Tech_tech_drewna_311[32]_Z1.06

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ

Leszek Jaszczyk

Chemiczny przerób drewna 311[32].Z1.06

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2006

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Skład chemiczny drewna

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Produkcja celulozy i papieru

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Rozkładowa destylacja i hydroliza drewna

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Wytwarzanie produktów z ubocznych składników drewna

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Tobie pomocny w nabywaniu umiejętności oznaczania składu

chemicznego drewna, określania metod wydzielania celulozy, przebiegu rozkładowej
destylacji drewna, właściwości i zastosowania produktów przerobu żywic, produkcji celulozy
i papieru oraz hydrolizy drewna.

Jednostka modułowa: Chemiczny przerób drewna jest ostatnią jednostką modułu

Technologia przerobu drewna.

W poradniku zamieszczono:

1. Wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych umiejętności, które powinieneś posiadać,

aby przystąpić do realizacji tej jednostki modułowej.

2. Cele kształcenia tej jednostki modułowej, które określają umiejętności, jakie opanujesz

w wyniku procesu kształcenia.

3. Materiał nauczania, który zawiera informacje niezbędne do realizacji zaplanowanych

szczegółowych celów kształcenia, umożliwia samodzielne przygotowanie się do
wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Wykorzystaj do poszerzenia wiedzy
wskazaną literaturę oraz inne źródła informacji. Obejmuje on również:

−

pytania sprawdzające wiedzę niezbędną do wykonania ćwiczeń,

−

ćwiczenia z opisem sposobu ich wykonania oraz wyposażenia stanowiska pracy,

−

sprawdzian postępów, który umożliwi sprawdzenie poziomu Twojej wiedzy po
wykonaniu ćwiczeń.

4. Sprawdzian osiągnięć w postaci zestawu pytań sprawdzających opanowanie umiejętności

z zakresu całej jednostki. Zaliczenie tego jest dowodem umiejętności określonych w tej
jednostce modułowej.

5. Wykaz literatury dotyczącej programu jednostki modułowej.

Jeżeli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela lub

instruktora  o  wyjaśnienie  i  ewentualne  sprawdzenie,  czy  dobrze  wykonujesz  daną  czynność.
Po  przerobieniu  materiału  spróbuj  zaliczyć  sprawdzian  z  zakresu  jednostki  modułowej.
Wykonując  sprawdzian  postępów  powinieneś  odpowiadać na pytania tak lub nie, co oznacza,
że opanowałeś materiał lub nie.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w laboratoriach, miejscach produkcji węgla drzewnego, ekstrakcji

garbników i żywicy, w zakładach produkcji celulozy i papieru musisz przestrzegać
regulaminów, przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpożarowych,
obowiązujących podczas poszczególnych rodzajów prac.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

311[32].Z1.06

Chemiczny przerób

drewna

311[32].Z1.05

Technologia tworzyw

drzewnych

311[32].Z1.02

Obróbka drewna

tartacznego

311[32].Z1.04

Suszenie drewna

Moduł 311[32].Z1

Technologia przerobu

drewna

311[32].Z1.01

Dostawa i odbiór drewna

okrągłego

311[32].Z1.03

Sortowanie materiałów

tartych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

dokonać analizy składu chemicznego drewna i określić produkty chemicznego przerobu
drewna,

−

wyróżnić sortymenty drewna przeznaczone do przerobu chemicznego i określić
wymagania im stawiane,

−

określić metody wydzielania celulozy z drewna i wskazać dziedziny, w których znajdują
zastosowanie pochodne celulozy,

−

określić przebieg rozkładowej destylacji drewna,

−

określić właściwości i zastosowanie produktów przerobu żywic,

−

zdiagnozować sposoby produkcji papieru,

−

sklasyfikować wytwory papiernicze,

−

określić właściwości wytworów papierniczych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Skład chemiczny drewna

4.1.1. Materiał nauczania

Podstawowe składniki drewna

Drewno pod względem chemicznym stanowi konglomerat składający się z szeregu

substancji występujących w różnych ilościach w zależności od gatunku, wieku i części
drzewa. Substancje te połączone są ze sobą wiązaniami chemicznymi i fizycznymi lub też nie
są ze sobą w żaden sposób związane. [5, s. 36]

Wśród wielkocząsteczkowych związków organicznych pierwsze miejsce zajmują

węglowodany typu wielocukrów, tj. celuloza i hemicelulozy. Dalsze miejsce zajmują kwasy
poliuronowe, do których należą związki pektynowe i gumy drzewne. Ważnym składnikiem
drewna jest lignina, zawierająca grupy metoksylowe, karbonylowe i wodorotlenowe.

Pod względem funkcjonalnym w drewnie można wyróżnić:

−

substancję szkieletową, zbudowaną głównie z celulozy, która nadaje jej dużą
wytrzymałość, zwłaszcza na rozciąganie; w skład substancji szkieletowej wchodzą
również hemicelulozy;

−

lepiszcze, reprezentowane głównie przez ligninę; poza lignina w skład lepiszcza wchodzą
substancje pektynowe, gumy drzewne i substancje śluzowate;

−

substancje towarzyszące, a więc żywice, woski, tłuszcze, barwniki, garbniki, alkaloidy,
lateksy i inne mniej ważne substancje. [2, s. 117]

Obok substancji organicznych w drewnie występują także substancje mineralne, które po

spaleniu  drewna  dają  popiół.  Około  10-25%  popiołu  składa  się  z  substancji  rozpuszczalnych
w  wodzie.  Są  to  węglan  potasowy  (potaż),  węglan  sodowy  (soda)  oraz  inne  występujące
w  drobnych  ilościach  związki  potasu  i  sodu.  W  skład  nierozpuszczalnej  części  popiołu
wchodzi  przede  wszystkim  węglan  wapnia  oraz  magnezowe,  żelazowe  i  manganowe  sole
kwasu węglowego, fosforowego i krzemowego.

Celuloza

Drewno zbudowane jest w 40 do 60% z celulozy. W młodych tkankach celulozowe błony

komórkowe sklejone są związkami pektynowymi, natomiast w dojrzałych tkankach
drzewnych substancje sklejającą stanowi lignina.

Celuloza występuje w drewnie w mechanicznym i chemicznym powiązaniu z ligniną

i z hemicelulozami. Celuloza, hemicelulozy i lignina stanowią ok. 96% suchej masy drewna.

Celuloza techniczna (masa celulozowa) jest półfabrykatem do produkcji cennych

materiałów.  Najszersze  zastosowanie  znajduje  w  produkcji  papieru  i  tkanin.  W  Polsce
podstawowym  surowcem  do  wytwarzania  celulozy  jest  drewno  świerkowe,  jodłowe
i  sosnowe,  a  w  mniejszych  ilościach  również  bukowe  i  brzozowe.  Drewno  iglaste  zawiera
więcej celulozy niż drewno liściaste, a długość i smukłość włókna celulozowego kształtuje się
w  drewnie  iglastym  lepiej  niż  w  drewnie  liściastym.  W  drewnie  tego  samego  gatunku
wydajność  celulozy  zależy  od  ciężaru  właściwego,  natomiast  w  drewnie  wąskosłoistym
znajduje się więcej celulozy niż w szerokosłoistym.

Na wydajność celulozy wpływa również siedlisko i pochodzenie regionalne drewna.

Wyższą wydajność celulozy obserwuje się z drewna drzew rosnących w klimacie surowym
(północna półkula lub warunki górskie).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Hemicelulozy

Udział hemiceluloz wynosi zależnie od gatunku drewna od 18 do 35%. Mianem

hemiceluloz określa się węglowodany nie rozpuszczające się w wodzie, ulegające hydrolizie
w czasie gotowania z rozcieńczonymi kwasami mineralnymi.

W masach celulozowych przeznaczonych do przerobu na papier pożądana jest zawartość

hemiceluloz  w  ilości  6-8%.  Ich  obecność  zwiększa  zdolność  pęcznienia  masy,  dzięki  czemu
zwiększa  się  zdolność  spilśniania  włókien  i  zaklejania  masy  papierniczej.  W  masach
natomiast  przeznaczonych  do  dalszego  przerobu  chemicznego,  zwłaszcza  na  sztuczne
włókno,  obecność  hemiceluloz  jest  niepożądana.  Mają  one  inną  niż  celuloza  zdolność
reagowania  z  odczynnikami  chemicznymi,  co  wpływa  ujemnie  na  przebieg  i  wyniki  procesu
technologicznego.

Lignina

Błonnikowy szkielet błony komórkowej jest inkrustowany i otulony ligniną. [2, s. 122]
Ilościowy udział ligniny w drewnie wynosi od 26 do 30%, zależnie od gatunku drewna

i  od  stopnia  zdrewnienia  błony  komórkowej.  W  porównaniu  z  celulozą  lignina  jest  mniej
odporna  na  działanie  odczynników  chemicznych  i  rozpuszcza  się  w  alkaliach  przy
zwiększonym  ciśnieniu  i  podwyższonej  temperaturze.  W  przeciwieństwie  do  celulozy
i hemiceluloz lignina nie ulega hydrolizie pod wpływem kwasów.

Pod wpływem światła lignina żółknie i brunatnieje, dlatego papiery zawierające ścier

drzewny ciemnieją. W temperaturze ok. 130

C lignina staje się plastyczna, a po schłodzeniu

z powrotem twardnieje. Dzięki temu lignina może stanowić naturalne lepiszcze w produkcji
brykietów i płyt trocinowych, płyt pilśniowych i wiórowych oraz materiał wyjściowy do
produkcji mas plastycznych.

Materiały zapasowe

Materiałami zapasowymi w drewnie są: cukry, skrobia i tłuszcze. Materiały zapasowe

stanowią podstawę procesów życiowych drzewa. Przechowywane materiały pokarmowe
występują w postaci związków tłuszczowych i nierozpuszczalnej w wodzie skrobi.

Komórki miękiszowe utrzymują się przy życiu przez długi czas po ścięciu drzewa,

zużywając  materiały  zapasowe  na  podtrzymanie  procesów  życiowych.  Powolne  zamieranie
i  rozkład  treści  żywych  komórek  rozpoczyna  proces  zaparzenia  drewna.  Drewno  bielaste,
zawierające  żywe  komórki  i  skrobię,  stanowi  podłoże  dla  rozwoju  różnego  rodzaju
mikroorganizmów i wskutek tego jest mniej odporne na działanie procesów rozkładowych niż
drewno twardzieli.

