Основные химические реакции древесины, имеющие промышленное значение.

Взаимодействие древесины с кислыми солями сернистой кислоты и щелочами происходит в процессах получения технической целлюлозы — основного полуфабриката в целлюлозно-бумажном производстве. Способы получения сульфитной и сульфатной целлюлозы описаны выше. Отходы целлюлозного производства находят применение в качестве сырья для вторичной химической переработки. Для изготовления некоторых видов бумаги может быть использована не только целлюлоза, но и остальные органические вещества, содержащиеся в древесине. Древесина в этом случае подвергается лишь механической переработке, в результате которой получается древесная масса. При истирании (дефибрировании) древесины, прижатой к абразивной поверхности быстро вращающегося камня, в присутствии воды образуется белая древесная масса, которая идет на приготовление бумаг, хорошо воспринимающих краску при печатании, но отличающихся малой прочностью. Если перед истиранием древесину пропарить, получается бурая древесная масса, используемая для получения прочной оберточной бумаги и отдельных видов картона.

Взаимодействие кислот с древесиной приводит к образованию простейших Сахаров из полисахаридов и используется в качестве основной реакции в гидролизном производстве. На современных гидролизных предприятиях, включающих целый комплекс химических производств, наиболее полно и рационально используются все составные части древесного сырья. Сырьем для гидролизного производства служат отходы лесопиления и деревообработки. Гидролиз древесины можно осуществлять двумя способами: 1) разбавленными минеральными кислотами при высокой температуре (под давлением) и 2) концентрированными кислотами при нормальной температуре (без давления). Наиболее широкое применение нашел первый способ. Сырье в виде опилок пли щепы поступает в гидролизаппарат — вертикальный цилиндр с конусообразными верхней и нижней частью. Вместе с древесиной в гидролизаппарат подается варочная кислота, представляющая собой 5%-ный водный раствор серной кислоты. Температура поднимается до 140—160° и происходит осахаривание (гидролиз) гемицеллюлоз. Затем начинается гидролиз целлюлозы при непрерывном поступлении в аппарат варочной кислоты, нагретой до 185°, и одновременном отборе гидролизата — водного раствора простых Сахаров. Давление в аппарате во время гидролиза поднимается до 15 атм. В конце варки вместо кислоты подается горячая вода для промывки нерастворимого остатка — гидролизного лигнина.

При охлаждении гидролизата образуются пары, из конденсата которых получают ряд продуктов. Наиболее ценный из них — бесцветная маслянистая жидкость с запахом подгоревшего хлеба — фурфурол, который применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон типа нейлона, смол, для очистки смазочных масел, изготовления медицинских препаратов (фурацилин и др.), красителей, средств для борьбы с сорняками, грибами и насекомыми и для других целей. Фурфурол можно получать в качестве основного продукта при гидролизе богатых пентозанами древесины лиственных пород (березы, осины) и сельскохозяйственных растительных отходов.

Нейтрализованный известковым молоком гидролизат (сусло) поступает в бродильное отделение. Там под действием ферментов винокуренных дрожжей содержащиеся в сусле простые сахара — гексозы (глюкоза и сахара из гексозан) — сбраживаются и образуют этиловый спирт и углекислый газ. Выделяющийся при брожении углекислый газ улавливается и используется для получения жидкой углекислоты и сухого льда. Этиловый спирт находит применение в производстве синтетического каучука и во многих других отраслях промышленности. Однако в настоящее время признано более экономически целесообразным удовлетворять основную потребность в спирте синтетическим спиртом, получаемым из этилена нефтяных газов.

Остатки после отгонки спирта (барда) содержат неразложившиеся пентозы, которые используются для выращивания кормовых дрожжей, богатых витаминами и белком. Введение их в рацион птиц и животных резко сокращает падеж, увеличивает скорость прироста мяса и т. д. Учитывая важное значение кормовых дрожжей для повышения продуктивности животноводства, птицеводства и рыбоводства, можно отказаться от получения спирта и использовать для выращивания дрожжей весь гидролизат. При этом необходимо применять такие культуры дрожжей и дрожжеподобных грибов, которые способны усваивать не только пентозы, но и гексозы.

Термическое разложение (пиролиз) происходит при нагреве древесины без доступа воздуха (сухая перегонка) или при ограниченном поступлении воздуха (газификация). При сухой перегонке древесины вначале подведенным извне теплом удаляется вода (при температуре до 120—150°) и частично разлагается древесина с выделением углекислого газа, окиси углерода и паров уксусной кислоты (при температуре 150—270°). Затем при температуре 275° происходят главные реакции распада веществ, слагающих древесину. Эта фаза процесса протекает с бурным выделением тепла. Последняя стадия пиролиза с дополнительным внешним нагревом происходит при температуре 300— 400° и состоит в прокаливании угля для удаления остатка - летучих веществ. В результате сухой перегонки образуются твердые (уголь), жидкие (жижка) и газообразные продукты.

При термическом разложении древесины сосны, ели, березы и бука в условиях атмосферного давления, конечной температуры 400° С и продолжительности нагрева 8 ч получается примерно 32—38% угля, 45—50% жижки и 15—20% газов (включая потери). Наибольшее значение сейчас имеет уголь, который свободен от минеральных примесей (серы).

Уголь находит применение в металлургии в качестве топлива при выплавке цветных металлов, для получения сероуглерода, используемого для выработки вискозного волокна, для производства активированного угля, электродов и т. д. Древесный уголь получается в качестве основного продукта в углежжении. Жижка, или водный дистиллят, представляет собой водный раствор продуктов разложения древесины. Из смолы, образующейся после отстаивания жижки, получают фенолы для производства пластмасс, антиокислитель бензина, флотационные масла для обогащения руд и другие продукты. Жижка также используется для получения метилового спирта и уксусной кислоты. Наибольшее количество этих продуктов получается из древесины лиственных пород.

В связи с развитием способов получения синтетических метилового спирта и уксусной кислоты значение этих продуктов сухой перегонки древесины снизилось. Газы, образующиеся при пиролизе древесины, используются в качестве топлива для обогрева реторт (аппаратов для сухой перегонки). Кора при сухой перегонке дает больше смолы, угля и газов, но меньше уксусной кислоты и метилового спирта. Выход основных продуктов сухой перегонки древесины и коры в процентах от массы сырья в абсолютно сухом состоянии указан в табл. 10. Здесь приведены данные для сосны и березы. Интересны имеющиеся предложения по сочетанию гидролиза древесины с сухой перегонкой. Пиролиз березовой древесины, предварительно пропитанной 1%-ной серной кислотой, позволяет получить значительное количество фурфурола.

Таблица 10. Выход основных продуктов при сухой перегонке.