Μεταβολές κατά τη θερμική αποικοδόμηση του ξύλου
Γ. Ι. Μαντάνης1 και Ι. Λ. Φιλίππου2
1. Ινστιτούτο Δασικών Ερευνών Θεσσαλονίκης, ΕΘ.Ι.ΑΓ.Ε.
2. Τμήμα Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, Α.Π.Θ.
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Στη συνθετική αυτή εργασία παρουσιάζονται και συζητιούνται οι σπουδαιότερες μεταβολές που λαμβάνουν χώρα στο ξύλο κατά τη θερμική αποικοδόμησή του. Οι μεταβολές αυτές είναι ποικίλες και είναι δυνατόν να σχετίζονται με :
• τις επιδράσεις της θερμοκρασίας,
• τις θερμικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στο ξύλο,
• τις μεταβολές στη δομή του ξύλου,
• τις μεταβολές των πολυμερών δομικών συστατικών του ξύλου.
Λέξεις-κλειδιά : Θερμική αποικοδόμηση του ξύλου, πλαστικοποίηση του ξύλου, θερμοκρασία μαλάκωσης.
Σύντομος τίτλος : Θερμική αποικοδόμηση ξύλου 2
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η θερμοκρασία επηρεάζει σημαντικά τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του ξύλου. Το φαινόμενο της χημικής αποσύνθεσης του ξύλου κάτω από την επίδραση της θερμοκρασίας είναι ένα πολυσύνθετο φαινόμενο το οποίο ονομάζεται θερμική αποικοδόμηση του ξύλου (thermal degradation of wood). Η θερμική αποικοδόμηση του ξύλου είναι αποτέλεσμα της αποικοδόμησης των πολυμερών συστατικών του ξύλου (δηλ. της κυτταρίνης, των ημικυτταρινών και της λιγνίνης) σε άνθρακα και σε απλές αέριες και υγρές χημικές ενώσεις. Η επίδραση της θερμοκρασίας είναι γνωστό ότι προκαλεί σταδιακά τις παρακάτω μεταβολές (Τσουμής 1984, Bilbao κ.ά. 1993) :
1. Εξάτμιση της περιεχομένης υγρασίας και προσωρινή μείωση της μηχανικής αντοχής του ξύλου (θερμοκρασία < 100οC).
2. Εξαέρωση των εύφλεκτων πτητικών ενώσεων, απώλεια βάρους (Σχ. 1), σταδιακή αποικοδόμηση των πολυσακχαριτών (Σχ. 2), σημαντική μείωση της μηχανικής αντοχής, καθώς και πλαστικοποίηση του ξύλου (θερμοκρασία > 100-200οC <).
3. Πυρόλυση του ξύλου (απουσία αέρα) ή καύση του ξύλου (παρουσία αέρα ή οξυγόνου), σχηματισμό ανθράκων και ταχεία έξοδο των εύφλεκτων αερίων ενώσεων (θερμοκρασία > 200οC).
4. Αεριοποίηση του ξύλου (θερμοκρασία > 1000οC) και μετατροπή όλης της ξυλώδους ύλης σε αέρια προϊόντα.
Η θερμική αποικοδόμηση του ξύλου απουσία αέρα, η οποία είναι γνωστή και ως πυρόλυση του ξύλου, διακρίνεται σε ανθρακοποίηση, καταστρεπτική απόσταξη και υγροποίηση ανάλογα με το τελικό προϊόν, τις συνθήκες πυρόλυσης και τη θερμοκρασία (Φιλίππου 1984, Bonnefoy κ.ά. 1993). Η καύση του ξύλου γίνεται παρουσία οξυγόνου ή αέρα και τα παραγόμενα προϊόντα καίγονται. Επίσης, η θερμική αποικοδόμηση του ξύλου παρουσία περιορισμένης και ελεγχόμενης ποσότητας αέρα ή οξυγόνου, η οποία συνήθως λαμβάνει χώρα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (> 1000οC), είναι γνωστή και ως αεριοποίηση του ξύλου και προκαλεί την πλήρη μετατροπή του ξύλου σε αέρια προϊόντα. Ωστόσο, αεριοποίηση του ξύλου είναι δυνατόν να γίνει και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (500-700οC) με την παρουσία όμως ειδικών καταλυτών (Chen κ.ά. 1992).
Όταν η θερμοκρασία δεν υπερβεί τους 100οC δεν παρατηρούνται σημαντικές μεταβολές στο ξύλο. Το ξύλο αρχίζει μόνο να ξηραίνεται με αποτέλεσμα τη μείωση της υγροσκοπικότητάς του, ενώ οι μηχανικές του αντοχές μειώνονται προσωρινά. Αυτές οι μεταβολές δεν είναι μόνιμες. Στην περίπτωση κατά την οποία η θερμοκρασία υπερβεί τους 100οC (μέχρι 200οC), παρατηρείται βαθμιαία μερική αποικοδόμηση των πολυσακχαριτών του ξύλου (δηλ. της κυτταρίνης και των ημικυτταρινών) (Σχ. 2), απώλεια εκχυλισμάτων και παραγωγή πτητικών προϊόντων (CO, CO2, H2O, κ.ά.). Γύρω στους 170-190οC το ξύλο αρχίζει να πλαστικοποιείται και η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται θερμοκρασία πλαστικοποίησης ή μαλάκωσης. Η σχετική ανθεκτικότητα των πολυμερών του ξύλου κατά τη θερμική αποικοδόμησή του παρουσιάζεται χαρακτηριστικά στο Σχ. 3 (Fengel και Wegener 1984).