Wydzieliny drzewne

Wydzieliny to substancje organiczne, które stanowią produkty przemiany materii i nie

ulegają dalszym zmianom biochemicznym. Gromadzą się one we wnętrzu komórek lub
tkanek drzewnych. Do ważnych gospodarczo wydzielin zalicza się żywice, olejki eteryczne,
gumy, garbniki, alkaloidy i lateksy.

Żywice to związki żywiczne występujące w drewnie i w korze gatunków iglastych,

z wyjątkiem  jodły,  cisa  i jałowca. Najbardziej żywiczne jest drewno sosnowe i modrzewiowe.
Słabo  żywiczne  drewno  świerkowe  oraz  wolne  od  żywicy  drewno  jodłowe  nadają  się,  dzięki
bezwonności,  do  produkcji  opakowań  (komplety  skrzynkowe,  beczki,  wełna  drzewna)  na
produkty  spożywcze.  Żywica  i  jej  przetwory  stanowią  ważny  surowiec  w  produkcji  farb,
lakierów  past  do  obuwia  i  skór,  w  przemyśle  papierniczym,  mydlarskim,  bednarskim
i farmaceutycznym.

Z kolei garbniki roślinne odgrywają w korze rolę materiałów ochronnych, a w drewnie

rolę materiałów antyseptycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 1. Składniki chemiczne drewna: igl. – drewno drzew gatunków iglastych, liśc. – drewno drzew gatunków
liściastych, udział kalafonii i terpentyny podano w stosunku do żywicy [5, s. 37]

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie znasz główne związki wielkocząsteczkowe w drewnie?
2.  Jaki jest skład drewna pod względem funkcjonalnym?
3.  Jakie potrafisz określić substancje mineralne w drewnie?
4.  Jakie przeznaczenie ma celuloza techniczna?
5.  Jaki procent suchej masy drewna stanowią celuloza, hemicelulozy i lignina?
6.  Jakie składniki drewna ulegają, a jakie nie ulegają hydrolizie pod wpływem kwasów?
7.  Do jakiej grupy składników zaliczają się cukry, skrobia i tłuszcze w drewnie?
8.  Jak narysujesz schemat budowy drewna z wyszczególnieniem głównych

i ubocznych składników?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj podstawowe składniki drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

DREWNO

Główne, strukturalne składniki ścian komórkowych

Uboczne, niestrukturalne składniki wypełniające wnętrza
komórek lub przesycające ściany komórkowe

Substancje niskocząsteczkowe

Substancje wielkocząsteczkowe

Polisacharydy

(holoceluloza)

Związki

aromatyczne

Celuloza
Igl. 49-51%
Liśc. 38-42%

Hemicelulozy

24-37%

Heksozany
Igl. 11-13%
Liśc. 5%

Pentozany
Igl. 8-12%
Liśc. 23%

Poliuronidy
do 3%

Lignina
Igl. 28-30%
Liśc. 20-22%

Substancje ekstrakcyjne
2,0-25,0%

Substancje nieorganiczne
0,2-1,0%

Izopreno-
idy

Związki
aromatyczne

Tłuszcze
1,5%

Żywica
2,5-12,0%

Garbniki
barwniki

Glikozydy

Kalafonia
60-80%

Terpentyna
20-35%

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat podstawowych składników drewna,
2)  scharakteryzować drewno jako konglomerat chemiczny,
3)  scharakteryzować podstawowe składniki drewna,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Wykonaj schematyczny rysunek głównych i ubocznych składników chemicznych

drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z literaturą na ten temat,
2) narysować schematycznie składniki drewna z podziałem na główne strukturalne składniki

ścian komórkowych i uboczne niestrukturalne składniki wypełniające wnętrza komórek
lub przesycające ściany komórkowe,

3) oznaczyć na schemacie procentowe udziały poszczególnych składników,
4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę formatu A-4,
–  ołówek/długopis,
–  linijka,
–  literatura z rozdziału 6.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) określić główne związki wielkocząsteczkowe w drewnie?

2) określić skład drewna pod względem funkcjonalnym?

3) przedstawić substancje mineralne w drewnie?

4) scharakteryzować przeznaczenie celulozy technicznej?

5) określić procentowy udział celulozy, hemiceluloz i ligniny w drewnie?

6) określić składniki drewna ulegające hydrolizie pod wpływem kwasów?

7) wyjaśnić do jakiej grupy zaliczają się cukry, skrobia i tłuszcze?

8) narysować schemat budowy drewna z wyszczególnieniem głównych

i ubocznych jego składników?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Produkcja celulozy i papieru

4.2.1. Materiał nauczania

Przerób drewna na papier odbywa się w dwóch zasadniczych etapach:

−

wytwarzanie mas włóknistych,

−

przerób mas włóknistych na papier.

Aby drewno przerobić na papier należy je najpierw rozdrobnić na pojedyncze włókna,

a następnie z otrzymanej masy włóknistej formuje się wstęgę papieru, wykorzystując
zdolność włókien roślinnych do wiązania się ze sobą.

Rys. 2. Schemat przerobu drewna na masę włóknistą i papier [7, s. 8]

Wytwarzanie mas włóknistych

Wytwarzanie mas włóknistych polega na przerobie surowca o zwartej włóknistej

budowie na papkę składającą się z luźnych włókienek. Proces taki nazywamy roztwarzaniem.
[7, s. 9]

Stosuje się trzy metody roztwarzania:

−

chemiczne,

−

mechaniczne,

−

chemiczno-mechaniczne.

Metody chemiczne polegają na delignifikacji, czyli rozpuszczeniu i usunięciu większości

ligniny,  która  nadaje  spoistość  tkankom  roślinnym.  Otrzymane  w  ten  sposób  masy  włókniste
nazywa  się  masami  celulozowymi,  potocznie  celulozą,  która  jest  dominującym  składnikiem
chemicznym.  W  przemyśle  rozpowszechnione  są  dwie  metody  chemicznego  roztwarzania:
siarczanowa i siarczynowa.

Metoda mechaniczna polega na mechanicznym rozwłóknieniu drewna, bez zmiany jego

składu  chemicznego.  Surowiec  jest  rozdrabniany  mechanicznie,  w  wyniku  czego  następuje
rozdzielanie,  a  także  miażdżenie  i  rozdrabnianie  włókien.  Uzyskana  masa  nosi  nazwę  ścieru.
Mechaniczne  rozwłóknianie  drewna  może  być  wspomagane  termiczną  obróbka  surowca

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w celu zmiękczenia ligniny. W ten sposób produkuje się masę defibratorową stosowaną do
wyrobu płyt pilśniowych oraz półprodukty papiernicze w postaci masy termomechanicznej.

Metody chemiczno-mechaniczne stanowią kombinację roztwarzania chemicznego

i  mechanicznego.  Otrzymane  w  ten  sposób  masy  są  nazywane  masami  półchemicznymi
W  zależności  od  udziału  czynnika  chemicznego  i  mechanicznego  w  procesie  wytwórczym
masy  półchemiczne  dzieli  się  na:  celulozowe  wysokowydajne,  półchemiczne  właściwe,
półchemiczne ultrawysokowydajne oraz chemotermomechaniczne i chemomechaniczne.

Najważniejszymi właściwościami mas włóknistych do formowania wstęgi papieru są:

stopień roztworzenia, mielność, mechaniczna wytrzymałość, barwa, czystość oraz różne
cechy specjalne.

Stopień roztworzenia masy charakteryzuje zaawansowanie delignifikacji surowca

osiągnięte  w  procesie  jego chemicznego roztwarzania. Liczbę roztworzenia oznacza się przez
analizę  zużycia  środka  utleniającego  ligninę  w  określonej  ilości  badanej  masy.  Jako  środka
utleniającego  używa  się  roztworu  nadmanganianu  potasowego  lub  chloru.  Wyniki
odpowiadające  rzeczywistej  zawartości  ligniny  uzyskuje  się  przy  oznaczaniu  liczby  kappa
oraz  liczby  chlorowej  (według  normy  PN-70/P-50095).  Stopień  roztworzenia  mas
celulozowych jest podstawowym kryterium ich podziału na typy i odmiany.

Masy celulozowe przeznaczone do przerobu chemicznego są wyłącznie źródłem czystej

celulozy. Istotne znaczenie mają jedynie ich właściwości chemiczne i fizyko-chemiczne.
O przydatności mas celulozowych do przerobu na chemiczne pochodne celulozy decydują
takie

wskaźniki

jak

stopień

chemicznej

czystości

masy,

stopień

polimeryzacji

i polimolekularności oraz chemiczna reaktywność masy w warunkach danego procesu
przerobowego.

Podstawowym surowcem do wyrobu mas włóknistych jest drewno. W naszej strefie

klimatycznej  największe  znaczenie  dla  przemysłu  celulozowo-papierniczego  ma  drewno
gatunków  iglastych:  sosna,  świerk  i  jodła  oraz  w  mniejszym  stopniu  liściastych:  brzoza,
topola,  dąb,  grab,  olcha.  Surowiec  drzewny  przeznaczony  do  przerobu  chemicznego  lub
fizykochemicznego

obejmuje

sortymenty

drewna

średniowymiarowego

oraz

małowymiarowego.  Sortymenty  średniowymiarowe  przeznaczone  do  przemysłu  płytowego
i  celulozowego  obejmują  papierówkę,  szczapy  i  wałki  użytkowe  oraz  żerdzie.  W  grupie
sortymentów  małowymiarowych  szczególne  zastosowanie  w  przemyśle  płytowym  mają
tyczki, gałęzie i zrębki.

Drewno przeznaczone na papierówkę jest wyrabiane w grupie sortymentów

średniowymiarowych  jako  drewno  okrągłe  do  wyrobu  białego  ścieru  oraz  jako  drewno
okrągłe  i  łupane  do  wyrobu  mas  celulozowych  i  półchemicznych  ścierów  płyt.  Wyróżnia  się
papierówkę  z  drewna  iglastego  (sosnową,  jodłową,  świerkową)  oraz  z  drewna  liściastego
(bukową, dębową, brzozową, topolową, osikową, olchową, grabową).

Szczegółowe ustalenia wymiarów i jakości surowca drzewnego przeznaczonego na

papierówkę zawiera Polska Norma PN-91/D-95018.

