доли этих элементов диапазонами сразу для группы пород. Это важная подробность: перед нами не результаты анализа одного образца. Если собрать крайние значения из разных диапазонов и сложить их, состава реальной древесины мы не получим. Нормировать такую сумму до 100% тоже нет оснований.
Даже внутри дерева устройство неодинаково. Источник отмечает, что открытость пор меняется от наружных участков к внутренним, а у отдельных пород проявляются и возрастные особенности. Это нужно держать в уме, когда характеризуем заготовку. Но для расчёта её проницаемости или выбора режима сушки одного такого качественного описания недостаточно.
Лиственная древесина
В лиственной древесине отдельно рассматривают волокна либриформа, сосуды и сердцевинные лучи. Либриформ состоит из вытянутых толстостенных клеток, у которых немного щелевидных пор. Сосуды устроены иначе: их образуют более короткие клетки, сообщающиеся через перфорации. При этом в ядре часть сосудов может быть закупорена. Уже из этого описания видно, почему одной общей характеристики клеток для всей древесины мало.
Различия между породами в пособии показаны на конкретных примерах. Доля либриформа составляет от 36% у липы до 76% у берёзы, а сосудов, наоборот, от 10% у берёзы до 56% у липы по объёму древесины. Эти числа относятся именно к названным породам. Брать любую долю либриформа из одного конца диапазона и любую долю сосудов из другого, чтобы составить свою «среднюю древесину», нельзя. И ещё нужно смотреть на базу сравнения: здесь описывают объём и расположение клеточных элементов, тогда как содержание целлюлозы или воды обычно обсуждают как массовую характеристику.
Креневая и тяговая древесина
У наклонённого ствола важно и то, с какой стороны взята древесина. В учебнике под редакцией И.Н.Ковернинского креневая древесина описана на нижней стороне наклонённого ствола хвойных пород. Её трахеиды короче обычных клеток того же годичного кольца. Их концы могут быть загнутыми или разветвлёнными, а поперечное сечение более округлое, с крупными межклетниками. Для переработки в целлюлозу авторы указывают конкретное последствие: у сырья с кренью выход целлюлозы при варке снижается.
У лиственных деревьев источник описывает тяговую древесину на верхней стороне ветвей и изогнутых стволов. На внутренней поверхности клеточной стенки у неё есть толстый желатинообразный слой, обогащённый целлюлозой. По сравнению с обычной древесиной авторы отмечают больше целлюлозы и меньше лигнина. Казалось бы, для получения целлюлозы это выгодный признак. Но в том же описании несколько больший выход сопровождается меньшими прочностными свойствами полученного продукта. Оба результата нужно рассматривать вместе.
Практический вывод здесь простой: сначала определяем, какой результат переработки нужен. Получить больше волокнистого продукта и получить более прочный продукт, как видно из этого примера, не одно и то же. Поэтому происхождение участка ствола и его клеточное строение стоит сохранять в описании сырья. Численной поправки к режиму варки приведённое сравнение не даёт.
Органическая матрица и экстрактивные вещества
Основные компоненты клеточной стенки: целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Отдельно учитывают воду, растворённые минеральные вещества и экстрактивные вещества. Последнее название говорит о способе выделения: в пособии так называют вещества, которые можно извлечь водой и органическими растворителями. Поэтому искать за словом «экстрактивные» одно определённое химическое соединение было бы ошибкой.
Для хвойных в источнике приведены следующие диапазоны: целлюлоза 45–50%, гемицеллюлозы 10–20%, лигнин 20–30%. Для лиственных соответственно 35–40%, 30–40% и 20–25%. Это позволяет увидеть справочное различие между двумя группами по пособию 1997 года. Однако аналитическая методика и база процентов в данном фрагменте не уточнены. Поэтому составлять из этих чисел точный баланс, рецептуру смеси или универсальные нормативы нельзя.
Чтобы объяснить совместную работу компонентов, автор сравнивает древесину с композитом: целлюлозный каркас связывает с сопротивлением растяжению, лигнин с сопротивлением сжатию. Такая аналогия помогает представить устройство материала. Но если нужно оценить прочность конкретной древесины, придётся учитывать направление нагрузки, строение и состояние образца. Сводить всё растяжение к одной целлюлозе, а всё сжатие к одному лигнину это сравнение не позволяет.
Исторические модели лигнина и объект их описания
С лигнином полезно отдельно разобраться, что именно называли этим словом разные авторы. Козлов и Нимвицкий в книге 1954 года сопоставляют несколько представлений о его строении. Ниже сохранён их исторический разбор: позиции самих авторов и исследователей, которых они пересказывают. Объединять эти позиции в одно установленное описание молекулы лигнина нельзя.