Η θερμική αποικοδόμηση του ξύλου επηρεάζεται από το είδος και τις διαστάσεις του ξύλου, την περιεχομένη υγρασία του, το ύψος και το χρόνο επίδρασης της θερμοκρασίας, την ταχύτητα θέρμανσης, καθώς επίσης και από την παρουσία χημικών αντιδραστηρίων ή καταλυτών (Jakab κ.ά. 1997).
Σκοπός αυτής της εργασίας είναι να παρουσιασθούν και να αναλυθούν οι μεταβολές ή αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα κατά τη θερμική αποικοδόμηση του ξύλου και οι οποίες είναι ποικίλες (επιδράσεις της θερμοκρασίας, θερμικές αντιδράσεις, μεταβολές στη δομή, μεταβολές των πολυμερών συστατικών).
ΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ
Είναι γνωστό ότι οι περισσότερες κατεργασίες του ξύλου (ξήρανση, εκχύλιση, χημική τροποποίηση, μηχανική και χημική πολτοποίηση, πυρόλυση) απαιτούν τη χρήση θερμοκρασιών. Η επίδραση της θερμοκρασίας και οι αντίστοιχες φυσικές και χημικές μεταβολές που προκαλεί στο ξύλο έχουν αποτελέσει και αποτελούν αντικείμενα έρευνας για τους επιστήμονες του ξύλου. Οι πλείστες κατεργασίες του ξύλου είναι διαδικασίες που συνήθως δεν απαιτούν θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 200οC. Τυπικά δεν παρατηρούνται μόνιμες αλλαγές στο ξύλο για θερμοκρασίες μικρότερες των 100οC. Οι πιο σημαντικές αλλαγές που παρατηρήθηκαν σε θερμοκρασίες < 200οC είναι κυρίως μικρές μεταβολές των φυσικών ιδιοτήτων του ξύλου (λ.χ. μείωση υγροσκοπικότητας, μείωση ξηρού βάρους, ελάττωση ξηρών διαστάσεων). Θέρμανση σε ξύλο ερυθρελάτης για 24 ώρες προκάλεσε απώλεια ξηρού βάρους 0,8% στους 120οC και 15,5% στους 200οC (Fengel 1966). Βαθμιαία επίδραση της θερμοκρασίας σε ξύλο οξυάς προκάλεσε απώλεια ξηρού βάρους 8,1% στους 150οC και 9,8% στους 200οC. Ακόμα, στην ίδια περίπτωση παρατηρήθηκε αύξηση του ποσοστού άνθρακα (Σχ. 1), η οποία αποτελεί ένδειξη της χημικής μετατροπής των πολυσακχαριτών λόγω μερικής αποικοδόμησής τους (150-200οC) (Kosik κ.ά. 1969). Η μερική αποικοδόμηση κυρίως των ημικυτταρινών - που είναι λιγότερο ανθεκτικές από την κυτταρίνη (Stamm 1964) - συνοδεύεται από τη βραδεία έξοδο διαφόρων πτητικών προϊόντων (CO, CO2, H2O, κ.ά.) και την απομάκρυνση των εκχυλισμάτων (Kosik κ.ά. 1968). Επίσης, το ξύλο αρχίζει να παρουσιάζει ιδιότητες πλαστικοποίησης, όταν η θερμοκρασία προσεγγίζει τους 180οC, ενώ φτάνει τελικά σε ένα μέγιστο σημείο γύρω στους 380οC (θερμοκρασία απόλυτης πλαστικοποίησης) (Chow και Pickles 1971). Η θερμοκρασία πλαστικοποίησης μειώνεται με αύξηση της περιεχομένης υγρασίας του ξύλου. Αντίθετα, εκτιμάται ότι η θερμοκρασία απόλυτης πλαστικοποίησης του ξύλου αυξάνεται με αύξηση της περιεχομένης υγρασίας (Fengel και Wegener 1984).
Οι κυριότερες μεταβολές στο ξύλο εξαιτίας της επίδρασης της θερμοκρασίας παρατηρούνται πάνω από τους 200οC. Οι μεταβολές αυτές περιλαμβάνουν την αλλοίωση και καταστροφή της δομής του ξύλου, τη χημική μετατροπή των πολυμερών συστατικών του και την ταχεία έξοδο εύφλεκτων αερίων προϊόντων από το ξύλο. Η κύρια αποικοδόμηση των δομικών συστατικών του ξύλου αρχίζει, όταν η θερμοκρασία υπερβεί τους 270-280οC (Shafizadeh και DeGroot 1976) (Σχ. 3). Η διεργασία της 5
θερμικής διάσπασης του ξύλου γίνεται συνήθως απουσία αέρα και προκαλεί τελικά την ολική αποικοδόμηση του ξύλου και την παραγωγή άνθρακα, υγρών και αερίων ενώσεων. Από το Σχ. 3 γίνεται φανερό ότι κάθε πολυμερές συστατικό του ξύλου ακολουθεί διαφορετική πορεία θερμικής αποικοδόμησης, όπως αυτή εκφράζεται από την απώλεια βάρους (%) σε σχέση με τη αύξηση της θερμοκρασίας. Ωστόσο, η πορεία αποικοδόμησης του ξύλου, όπως διαγράφεται συνολικά, αποτελεί τη συνισταμένη των πορειών αποικοδόμησης των δομικών συστατικών του.
Η αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από τους 500οC προκαλεί τη δραματική αύξηση της παραγωγής αερίων ενώσεων (μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο, υδρογονάνθρακες, διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, κ.ά.) και προκαλεί την ταχύτατη θερμική διάσπαση του ξύλου.
Login
Υπενθύμιση κωδικού