Do wyrobu płyt pilśniowych i wiórowych służą sortymenty drewna średnio-

i małowymiarowego iglastego i liściastego pozyskiwane w postaci kłód, wałków i szczap oraz
żerdzi,  tyczek  i  gałęzi  jako  drobnicy.  Surowiec  ten  może  pochodzić  z  drewna  wszystkich
gatunków  drzew  iglastych  oraz  drzew  liściastych.  Szczegółowe  ustalenia wymiarów  i  jakości
surowca  drzewnego  przeznaczonego  do  produkcji  płyt  pilśniowych  i  wiórowych  zawierają
właściwe

normy

dotyczące

drewna

średniowymiarowego

(PN-91/D-95018)

i małowymiarowego (PN-91/D-95019).

Najbardziej rozpowszechnioną metodą wytwarzania mas celulozowych w Polsce jest

metoda  siarczanowa.  Głównym  ogniwem  produkcyjnym  procesu  wytwarzania  mas
celulozowych  siarczanowych  jest  roztwarzanie  drewna  ługiem  warzelnym  w  warunkach
podwyższonego  ciśnienia  i  temperatury.  Do  wyrobu  mas  celulozowych  siarczanowych  są

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przydatne wszystkie rodzaje roślinnych surowców celulozowych. Podstawowym surowcem
jest papierówka sosnowa ze względu na swoje właściwości papierotwórcze sosnowej masy
siarczanowej oraz powszechność występowania.

Drewno liściaste z kolei jest pełnowartościowym surowcem do wyrobu bielonych mas

celulozowych siarczanowych, przeznaczonych do przerobu na papiery drukowe i do pisania.
Drewno liściaste przerabia się również na masy celulozowe wiskozowe na potrzeby
przemysłu włókien sztucznych.

Drewno liściaste roztwarza się metodą siarczanową znacznie łatwiej niż sosnowe. Może

być ono warzone w niższej temperaturze i z mniejszą ilością alkaliów. Niższa temperatura
warzenia drewna liściastego powoduje zwiększenie wydajności masy celulozowej.

Rys. 3. Uproszczony schemat produkcji mas celulozowych metodą siarczanową [7, s. 39]

Cieczą warzelną stosowaną w procesie siarczanowego roztwarzania jest ług warzelny,

który  stanowi  mieszaninę  ługu  białego  i  cieczy  uzupełniającej.  Ług  biały  jest  końcowym
produktem  regeneracji  chemikaliów  roztwarzających.  Jest  to  wodny  roztwór  wodorotlenku
sodowego  NaOH  i  siarczku  sodowego  Na

S. Obie te substancje biorą aktywny udział

w roztwarzaniu drewna.

Roztworzoną masę celulozową myje się, a oddzielony przy tym ług powarzelny kieruje

się  do  oddziału  regeneracji.  Regeneracja  zużytych  chemikaliów  pozwala  na  odzyskanie
i  wielokrotne  użycie  tych  samych  środków  roztwarzających.  Jednocześnie  dzięki  spaleniu
rozpuszczonych  w  ługu  organicznych  składników  drewna  otrzymuje  się  znaczne  ilości  ciepła
i  wydatnie  zmniejsza  się  ilość  zanieczyszczeń  odprowadzanych  w  ściekach.  Niewielkie  straty
chemikaliów,  jakie  powstają  w  cyklu  produkcyjnym,  uzupełnia  się  siarczanem  sodowym.
W oddziale regeneracji używa się także wapna palonego CaO.

Przygotowanie

drewna

Roztwarzanie drewna

ługiem warzelnym

Sortowanie

masy

Mycie

masy

Regeneracja

alkaliów

Nie bielona masa

celulozowa

siarczanowa

Ług czarny

Ług biały

CaO

Zrębki drzewne

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wymyta i przesortowana masa celulozowa siarczanowa jest gotowym półproduktem

papierniczym. Ze względu na ciemnobrązowe zabarwienie przerabia się ją głównie na papiery
pakowe. Masę siarczanową można również bielić i używać do produkcji papierów białych.

Ilość dozowanych alkaliów czynnych wprowadzanych do warnika jest podstawowym

parametrem  decydującym  o  jakości  masy  celulozowej.  Dla  każdego  gatunku  drewna
określona  jest  minimalna  ilość  alkaliów,  warunkująca  uzyskanie  masy  celulozowej
o  określonym  stopniu  roztworzenia.  W  zależności  od  typu  wytwarzanej  masy  celulozowej
sosnowej  ilość  ta  zmienia  się  od  17%  NaOH  dla  najtwardszych  mas  celulozowych  do  25%
NaOH  dla  mas  najbardziej  miękkich,  przeciętnie  przyjmuje  się  22%.  Z  kolei  typowe
zapotrzebowanie alkaliów w roztwarzaniu drewna liściastego wynosi około 20% NaOH.

Duży wpływ na przebieg i wyniki procesu roztwarzania ma siarczkowość ługu

warzelnego. Siarczek sodowy przyspiesza rozpuszczanie ligniny. Dla zapewnienia szybkiego
przebiegu roztwarzania oraz dobrej wydajności i mechanicznej wytrzymałości masy
wystarczy stosować ługi o siarczkowości 20-30%.

Istotnym czynnikiem regulującym proces roztwarzania jest temperatura warzenia.

Optymalna  temperatura  warzenia  zależy  od  rodzaju  roztwarzanego  drewna,  pozostałych
parametrów  oraz  przeznaczenia  masy  celulozowej.  Drewno  sosnowe  zwykle  roztwarza  się
w temperaturze  nieco  powyżej  170

C, a drewno liściaste w temperaturze niższej, dla

większości gatunków liściastych ok. 165

C. W przedziale temperatur 160-180

podwyższenie temperatury o 10

C przyspiesza delignifikację przeszło dwukrotnie, jest to

więc  sposób  na  skrócenie  czasu  warzenia.  Należy  jednak  pamiętać,  że  wraz  ze  wzrostem
temperatury  warzenia  zwiększa  się  zawartość  w  masie  nieroztworzonych  cząstek  drewna,
tzw.  niedowarków,  ponieważ  szybkość  dyfuzji  zwiększa  się  znacznie  wolniej  niż  szybkość
reakcji i do wnętrza zrębków nie dostaje się wystarczająca ilość alkaliów.

Kolejnym parametrem procesu warzenia jest czas warzenia. Czas ten dzieli się na czas

podgrzewania  warnika  oraz  czas  właściwego  roztwarzania.  Możliwość  szybkiego
podgrzewania  warnika  jest  ograniczona  czynnikami  technologicznymi  i  technicznymi.  Po
pierwsze  zrębki  muszą  być  dobrze  zaimpregnowane  alkaliami  przed  osiągnięciem
temperatury  maksymalnej,  a  po  drugie  techniczna  możliwość  szybkiego  ogrzania  warnika
zależy  od  temperatury  początkowej  ługu,  wydolności  aparatury  grzejnej  oraz  parametrów
pary  grzejnej.  Temperatura  początkowa  jest  wypadkową  temperatur  zrębków  i  ługu
warzelnego  i  wynosi  zwykle  70-80

C. Czas warzenia w temperaturze maksymalnej zależy

z kolei od rodzaju roztwarzanego drewna i żądanego stopnia roztworzenia masy celulozowej
oraz od wartości pozostałych parametrów procesu.

Rys. 4. Krzywa gotowania siarczanowego [7, s. 51]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Aby zapewnić jednorodną jakość masy celulozowej należy kontrolować i regulować

wszystkie  czynniki  wpływające  na  przebieg  roztwarzania.  Stała  kontrola  takich  czynników
jak  wilgotność  i  jakość  zrębków,  skład  ługu  białego,  temperatura  i  ciśnienie  w  warniku  jest
niezbędna  z  powodu  ich  znacznej  zmienności  i wpływu  na  efekty  roztwarzania.  Dla  realizacji
założonego  przebiegu  krzywej  gotowania  stosuje  się  programowane  regulatory  temperatury.
Założona  wielkość  ciśnienia  w  warniku,  w  przypadku  prowadzenia  ciągłego  gazowania
terpentynowego,  jest  utrzymywana  przez  regulator  ciśnienia.  Kontroli  i  rejestracji  podlega
także  ilość  i  parametry  pary  grzejnej  podawanej  do  wymiennika  ciepła.  Instaluje  się  ponadto
instalację  alarmującą  o  zanieczyszczeniu  ługiem  warzelnym  pary  grzejnej  w  wymienniku
ciepła,  o  nieprawidłowej  temperaturze  pary,  o  braku  wody  chłodzącej  w  wymienniku  itd.
[7, s. 69]

W systemach sterowania procesem warzenia szerokie zastosowanie znalazły układy

mikroprocesorowe i komputery. Pracują one według teoretycznego lub empirycznego modelu
procesu warzenia. Ocena szybkości roztwarzania surowca jest dokonywana automatycznie na
podstawie wskazań analizatorów stężenia alkaliów bądź czujników przewodności
elektrycznej ługu warzelnego.

Opuszczająca warnik roztworzona masa celulozowa jest zawiesiną włókien w ługu

powarzelnym  (czarnym).  W  celu  oddzielenia  włókien  od  ługu  masę  poddaje  się  myciu.  Aby
osiągnąć  dużą  sprawność  mycia,  przy  jak  najmniejszym  zużyciu  świeżej  wody,  mycie
prowadzi  się  kilkustopniowo  w  układzie  przeciwprądowym.  Istotny  wpływ  na  przebieg
i  sprawność  mycia  mas  celulozowych  ma  temperatura  cieczy  myjącej.  Ze  wzrostem
temperatury  zwiększa  się  szybkość  dyfuzji,  a  dzięki  malejącej  lepkości  ługu,  zmniejszają  się
opory przepływu cieczy przez warstwę włókien. [7, s. 75]

Odmienną metodą roztwarzania surowców roślinnych na masy celulozowe jest metoda

siarczynowa.  Przez  wiele  lat  metoda  ta  odgrywała  dominującą  rolę  w  produkcji  mas
celulozowych.  Gdy  opanowano  technologię  bielenia  mas  siarczanowych,  metoda  siarczynowa
zaczęła  tracić  na  znaczeniu.  Obecnie  udział  mas  siarczynowych  w  światowej  produkcji  mas
celulozowych systematycznie zmniejsza się i wynosi poniżej 20%.