Начнём с модели Фрейденберга в изложении книги. В ней фенол-пропановые структурные единицы соединены кислородными и непосредственными углеродными связями. Но относится эта модель к вторичному, уже выделенному лигнину ели. Для первичного лигнина книга отдельно передаёт другое представление Фрейденберга: связи между звеньями предполагались только через кислород. Поэтому при чтении важно не пропустить, о каком из двух объектов идёт речь.
Далее появляется вопрос об углеводной составляющей. По изложению Козлова и Нимвицкого, Шорыгина расщепляла хвойный лигнин металлическим натрием в жидком аммиаке и получила вместе с ароматическими веществами углеводы. Это сообщение о результате опыта. Авторы используют его, обсуждая, можно ли считать лигнин исключительно ароматическим веществом. Сам результат расщепления и вывод о природе исходного лигнина нужно различать: второй уже является интерпретацией первого.
Жеребову авторы приписывают более сильную интерпретацию. Большую часть выделенного лигнина он считал псевдолигнином, образующимся из углеводов и полиуронидов. Первичный лигнин при этом представлял как неустойчивый углеводный комплекс, склонный к конденсации под действием крепких кислот, и отвергал его описание как фенол-пропанового соединения. Это самостоятельная историческая позиция. Она не совпадает ни с моделью Фрейденберга, ни с самим сообщением Шорыгиной о результатах опыта.
Для читателя здесь особенно важно различать лигнин внутри природной клеточной стенки и материал, который удалось выделить выбранным способом. Книга прямо отмечает, что при выделении материал изменяется и загрязняется. Поэтому способ получения образца относится к смыслу результата. Позиции исследователей выше оставлены раздельно именно для того, чтобы не потерять, что изучали и на каком основании сделали вывод.
Минеральная составляющая и неоднородность сырья
Минеральная часть тоже зависит от того, какую древесину взяли. Пособие приводит среднее содержание минеральных веществ 0,5–1,0% массы и связывает различия с породой, условиями произрастания и частью дерева. Кору и сучья автор выделяет как более зольные части. Среди соединений древесной золы отмечены соединения кальция.
Если нужно сравнить партии сырья, сначала следует договориться, какой образец анализируют и по какой методике. В абзаце пособия нет ни влажностной базы процента, ни метода определения, поэтому приведённое среднее нельзя сразу сделать пределом приёмки. Кроме того, исходные минеральные вещества и результат определения золы не следует считать строго одинаковыми величинами без методики испытания, хотя автор сближает эти термины.
Источниковые ограничения
Одну размерную характеристику здесь приходится оставить на сверку. На PDF7 доступной перевёрстанной электронной копии ширина сердцевинных лучей записана как «5–10 мим». По изображению этой копии нельзя установить, что было напечатано в оригинальном издании. Поэтому заменять «мим» на мкм по догадке и дальше пользоваться числом как установленным размером мы не будем. И число, и единица требуют проверки.
Отдельной терминологической проверки требует и приведённое в пособии описание фибрилл и микрофибрилл: их иерархия, число молекул и нанометровые размеры. Для этой карточки достаточно общего принципа армированной органической матрицы. Спорные подробности не стоит выдавать за современное определение. То же относится к указанной автором разрешающей способности микроскопов: её нельзя распространять как общий предел на все приборы.
Связанные материалы и процессы
Древесный уголь, пирожидкость и техническая целлюлоза — разные продукты переработки сырья.
Использованная информация
Источники и литература
Ю.Л. Юрьев. «Технология лесохимических производств. Часть 1. Пиролиз древесины». Екатеринбург: УГЛТА, 1997. §1.1, с.7–9 по оглавлению и последовательности файла; PDF7–9. В выходных данных 99 с., полученный файл содержит 102 PDF-страницы. Печатная нумерация на этих листах не показана; PDF — однозначный локатор.
«Комплексная химическая переработка древесины», под ред. И.Н. Ковернинского, 2006, с.347, «Ткани сжатия и растяжения». Выход и прочность переданы как авторские сравнения в описанном сырьевом контексте.
В.Н. Козлов, А.А. Нимвицкий. «Технология пирогенетической переработки древесины». М.–Л.: Гослесбумиздат, 1954, с.29–31. Исторические позиции Фрейденберга, Шорыгиной и Жеребова переданы по сравнительному изложению книги, не по самостоятельному чтению их работ и не как современный консенсус.
Для Юрьева использована перевёрстанная электронная копия, воспроизводящая выходные данные издания 1997 года (ISBN 5-230-25619-2): 102 PDF-страницы при библиографическом указании 99 с. Это не факсимильные сканы. Локаторы PDF относятся к проверенной копии; точность её воспроизведения по оригинальному печатному экземпляру не установлена. Необычные единицы и термины сохранены как особенности этой копии, а не подтверждённые опечатки печатного оригинала.