Klasyczna metoda siarczynowa polegała na warzeniu drewna w wodnym roztworze

wodorosiarczynu wapniowego Ca(HSO

)

i kwasu siarkawego H

. W nowoczesnych

technologiach w miejsce wodorosiarczynu wapniowego stosuje się wodorosiarczyn
magnezowy, amonowy lub sodowy. [7, s. 134]

Pomimo nieprzydatności metody siarczynowej do przerobu drewna sosnowego, posiada

ona niezaprzeczalne zalety:

−

uzyskiwanie jasnej barwy mas celulozowych, które można stosować w stanie nie
bielonym do wyrobu niskogatunkowych papierów drukowych (gazetowych),

−

nieskomplikowana technologia wytwarzania mas o wysokiej jakości, przeznaczonych do
przerobu chemicznego,

−

dobra mielność mas siarczynowych i przydatność do wyrobu papierów pergaminowych,

−

możliwość wykorzystania cukrów zawartych w ługach posiarczynowych do przerobu na
wartościowe produkty uboczne (alkohol, drożdże).
Schemat produkcji mas celulozowych metoda siarczynowa jest zbliżony do schematu

produkcji  mas  siarczanowych.  Różnice  między  nimi  dotyczą  składu  i  sposobu  wykorzystania
roztworu  warzelnego,  sposobu  wykorzystania  ługów  powarzelnych,  sposobu  rozwłókniania
masy  przed  myciem  i  sortowaniem  oraz  technicznych  i  technologicznych  szczegółów etapów
produkcyjnych.

Podstawowym surowcem tradycyjnych celulozowni siarczynowych jest drewno

świerkowe i jodłowe. Drewno liściaste stosuje się w niewielkim tylko zakresie. Drewno
sosnowe jest nieprzydatne do przerobu klasyczną metodą siarczynową wskutek dużej
zawartości żywicy i obecności polifenoli skłonnych do kondensacji z ligniną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W procesie siarczynowym chemikalia roztwarzające dozuje się do warnika w ilościach

znacznie  większych  niż  wynika  to  z  bilansu  reakcji  chemicznych.  Pozwala  to  przyspieszyć
impregnację  i  roztwarzanie  zrębków.  Masy  papiernicze  normalne  roztwarza  się  zazwyczaj
w  temperaturze  135±3

C, masy pergaminowe w temperaturze mniejszej o ok. 10

C, a masy

wiskozowe w temperaturze większej o ok. 10

C. [7, s. 146]

Przerób mas włóknistych na papier

Podstawowy materiał do wytwarzania wytworów papierniczych stanowią roślinne

półprodukty włókniste. Do podstawowych rodzajów mas włóknistych w chemicznym
przerobie drewna zalicza się:

−

masy celulozowe,

−

masy wysokowydajne,

−

masy półchemiczne.
Masy celulozowe siarczynowe stosuje się do wytwarzania papieru gazetowego, papierów

pakowych, drukowych, do pisania, wyrobu kartonów, bibuł, tektur, papierów mapowych,
rysunkowych, podkładów papierów fotograficznych.

Masy celulozowe siarczanowe stosowane są w produkcji papierów workowych,

pakowych, papierów i kartonów elektroizolacyjnych i technicznych, bibułki kondensatorowej,
mocnych papierów pakowych, kartonu dwuwarstwowego.

Masy wysokowydajne mogą zastępować w znacznym stopniu nie bielone masy

celulozowe. Są stosowane w produkcji papieru gazetowego, a także gorszej jakości papierów
drukowych i pakowych, jak również wytwarzania kartonu oraz do produkcji tektur.

Masy półchemiczne stanowią półprodukt papierniczy nieco gorszy od mas celulozowych.

Są stosowane w produkcji kartonu na warstwę sfalowaną w tekturze falistej, tektury
dachowej, grubych papierów pakowych, różnych kartonów i tektur.

Rys. 5. Schemat procesu przerobu mas włóknistych na papier

W zależności od postaci, w jakiej dostarczane są półprodukty włókniste do papierni

i zawartości zanieczyszczeń oraz wymaganej czystości masy, przygotowanie tych
półproduktów odbywa się w odpowiednio zróżnicowanych liniach technologicznych.

Przygotowanie półproduktów włóknistych

Mielenie półproduktów włóknistych

Przygotowanie masy papierniczej

Formowanie wstęgi papierniczej

Prasowanie wstęgi papierniczej

Suszenie wstęgi papierniczej

Wykończanie i uszlachetnianie papieru

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przygotowanie półproduktów włóknistych składa się z następujących operacji

technologicznych:

−

rozczyniania,

−

rozwłókniania,

−

oczyszczania,

−

sortowania,

−

zagęszczania.
W celu zwiększenia przydatności półproduktów włóknistych do wytwarzania papieru

konieczna  jest  odpowiednia  obróbka  tych  półproduktów,  zwana  mieleniem.  Polega  ona  na
mechanicznej  obróbce  produktów  włóknistych  w  środowisku  wodnym.  Współdziałanie
obróbki  mechanicznej  z  fizykochemicznym  oddziaływaniem  wody  modyfikuje  strukturę
włókien,  powodując  zwiększenie  giętkości  i  plastyczności  włókien  oraz  skracanie
i różnicowanie ich wymiarów.

Kolejnym etapem produkcji papieru jest przygotowanie masy papierniczej. Obejmuje ono

następujące operacje technologiczne:

−

dozowanie i mieszanie składników,

−

egalizowanie masy papierniczej,

−

dozowanie i rozcieńczanie masy papierniczej,

−

oczyszczanie masy papierniczej,

−

odpowietrzanie masy papierniczej,

−

sortowanie masy papierniczej.
Otrzymywanie wstęgi papieru z zawiesiny masy papierniczej nazywa się konsolidacją

wstęgi  papierniczej.  Proces  ten  polega  na  odwodnieniu  zawiesiny  masy  papierniczej  oraz
scaleniu  włókien  i  frakcji  drobnej  we  wstęgę  papierniczą.  Po  sformatowaniu  i  częściowym
odwodnieniu  wstęgę  papierniczą  kieruje  się  do części prasowej  maszyny papierniczej,  między
dwa  wałki  prasy.  W  procesie  tym  struktura  wstęgi  ulega  zagęszczeniu  i  wyrównaniu  jak
również następuje wyrównanie i wygładzenie powierzchni wstęgi.

Sformowaną i częściowo odwodnioną wstęgę papierniczą o suchości 25-45% przekazuje

się  z  części  prasowej  do  części  suszącej  maszyny  papierniczej.  W  wyniku  procesów
fizykochemicznych  zachodzących  w  części  suszącej  maszyny  następuje  ostateczne
ukształtowanie  i  utrwalenie  struktury  wytworu  oraz  rozwinięcie  jego  właściwości
użytkowych. [4, s. 213]

Ostatnim etapem wytwarzania papieru jest jego wykończanie. Do operacji

wykończających zalicza się:

−

kalandrowanie (nadanie wstędze papieru gładkości, zwartości i połysku),

−

wzdłużne cięcie wstęgi papieru,

−

cięcie wstęgi papieru na arkusze,

−

sortowanie papieru,

−

pakowanie papieru,

−

przechowywanie papieru. [4, s. 253]

Klasyfikacja i właściwości wytworów papierniczych

Wytwór papierniczy jest tworzywem otrzymywanym we wstęgach lub arkuszach

z odpowiednio przygotowanych, uformowanych, odwodnionych i wysuszonych włókien
roślinnych, z ewentualnym dodatkiem wypełniaczy, środków zaklejających, barwników oraz
innych pomocniczych środków chemicznych. [4, s. 16]

Wytwory papiernicze, zależnie od ich gramatury, dzieli się na:

−

papier: wytwór papierniczy o gramaturze do 250 g/m

−

tekturę: wytwór papierniczy o gramaturze powyżej 250 g/m

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ponadto stosuje się bardziej szczegółowy podział zależny od gramatury:

−

do 28 g/m

– bibułki,

−

od 28 do 160 g/m

– papiery,

−

od 160 do 315 g/m

– kartony,

−

powyżej 315 g/m

– tektury,

−

65-250 g/m

– bibuły (nazwa stosowana dla wyrobów chłonnych). [4, s. 16]

Wytwory papiernicze dzielą się na grupy, rodzaje, odmiany, klasy i gatunki. Grupa

określa przeznaczenie użytkowe wytworu. W Polsce rozróżnia się 16 grup wytworów:

−

papiery drukowe,

−

papiery do maszyn biurowych i urządzeń powielających,

−

papiery do pisania,

−

papiery kreślarsko-rysunkowe,

−

papiery pakowe,

−

papiery na opakowania,

−

papiery okładkowe,

−

papiery przemysłowe i techniczne różne,

−

papiery elektrotechniczne,

−

papiery podłożowe do powlekania i nasycania,

−

papiery dla przemysłu tytoniowego,

−

papiery chłonne,

−

papiery higieniczne,

−

tektury na opakowania,

−

tektury introligatorskie,

−

tektury przemysłowe i techniczne. [4, s. 17]
Rodzaj określa główny cel użytkowy wytworu należącego do określonej grupy, np.

w grupie papierów drukowych wyróżnia się papiery gazetowe, ilustracyjne, afiszowe,
mapowe, wartościowe, biblijne.

Odmiana to dodatkowa charakterystyka uwzględniająca szczegółowe przeznaczenie

wytworów, gramaturę, stan powierzchni, barwę i format.

Z kolei klasa oznacza stosunek procentowy głównych grup półproduktów włóknistych

użytych do produkcji danego papieru.

Gatunek charakteryzuje jakość danego wytworu na podstawie porównania niektórych

jego właściwości z wymaganiami zawartymi w normach.

Wytwory papiernicze charakteryzują się szeroką skalą właściwości strukturalnych,

mechanicznych,

optycznych,

ochronnych,

chemicznych

oraz

specjalnych.

Poniżej

przedstawiono najważniejsze właściwości wytworów papierniczych.

Tabela 1. Właściwości wytworów papierniczych [4, s. 18]

Grupa właściwości

Właściwość

Strukturalno-wymiarowe

masa jednostkowa
grubość
gęstość
porowatość
pulchność
gładkość
przezrocze
spoistość powierzchni
dwustronność
anizotropia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wytrzymałościowe

obciążenie zrywające
samozerwalność
rozciągliwość
odporność na przepuklinie
odporność na przedarcie
odporność na naderwanie
odporność na zginanie
odporność na łamanie
twardość
ściśliwość
sztywność
miękkość
odporność na skręcanie
odporność na rozwarstwianie się

Optyczne

białość
połysk
nieprzezroczystość
przezroczystość
barwa

Hydrofobowe i hydrofilowe

chłonność wody
stateczność wymiarowa
skłonność do falowania
stopień zaklejenia
wodotrwałość

Ochronne

przenikalność powietrza
przenikalność pary wodnej
przepuszczalność wody
przepuszczalność tłuszczów

Dielektryczne

przenikalność elektryczna
wytrzymałość dielektryczna
stratność dielektryczna
przewodnictwo dielektryczne wyciągu wodnego
zawartość cząstek przewodzących prąd

Chemiczne

zawartość celulozy
lepkość
liczba miedziowa
odczyn wyciągu wodnego
zawartość popiołu
zawartość substancji nieorganicznych
zawartość substancji organicznych

Specjalne

odporność na starzenie
odporność na wysoką temperaturę
ognioodporność
odporność na ścieranie
skłonność do pylenia
drukowność

Szczegółowy opis poszczególnych grup właściwości znajdziesz w literaturze wykazanej

w rozdziale 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co znaczy pojęcie: roztwarzanie drewna?
2.  Jakie znasz metody roztwarzania drewna?
3.  Jak scharakteryzować chemiczną metodę roztwarzania drewna?
4.  Jakie znasz czynniki charakterystyczne w siarczanowej metodzie roztwarzania drewna?
5.  Czym różni się od metody siarczanowej metoda siarczynowa wytwarzania mas

celulozowych?

6.  Z jakich etapów składa się proces przerobu mas włóknistych na papier?
7.  Jakie są sposzczególne etapy produkcji papieru?
8.  Według jakich kryteriów klasyfikuje się wytwory papiernicze?
9.  Jak określić właściwości wytworów papierniczych według grup właściwości?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj siarczanową metodę roztwarzania drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  odszukać informacje w literaturze dotyczące siarczanowej metody roztwarzania drewna,
2)  scharakteryzować roztwarzanie drewna metodą siarczanową,
3)  przedstawić powyższe w formie opisowej z wykorzystaniem rysunków,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę formatu A4,
–  ołówek/długopis,
–  przymiar liniowy,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj wytwarzanie mas celulozowych metodą siarczynową.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) odszukać informacje w literaturze dotyczące siarczynowej metody wytwarzania mas

celulozowych,

2)  scharakteryzować wytwarzanie mas celulozowych metodą siarczynową,
3)  przedstawić powyższe w formie opisowej z wykorzystaniem rysunków,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę formatu A4,
–  ołówek/długopis,
–  przymiar liniowy,
–  literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Określ etapy i scharakteryzuj proces przerobu mas włóknistych na papier.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  odszukać w literaturze informacje na temat przerobu mas włóknistych na papier,
2)  przedstawić schemat procesu przerobu mas włóknistych na papier,
3)  scharakteryzować poszczególne etapy procesu przerobu mas włóknistych na papier,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę formatu A4,
–  ołówek/długopis,
–  przymiar liniowy,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Przedstaw klasyfikację oraz właściwości wytworów papierniczych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) odszukać w literaturze informacje na temat klasyfikacji i właściwości wytworów

papierniczych,

2)  sklasyfikować wytwory papiernicze w zależności od ich gramatury,
3)  określić grupy wytworów papierniczych w Polsce,
4)  scharakteryzować podział na rodzaje, odmiany, klasy i gatunki,
5)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
6)  zestawić  w  formie  tabelarycznej  właściwości  wytworów  papierniczych  według  grup

właściwości,

7) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę formatu A4,
–  ołówek/długopis,
–  przymiar liniowy,
–  literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) określić wyjaśnić pojęcie roztwarzania drewna?

2) określić metody roztwarzania drewna?

3) scharakteryzować chemiczną metodę roztwarzania drewna?

4) określić czynniki charakterystyczne w siarczanowej metodzie

roztwarzania drewna?

5) przedstawić różnicę między metodą siarczanową i siarczynową

produkcji mas celulozowych?

6) określić etapy procesu przerobu mas włóknistych na papier?

7) scharakteryzować poszczególne etapy produkcji papieru?

8) sklasyfikować wytwory papiernicze?

9) określić właściwości wytworów papierniczych według grup właściwości? ¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Rozkładowa destylacja i hydroliza drewna

4.3.1. Materiał nauczania

Termiczny rozkład drewna

Termiczny rozkład drewna może przebiegać w warunkach pełnego lub częściowego

dostępu tlenu atmosferycznego. Może odbywać się również w warunkach beztlenowych.

Proces, w którym drewno poddaje się działaniu energii cieplnej przy ograniczonym

dostępie  powietrza  jest  tzw.  suchą  destylacją.  Termiczny  rozkład  drewna  w  warunkach,
w  których  zapewniony  jest  dostęp  tlenu,  określa  się  jako  palenie  drewna,  natomiast
w  warunkach  beztlenowych  jako  termolizę.  Oba  procesy  różnią  się  znacznie  od  siebie,  jak
również dają w rezultacie zupełnie inne produkty rozkładu.

Palenie się drewna następuje przy pełnym dostępie powietrza, jednak uzależnione jest

również od takich czynników jak wilgotność drewna, zawartość w nim substancji żywicznych
i tłuszczowych, jak również rozdrobnienie drewna. Produktami spalania drewna przy pełnym
dostępie tlenu są: dwutlenek węgla, para wodna i popiół, stanowiący mieszaninę takich
tlenków jak tlenek potasu, tlenek sodu, tlenek krzemionki itp.

Przez rozkładową destylację drewna, często również określaną mianem termolizy lub

pirolizy, rozumie się rozkład drewna pod wpływem wysokiej temperatury przy ograniczonym
dostępie tlenu lub przy całkowitym jego odcięciu. [5, s. 116]

Ilość i jakość produktów uzyskiwanych podczas termolizy drewna zależy od takich

czynników jak gatunek drewna, stopień jego zagrzybienia, jego wilgotności oraz temperatury
i szybkości prowadzenia samego procesu termolizy.

Wyróżnia się kilka faz termicznego rozkładu drewna, które obrazuje tabela 2.

Tabela 2. Przebieg termolizy drewna [5, s. 117]

Faza procesu

Temperatura

[

Tworzące się substancje

do 170

Następuje  proces  suszenia  drewna.  W  przypadku,  gdy  termolicie  poddawane
jest  drewno  drzew  gatunków  iglastych,  oprócz  wody  wydzielają  się  również
terpeny  (składniki  olejku  terpentynowego)  oraz  kwasy  żywiczne  (będące
składnikami kalafonii).

Endotermiczna

170-270

Terpentyny ulegają zmianom termicznym, w wyniku czego powstają związki
chemiczne zwane pirogenami, wydzielają się również gazy w postaci CO

i CO

oraz małe ilości substancji ciekłych, takich jak kwas octowy i metanol.
W niewielkich ilościach zaczyna wydzielać się smoła drzewna.

270-280

Następuje  częściowy rozkład węglowodanów drewna, takich jak hemicelulozy
i  celuloza.  Powoduje  to  tworzenie  się  węgla  drzewnego  oraz  pewnych  ilości
kwasu  octowego  i  smoły.  Wzrost  temperatury  do  380

C powoduje rozkład

termiczny ligniny, w związku z czym wzrasta ilość wydzielającego się
metanolu i smoły drzewnej. W tym czasie następuje zmniejszenie wydzielania
się takich gazów jak CO

i CO, a zwiększa się wydzielanie metanu i wodoru.

Egzotermiczna

400-700

Następuje tworzenie się substancji o charakterze węglowodorowym oraz mają
miejsce wtórne reakcje polimeryzacji i kondensacji, w rezultacie czego wzrasta
ilość tzw. karbenów.

W metodach technicznych zwęglania drewna do najstarszych urządzeń należą mielerze,

pracujące  z  wydajnością  23-27%  wagowych  węgla  drzewnego,  co  odpowiada  45-70%
objętościowym  w  przeliczeniu  na  wyjściowe  drewno.  Mielerze  przenośne  zaopatrzone
w  urządzenia  chłodnicze  umożliwiają  pozyskiwanie  poza  węglem  drzewnym  również
produktów ciekłych. [3, s. 428]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Nowoczesne zakłady proces termicznego rozkładu drewna prowadzą w żelaznych

retortach  ogrzewanych  z  zewnątrz.  W  użyciu  są  dwa  typy  retort:  leżące  i  stojące.  Do
destylacji  drewna  iglastego  stosuje  się  również  specjalne  retorty  Pritscharda,  mające  płaszcz
wypełniony  olejem.  Olej  ten  krążąc  przez  podgrzewacz,  ogrzewa  retortę  do  danej,  dowolnej
temperatury.

Innym rozwiązaniem jest urządzenie Lambiotta, które umożliwia ciągłą destylację

rozkładową  drewna.  Wykorzystuje  się  w  nim  prawie  całkowicie  ciepło  węgla  drzewnego
opuszczającego  retortę. Ciepło to zużytkowuje się na podgrzewanie gazów oddających swoje
ciepło  drewnu.  Systemem  ciągłym  pracują  również  piece  tunelowe  Smolnikowa,  Gröndala,
Kozłowa i innych.

Najważniejszym produktem rozkładowej destylacji drewna jest węgiel drzewny.

Najlepszy  węgiel  mielerzowy  zawiera  do  90%  węgla.  Dzięki  zdolnościom  adsorpcyjnym
odgrywa  on  poważną  rolę  w  wielu  gałęziach  przemysłu  chemicznego.  W  handlu  znajduje  się
węgiel w trzech podstawowych rodzajach:
–  węgiel generatorowy, zawierający 10-20% części lotnych,
–  węgiel żarzony, zawierający do 4% części lotnych, otrzymywany z węgla generatorowego

przez żarzenie w temperaturze 750-850

– węgiel aktywowany, występujący w różnych granulacjach i o różnych właściwościach;

otrzymuje się go z węgla żarzonego przez aktywację w specjalnych piecach za pomocą
np. pary wodnej.

Określenie podstawowych właściwości użytkowych węgla drzewnego wykonuje się

w  warunkach  laboratoryjnych,  przeprowadzając  tzw.  analizę  techniczną  węgla  drzewnego.
W wyniku tej analizy wykonuje się:
–  oznaczanie zawartości wilgoci w węglu drzewnym,
–  oznaczanie popiołu w węglu drzewnym metodą powolnego spopielania,
–  oznaczanie zawartości części lotnych,
–  oznaczanie masy nasypowej próbki ziarnowej i pylistej,
–  oznaczanie sumarycznej objętości porów (nasiąkliwość wodna),
–  oznaczanie sumarycznego efektu cieplnego.

Określenie właściwości użytkowych drzewnego węgla aktywnego przeprowadzane

również w warunkach laboratoryjnych obejmuje następujące tematy:
–  oznaczanie zawartości wilgoci w drzewnym węglu aktywnym,
–  oznaczanie popiołu w drzewnym węglu aktywnym metodą powolnego spopielania,
–  oznaczanie masy nasypowej próbki ziarnowej i pylistej,
–  określanie sumarycznej objętości porów (nasiąkliwość wodna),
–  określanie sumarycznego efektu cieplnego w odniesieniu do adsorpcji acetonu i metanolu,
–  określanie  granicznej  pojemności  adsorpcyjnej  węgla  aktywnego  w  odniesieniu  do

czterochlorku węgla metodą eksykatorową,

– określanie zdolności odbarwiających węgla aktywnego w odniesieniu do błękitu

metylenowego (liczba metylenowa),

– określanie zdolności chłonnych węgla aktywnego w odniesieniu do jodu.

Szczegółowe zasady przeprowadzenia ćwiczeń laboratoryjnych z zakresu analizy

technicznej węgla drzewnego i drzewnego ziarnowego węgla aktywnego oraz niezbędne
wyposażenie do ich wykonania znajdziesz w literaturze pod pozycją [1].

Węgiel drzewny znajduje zastosowanie jako materiał opałowy, węgiel generatorowy

w generatorach, węgiel aktywowany (adsorpcja gazów, odbarwianie, oczyszczanie wód,
w medycynie), w przemyśle metalurgicznym, w przemyśle chemicznym (do produkcji CS

cjanków, węglików), w rolnictwie jako domieszka do pasz oraz w gospodarstwie domowym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Głównymi składnikami gazu pozyskanego w procesie termicznego rozkładu drewna są:

(45-55%), CO (28-35%), CH

(3,5-10%), H

(1-5%), C

(około 2%). Gaz zużywa się

do ogrzewania retort, a nadmiar może być stosowany do innych celów grzewczych.

Duże zużycie energii cieplnej na rozdział frakcji wodnej w stosowanych dotychczas

urządzeniach  wpływa  ujemnie  na  całość  bilansu  ekonomicznego  przemysłu  suchej  destylacji
drewna.  Do  destylatów  ciekłych  zalicza  się  kwas  octowy,  metanol  oraz  smołę  osadową
i  rozpuszczalną.  Podczas  destylacji  smoły  osadowej  otrzymuje  się  oleje  lekkie,  ciężkie  i  pak.
Oleje  lekkie  mają  zastosowanie  jako  materiał  pędny,  z  olejów  ciężkich  wyodrębnia  się
gwajakol  i  kreozot,  znajdujące  zastosowanie  w  przemyśle  farmaceutycznym.  Z  kolei  smoła
rozpuszczalna znajduje zastosowanie jako lepiszcze brykietów z miału węglowego.

Tabela 3. Produkty termolizy drewna [5, s. 117]

Wydajność [%]

Substancje

brzoza

buk

sosna

Węgiel drzewny

31,8

34,9

37,8

9,9

10,9

10,1

3,3

4,2

3,7

0,5

0,4

0,2

Gazy

inne węglowodory

0,2

0,6

Kwas octowy CH

COOH

7,1

6,0

3,5

Metanol CH

1,6

2,1

0,9

Aceton CH

COCH

0,2

Smoła rozpuszczalna w kwasie octowym

8,1

5,9

8,0

Smoła osadowa

7,9

8,1

11,8

Woda

27,8

26,6

22,3

Hydroliza drewna

Hydroliza drewna polega na działaniu na odpady drzewne, najczęściej w postaci trocin,

stężonym lub rozcieńczonym kwasem siarkowym. Następuje wówczas rozkład substancji
węglowodanowych drewna takich jak hemicelulozy i celuloza. [5, s. 118]

Różnica między metodami rozcieńczonych i stężonych kwasów polega nie tylko na

stężeniu  stosowanych  kwasów,  ale  również  na  warunkach  hydrolizy.  Rozcieńczone  kwasy
stosuje  się  działając  nimi  na  drewno  w  podwyższonych  temperaturach  i  podwyższonym
ciśnieniu. Hydrolizę  drewna  stężonymi  kwasami  przeprowadza  się w temperaturze pokojowej
i pod normalnym ciśnieniem. [3, s. 412]

Wyróżnia się sześć metod hydrolizy drewna rozcieńczonymi kwasami:

– metoda Schollera: można w niej przerabiać różnego rodzaju odpady drzewne leśne

i przemysłowe; metoda ta nie stawia żadnych wymagań co do rodzaju drewna, jego
właściwości i wilgotności; polega na działaniu na rozdrobnione drewno 0,4% H

pod

ciśnieniem 8 atmosfer w temperaturze od 140 do 185

C; cukry powstałe przez hydrolizę

drewna są usuwane z przestrzeni reakcyjnej, co pozwala uniknąć rozkładającego działania
kwasu i temperatury;

– metoda Szarkowa: polega na zraszaniu 0,5-1% roztworem kwasu siarkowego

rozdrobnionego i podgrzanego do temperatury 180

C drewna; podczas całego procesu

temperatura oraz stężenie zraszającego kwasu nie ulegają zmianie; dopływ kwasu
i odpływ hydrolizatu odbywa się w sposób ciągły;

– metoda fińska Ant-Vuorinena: jest metoda wielostopniową, w której stosuje się kwas

siarkawy;  ponieważ  w  trakcie  hydrolizy  kwas  siarkawy  ulega  w  znacznym  stopniu
przemianie  na  kwas  siarkowy,  przyspiesza  to  przebieg  hydrolizy  i  rozkład  celulozy;
w  metodzie  tej  zrębki  w  hydrolizerach  zalewa  się  wodą  i  podgrzewa  do  temperatury

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

150

C, po czym hydrolizujący roztwór usuwa się z hydrolizera, wprowadzając SO

; takich

stopni hydrolizy jest 6 do 8, przy czym w końcowej fazie danego stopnia temperatura
zwiększana jest do 180

– metoda Fouque: jest odmianą procesu perkolacyjnego (Szarkowa), przy czym do

perkolatorów razem z rozcieńczonym kwasem siarkowym wprowadza się CO

jako

antyutleniacz zapobiegający rozkładowi cukrów;

– metoda „Madison”: w przeciwieństwie do metody Schollera jest metodą perkolacji

ciągłej, co powoduje skrócenie czasu hydrolizy z 15-18 do 3,5-4 godzin; stężenie
stosowanego H

wynosi 0,5-0,6%; hydrolizę rozpoczyna się w temperaturze 150

(scukrzenie hemiceluloz), a kończy w temperaturze 185

C (scukrzenie celulozy); stosunek

ilości drewna do kwasu wynosi 1:3 (w metodzie Schollera 1:10), czego efektem jest
większe stężenie cukrów w hydrolizacie;

– metoda TVA: jest modyfikacją metody „Madison”; celem tej metody jest uzyskanie

syropów paszowych; różnica polega na regulacji dopływu kwasu do hydrolizera za
pomocą zaworu ciśnieniowego, który utrzymuje ciśnienie odpowiadające temperaturze
reakcji 180

C; po zagęszczeniu hydrolizatu opuszczającego aparat do 40% syrop używany

jest jako pasza.

Do metod hydrolizy drewna stężonymi kwasami należą:

– metoda Bergiusa: w przeciwieństwie do metod scukrzających drewno rozcieńczonymi

kwasami  metoda  ta  wymaga  surowca  podsuszonego,  zawierającego  najwyżej  5%  wody;
nie  nadają  się  tu  bardzo  drobne  trociny  i  pył  drzewny,  ponieważ  silnie  pęcznieją
i  utrudniają  proces  scukrzania;  wyługowane  i  podsuszone  zrębki  wprowadza  się  do
dyfuzora,  kwas  solny  o  stężeniu  3%  wprowadza  się  z  góry  dyfuzora;  temperatura
scukrzania waha się w granicach 25-37

– metoda Rheinau-Holzchemie: jest modyfikacja metody Bergiusa polegającą na tym, że

hydrolizę wstępną, główną jak i przemywanie pozostałej ligniny dokonuje sie w jednym
układzie; drewno poddawane jest ciągłemu działaniu kwasu w przeciwprądzie;

– metoda Herenga: jest również modyfikacją klasycznej metody Bergiusa polegającą na

hydrolizie drewna HCl; w tym przypadku na drewno nasycone kwasem solnym działa się
w przeciwprądzie gazowym HCl, co powoduje wzrost stężenia kwasu regulującego;

– metoda Szarkowa i Nikołajewej: polega na działaniu na drewno bezwodnym

fluorowodorem; drewno w tej metodzie może zawierać najwyżej 2% wody;

– metoda Giordani i Leone: w metodzie tej proces składa się z dwóch części: wstępnej

hydrolizy rozcieńczonym kwasem siarkowym (0,1-1%) i właściwej hydrolizy stężonym
kwasem siarkowym (78%); hydroliza wstępna przebiega w temperaturze 150

a hydroliza właściwa w temperaturze pokojowej;

– metoda ryska: polega na scukrzaniu drewna kwasem siarkowym o stężeniu 75-76%;

zależnie od stopnia rozdrobnienia surowca jak i jego rodzaju w metodzie tej stosuje się
moduł kwasu 1,5 do 0,3; oznacza to, że na 1 część wagową trocin dozuje się 1,5 do 0,3
części wagowych kwasu.

Hydrolizat uzyskany w wyniku scukrzania drewna można dalej przerabiać w celu

otrzymania  takich  produktów  jak  etanol,  furfurol,  drożdże,  glikozę  krystaliczną,  ksylozę
krystaliczną,  kwasy  organiczne  lub  alkohole  wielowodorotlenowe.  Są  one  surowcem
wyjściowym  dla  syntezy  wielu  związków  chemicznych,  m.in.  znajdują  zastosowanie
w oczyszczaniu  olejów  mineralnych,  tłuszczów  zwierzęcych  i  roślinnych,  służą  do  produkcji
mas plastycznych, sztucznego włókna i preparatów farmaceutycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co oznacza pojęcie termicznego rozkładu drewna?
2.  Jakie znasz fazy procesu termolizy drewna?
3.  Jak  nazywamy  substancje  tworzące  się  w  poszczególnych  fazach  procesu  termolizy

drewna?

4.  Jakie znasz rodzaje węgla drzewnego?
5.  Gdzie znajduje zastosowanie węgiel drzewny?
6.  Jakie znasz produkty termolizy drewna?
7.  Jakie oznaczenia wykonuje się w trakcie analizy technicznej węgla drzewnego?
8.  Jakie  oznaczenia  wykonuje  się  w  trakcie  analizy  technicznej  drzewnego  węgla

aktywnego?

9. Jakie są metody hydrolizy drewna?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj termiczny rozkład drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą dotyczącą termicznego rozkładu drewna,
2)  scharakteryzować proces termicznego rozkładu drewna,
3)  określić tworzące się substancje w poszczególnych fazach procesu,
4)  określić i scharakteryzować produkty termolizy drewna,
5)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
6)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru formatu A-4,
–  ołówek/długopis,
–  linijka,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Przeprowadź analizę techniczną wybranych właściwości węgla drzewnego w warunkach

laboratoryjnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą dotyczącą analizy technicznej węgla drzewnego,
2)  przygotować niezbędny sprzęt,
3)  przeprowadzić oznaczenie:

–

zawartości wilgoci w węglu drzewnym,

–

popiołu w węglu drzewnym metodą powolnego spopielania,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

zawartości części lotnych,

–

masy nasypowej próbki ziarnowej i pylistej,

–

sumarycznej objętości porów (nasiąkliwość wodna),

–

oznaczanie sumarycznego efektu cieplnego,

4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  próbki węgla drzewnego,
–  naczynie wagowe,
–  eksykator,
–  waga analityczna,
–  tygle porcelanowe,
–  szczypce laboratoryjne,
–  płytka ceramiczna,
–  rękawice termoochronne,
–  moździerz porcelanowy,
–  sito,
–  kolba stożkowa,
–  kalkulator,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Przeprowadź analizę techniczną wybranych właściwości drzewnego węgla aktywnego

w warunkach laboratoryjnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą dotyczącą analizy technicznej drzewnego węgla aktywnego,
2)  przygotować niezbędny sprzęt i odczynniki,
3)  przeprowadzić oznaczenie i określenie:

–  zawartości wilgoci w drzewnym węglu aktywnym,
–  popiołu w drzewnym węglu aktywnym metodą powolnego spopielania,
–  masy nasypowej próbki ziarnowej i pylistej,
–  sumarycznej objętości porów (nasiąkliwość wodna),
–  sumarycznego efektu cieplnego w odniesieniu do adsorpcji acetonu i metanolu,
–  granicznej  pojemności  adsorpcyjnej  węgla  aktywnego  w  odniesieniu  do

czterochlorku węgla metodą eksykatorową,

– zdolności

odbarwiających

węgla

aktywnego

odniesieniu

błękitu

metylenowego (liczba metylenowa),

– zdolności chłonnych węgla aktywnego w odniesieniu do jodu.

4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  próbki węgla drzewnego,
–  naczynie wagowe,
–  eksykator,
–  suszarka,
–  waga analityczna,
–  tygle porcelanowe,
–  piec muflowy elektryczny,
–  szczypce laboratoryjne,
–  płytka ceramiczna,
–  cylinder szklany o pojemności 100 cm

– termometr o zakresie 50

–  rękawice termoochronne,
–  moździerz porcelanowy,
–  sito,
–  kolba stożkowa,
–  czterochlorek węgla,
–  aceton,
–  błękit metylenowy,
–  jod w jodku potasu,
–  tiosiarczan sodu,
–  skrobia rozpuszczalna,
–  kalkulator,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Scharakteryzuj hydrolizę drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat hydrolizy drewna,
2)  określić i scharakteryzować metody hydrolizy drewna kwasami rozcieńczonymi,
3)  określić i scharakteryzować metody hydrolizy drewna kwasami stężonymi,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru formatu A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wyjaśnić pojęcie termicznego rozkładu drewna?

2) określić fazy procesu termolizy drewna?

3) określić substancje tworzące się w poszczególnych fazach procesu

termolizy drewna?

4) określić rodzaje węgla drzewnego?

5) wskazać zastosowanie węgla drzewnego?

6) określić produkty termolizy drewna?

7) wyszczególnić oznaczenia wykonywane w trakcie analizy technicznej

węgla drzewnego?

8) wyszczególnić oznaczenia wykonywane w trakcie analizy technicznej

drzewnego węgla aktywnego?

9) scharakteryzować metody hydrolizy drewna?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Wytwarzanie produktów z ubocznych składników drewna

4.4.1. Materiał nauczania

Poza celulozą, ligniną i hemicelulozami drewno zawiera również wiele składników tzw.

ubocznych. Przez  składniki  uboczne  drewna  rozumie się zarówno różnego rodzaju substancje
ekstrakcyjne,  jak  i  substancje  mineralne  występujące  w  drewnie.  Większość  z  substancji
ubocznych  można  usunąć  z  drewna  za  pomocą  obojętnych  rozpuszczalników  i  dlatego
nazywa  się  je  substancjami  ekstrakcyjnymi.  Charakter  chemiczny  tych  substancji  jest
zróżnicowany.  Należą  do  nich  olejki  eteryczne,  żywice,  woski,  kwasy  tłuszczowe,  tłuszcze,
garbniki, barwniki, białka, alkaloidy, glikozydy i sole mineralne.

Substancje żywiczne, tłuszczowe, woski oraz większość związków fenolowych daje się

ekstrahować  za  pomocą  rozpuszczalników  organicznych,  natomiast  w  wodzie  rozpuszczalne
są  stosunkowo  niewielkie  ilości  substancji  pektynowych,  skrobia,  gumy  roślinne,  kwasy
organiczne  oraz  garbniki  i  barwniki.  Najważniejszymi  składnikami  substancji  ekstrakcyjnych
drewna są terpeny oraz nielotne kwasy żywiczne, kwasy tłuszczowe oraz estry tych kwasów.

Obecnie znane i wykorzystywane przemysłowo są trzy sposoby wyrobu produktów

żywicznych:
–  destylacja żywicy balsamicznej,
–  ekstrakcja karpiny sosnowej,
–  przerób  oleju  talowego  powstającego  podczas  otrzymywania  masy  celulozowej  metodą

siarczanową.

Sosnowa żywica balsamiczna jest to naturalny wyciek z drzew sosny zwyczajnej,

stanowiący mieszaninę kalafonii, terpentyny, pewnej ilości zanieczyszczeń oraz wody
z opadów atmosferycznych.

Przerób żywicy balsamicznej polega na oddzieleniu zanieczyszczeń i rozdzieleniu

terpentyny od kalafonii. Często wyodrębnia się jeszcze frakcję pośrednią między terpentyną
i kalafonią, nazywaną jako olej flotacyjny. Zanieczyszczenia dzielimy na:
– nie związane z technologią pozyskiwania surowca (substancje dodane do żywicy, np. sól,

piasek kamienie, wapno, barwniki),

– związane z techniką żywicowania (substancje przypadkowo przenikające do surowca

podczas jego pozyskiwania, np. kora, igliwie, liście, nasiona, owady).

Badanie właściwości technologicznych sosnowej żywicy balsamicznej obejmuje:

–  oznaczanie zanieczyszczeń nie związanych z techniką pozyskiwania żywicy,
–  oznaczanie zanieczyszczeń związanych z techniką pozyskiwania żywicy,
–  oznaczanie zawartości wody zmieszanej.

Analiza techniczna kalafonii balsamicznej obejmuje:

–  oznaczanie zawartości popiołu,
–  oznaczanie temperatury mięknienia,
–  oznaczanie liczby kwasowej,
–  oznaczanie stopnia krystalizacji,
–  oznaczanie liczby zmydlania.

Analiza techniczna terpentyny i sosnowego oleju flotacyjnego obejmuje:

–  oznaczanie gęstości terpentyny metodą wypornościową,
–  oznaczanie współczynnika załamania światła,
–  oznaczanie liczby kwasowej,
–  oznaczanie pozostałości po odparowaniu,
–  destylację normalną terpentyny.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Szczegółowe zasady przeprowadzenia ćwiczeń laboratoryjnych z zakresu badania żywicy

balsamicznej i analizy technicznej kalafonii i terpentyny oraz niezbędne wyposażenie do ich
wykonania znajdziesz w literaturze pod pozycją [1].

Podstawowym procesem przetwarzania żywicy jest destylacja. W procesie produkcyjnym

żywica  transportowana  jest  ze  schronu  ślimakiem  mechanicznym  do  topnika,  gdzie  ulega
stopieniu  i  dodaje  się  wówczas  terpentyny.  Następnie  przepuszcza  się  ją  przez  filtry  do
odstojnika,  gdzie  podlega  procesowi  odstawania,  po  czym  podawana  jest  do  kolumny
destylacyjnej.  Substancje  lotne  przez  chłodnicę  oraz  skraplacz  przedostają  się  do  flaszy
florentyńskiej,  gdzie olejek terpentynowy oddziela się od wody. Kalafonię natomiast spuszcza
się z aparatu destylacyjnego do wykończalnika, następnie rozlewa się do naczyń. [5, s. 119]

Podstawowym surowcem do ekstrakcyjnego wyrobu produktów żywicznych jest także

przemysłowa  karpina  sosnowa.  Podczas  warzenia  celulozy  następuje  odgazowanie  masy
warzelnej.  Ulatniają  się  przy  tym  pary  terpentyny,  wody,  alkoholu  metylowego,  tlenki  siarki,
porywając  kropelki  ługu.  Przez  skroplenie  par  i  rozdzielenie  ich  we  flaszy  florentyńskiej
można  uzyskać  do  9  kg  surowej  terpentyny  na  1  t  wyprodukowanej  celulozy,  tzn.  z  5-6  m

drewna. Przy podniesieniu temperatury do 165-175

C i wzroście ciśnienia odbywa się reakcja

kwasów  tłuszczowych  i  żywicznych  ze  związkami  sodu  zawartymi  w  cieczy  warzelnej,
w  wyniku  czego  na  powierzchni  wydzielają  się  mydła  siarczanowe.  Przez  gotowanie
z  kwasem  siarkowym  poddaje  się  je  rozkładowi  i  w  ten  sposób  uzyskuje  się  olej  talowy.
W  jego  skład  wchodzą  głównie  kwasy  żywiczne  i  tłuszczowe  oraz  sterole.  Kwasy  żywiczne
tworzą  kalafonię  talową.  Kwasy  tłuszczowe  z  oleju  talowego  wykorzystuje  się  w  przemyśle
mydlarskim, jak również do produkcji środków flotacyjnych. [5, s. 120]

Kalafonia i jej pochodne znajdują zastosowanie nie tylko w stanie naturalnym, ale

również  jako  produkt  uszlachetniony  przez  utlenienie  niektórych  składników,  uwodornienie
lub  działanie  kwasem  siarkowym.  Kalafonię  wykorzystuje  się  w  około  siedemdziesięciu
różnych  dziedzinach  przemysłu  i  gospodarki,  przy  czym  najważniejsze  z  nich  to  przemysł
chemiczny,

petrochemiczny,

celulozowo-papierniczy,

drzewny,

elektrotechniczny,

maszynowy, spożywczy, metalurgiczny oraz w medycyna, rolnictwo, budownictwo i inne.

Największe ilości kalafonii zużywa przemysł papierniczy do wytwarzania klejów

dodawanych  do  mas  papierniczych.  Kleje  stosowane  w  przemyśle  płyt  pilśniowych  zwykle
jako  jeden  ze  składników  zawierają  kalafonię.  Wchodzi  ona  również  jako  składnik  wielu
apretur  do  impregnacji  tkanin  w  przemyśle  tekstylnym.  W  postaci  soli  sodowej  używa  się
kalafonii  do  produkcji  mydeł,  które  dzięki  temu  zyskują  odpowiednia  miękkość  i  zdolności
pianotwórcze.  Duże  znaczenie  ma  kalafonia  w  przemyśle  lakierniczym,  gdzie  służy  jako
składnik  wielu  lakierów,  nadając  im  połysk.  Odpowiednio  spreparowana  kalafonia  ma
również  zastosowanie  w  przemyśle  mas  plastycznych  w  procesie  wytwarzania  kauczuku
syntetycznego.

Najbardziej cenna terpentyna balsamiczna znajduje zastosowanie przede wszystkim jako

surowiec  do  syntezy  kamfory,  kamfenu,  terpinolu  i  terpin  hydratu.  Substancje  te
wykorzystywane  są  przez  przemysł  perfumeryjny  oraz  farmaceutyczny  jako  katalizator
polimeryzacji.  W  najszerszym  zakresie  terpentyna  stosowana  jest  jako  rozpuszczalnik  farb
i  lakierów,  pokostów,  past  do  obuwia  i  podłóg  oraz  do  produkcji  tworzyw  sztucznych.
Terpentyna  jest  doskonałym  rozpuszczalnikiem  smoły,  kauczuku,  tłuszczów,  żywicy
naturalnej,  a  także  siarki  i  fosforu.  Terpentyny  używa  się  również  jako  substancji
powodującej  szybsze  utlenianie,  a  tym  samym  wysychanie  olejów.  Dodawana  jest  więc  do
lakierów jako  tzw.  sykatywa. Stosuje  się ja jako  środek dezynfekujący a zarazem dezodorant
do  środków  czyszczących.  Obecnie  największe  ilości  terpentyny  dostarcza  przemysł
celulozowo-papierniczy w postaci terpentyny siarczanowej. [6, s. 84]

Roztwory wodne garbników stosowane do garbowania skór uzyskuje się przez ekstrakcję

środków garbujących (m.in. kory i drewna) wodą, której temperatura zależy od rodzaju

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

surowca. Garbniki nadają skórze zwierzęcej tak charakterystyczne właściwości jak:
nieprzepuszczalność wody, odporność na działanie mikroorganizmów, elastyczność i inne.

Do ważniejszych krajowych surowców garbnikowych zalicza się drewno dębowe, korę

wierzbową, korę brzozową, korę świerkową.

W zależności od stopnia zagęszczenia otrzymuje się ekstrakty płynne lub stałe. Zadaniem

procesu  ekstrakcji  jest  możliwie  dokładne  wyługowanie  garbników  z  surowca  w  stanie
niezmienionym.  W  środkach  garbujących  występują  również  trudno  rozpuszczalne
wysokocząsteczkowe  produkty  przemiany garbników. W jakiej ilości i które z tych substancji
zostaną  wyekstrahowane  zależy  od  stopnia  rozdrobnienia  surowca,  właściwości  wody
ekstrakcyjnej,  ilości  użytej  wody,  czasu  trwania  ekstrakcji,  stosowanych  chemikaliów
i innych czynników. [5, s. 120]

W wielu drzewach, zwłaszcza gatunków tropikalnych, znajdują się substancje

barwnikowe.  Pomimo  rozwoju  syntezy  barwników  organicznych,  stosuje  się  do  barwienia
bawełny  lub  wełny  na  kolor  purpurowy  wyciąg  z  drzew  brazylijskich  zawierający  brazylinę.
Z  kolei  hematoksylina  i  hematyna  stosowane  są  do  barwienia  włókien  naturalnych  (wełny,
bawełny, lnu) na kolor czarny.

W warunkach klimatycznych Polski w korze niektórych drzew, np. brzozy, dębu oraz

liściach i owocach niektórych drzew i krzewów występują substancje barwnikowe, ale w tak
małych ilościach, że nie mają one praktycznego znaczenia i zastosowania.

Ekstrakcja drewna rozpuszczalnikami organicznymi prowadzi również do wyodrębnienia

tłuszczy  i  wosków.  Zmydlenie  ekstraktu  drewna  iglastego  pozwala  wyodrębnić  i  rozdzielić
kwasy  żywiczne  i  kwasy  tłuszczowe.  W  praktyce  kwasy  tłuszczowe  pozyskuje  się  z  oleju
talowego  otrzymywanego  jako  produkt  uboczny  roztwarzania  drewna.  Zastosowanie
praktyczne  znajdują  wolne  kwasy  tłuszczowe  jak  również  ponownie  zestryfikowane.  Estry
nienasyconych  kwasów  tłuszczowych  tworzą  szybko  schnące  oleje,  wykorzystywane  jako

środek zastępczy oleju lnianego.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Co to jest żywica balsamiczna?
2.  Jakie znasz sposoby oznaczania zanieczyszczeń żywicy?
3.  Jak przeprowadzić analizę techniczną kalafonii balsamicznej?
4.  Jak przeprowadzić analizę techniczną terpentyny?
5.  Jakie są sposoby wyrobu produktów żywicznych?
6.  Jaki jest przebieg destylacji żywicy?
7.  Jakie jest zastosowanie produktów z ubocznych składników drewna?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj sosnową żywicę balsamiczną i badanie jej właściwości technologicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą dotyczącą sosnowej żywicy balsamicznej,
2)  scharakteryzować sosnową żywicę balsamiczną,
3)  określić zasady oznaczania zanieczyszczeń oraz zawartości wody zmieszanej,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru formatu A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Przeprowadź analizę techniczną kalafonii balsamicznej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą dotyczącą analizy technicznej kalafonii balsamicznej,
2)  przygotować niezbędny sprzęt i odczynniki,
3)  przeprowadzić oznaczenie:

–

zawartości popiołu w próbce kalafonii,

–

temperatury mięknienia kalafonii,

–

liczby kwasowej,

–

stopnia krystalizacji,

–

liczby zmydlania kalafonii.

4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  próbki kalafonii,
–  naczynie wagowe,
–  eksykator,
–  piec muflowy,
–  waga analityczna,
–  tygle porcelanowe,
–  szczypce laboratoryjne,
–  rękawice termoochronne,
–  alkohol etylowy,
–  fenoloftaleina,
–  etanol,
–  wodorotlenek potasu,
–  chlorek sodu,
–  kwas siarkowy,
–  kalkulator,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Przeprowadź analizę techniczną terpentyny.

Sposób wykonania ćwiczenia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą dotyczącą analizy technicznej terpentyny,
2)  przygotować niezbędny sprzęt i odczynniki,
3)  przeprowadzić oznaczenie:

–

gęstości terpentyny,

–

współczynnika załamania światła,

–

liczby kwasowej,

–

pozostałości po odparowaniu.

4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  próbki terpentyny,
–  waga hydrostatyczna,
–  termometr rtęciowy,
–  mikrobiureta,
–  kolba stożkowa,
–  parownica niklowa lub porcelanowa,
–  alkohol etylowy,
–  wodorotlenek potasu,
–  fenoloftaleina,
–  kalkulator,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Scharakteryzuj zastosowanie produktów z ubocznych składników drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z literaturą na temat zastosowania produktów z ubocznych składników

drewna,

2)  określić produkty z ubocznych składników drewna,
3)  scharakteryzować zastosowanie produktów z ubocznych składników drewna,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru formatu A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) scharakteryzować żywicę balsamiczną?

2) określić metody oznaczania zanieczyszczeń żywicy?

3) przeprowadzić analizę techniczną kalafonii balsamicznej?

4) przeprowadzić analizę techniczną terpentyny?

5) określić sposoby wyrobu produktów żywicznych?

6) scharakteryzować przebieg destylacji żywicy?

7) określić zastosowanie produktów z ubocznych składników drewna?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Kiełczewski M., Zakrzewski R., Bartkowiak M.: Chemiczny przerób drewna. Ćwiczenia

laboratoryjne. Wyd. AR w Poznaniu, Poznań 2003

2. Krzysik F.: Nauka o drewnie. PWN, Warszawa 1978
3. Prosiński S.: Chemia drewna. Podręcznik dla studentów wydziałów technologii drewna.

PWRiL, Warszawa 1969

4. Przybysz K.: Technologia celulozy i papieru. Technologia papieru. WSiP, Warszawa

1997

5.  Surmiński J.: Chemia stosowana w drzewnictwie. Wyd. AR w Poznaniu, Poznań 1990
6.  Surmiński J.: Żywice naturalne. Wyd. AR w Poznaniu, Poznań 1994
7.  Wandelt  P.:  Technologia  celulozy  i  papieru.  Technologia  mas  włóknistych.  WSiP,

Warszawa 1996

Czasopisma

−

Gazeta przemysłu Drzewnego: Wydawnictwo Inwestor sp. z o. o.

−

Gazeta Drzewna – Holz-Zentralblatt Polska sp. z o.o. Poznań

−

Przemysł Drzewny: Wydawnictwo Świat sp. z o. o.