Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫ
ВАЮЩЕЙ, ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ В СТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 15
1.1. Виды отходов, их характеристики и перспективы использования
в производстве строительных материалов 15
Композиционные материалы на основе древесных отходов 18
Опыт переработки отходов целлюлозно-бумажного и микробиологического производств в продукты для строительной индустрии 29
Клеи и вяжущие строительного назначения (получение, свойства, применение) 29
Модификаторы цементных систем 43
1.4. Выводы по 1 главе 68
Глава II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПЕРЕРАБОТКИ
ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ, ЦЕЛЛЮЛОЗНО-
БУМАЖНЫХ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ В
ЭФФЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА 70
Теоретические основы получения материалов строительного назначения из лигносульфонатов и мицелиальных отходов микробиологических производств с применением химических способов модифицирования 71
Основы биохимической переработки отходов деревообрабатывающих
и целлюлозно-бумажных производств 83
2.3. Выводы по 2 главе 93
Глава III. РАЗРАБОТКА КЛЕЕВ И ВЯЖУЩИХ НА ОСНОВЕ
ЛИГНОСУЛЬФОНАТОВ 95
3.1. Исследование процессов химического окислительного модифицирования
лигносульфонатов > 95
Разработка условий химического окислительного модифицирования лигносульфонатов 103
Разработка состава вяжущего для производства древесных пластиков
с использованием окисленных лигносульфонатов 110
Исследование процессов биохимического окисления лигносульфонатов 113
Разработка состава и технологических параметров получения биоклея 121
Разработка условий модифицирования биоклея 126
Технологический режим производства биоклея 136
Использование биоклея в качестве вяжущего в древесных композиционных материалах 142
Физико-механические свойства древесных композиционных материалов
с использованием в качестве вяжущего биоклея 145
Технологическая схема производства древесных плит на основе биоклея..148
Выводы по 3 главе 151
Глава IV. ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОТЕХНОЛОГИИ
Изучение условий биотрансформации древесного сырья 153
Разработка состава и условий изготовления древесных биопластиков модифицированных акриловой кислотой 158
Разработка состава и условий прессования древесных биопластиков модифицированных карбамидоформальдегидной смолой 166
Физико-механические свойства модифицированных биопластиков 171
Разработка технологической схемы производства модифицированных биопластиков 174
Выводы по 4 главе 177
Глава V. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ МОДИФИКАТОРОВ
ЦЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ ИЗ ОТХОДОВ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-
БУМАЖНОГО И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВ 179
А) ПЛАСТИФИКАТОРЫ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ
5.1. Разработка эффективных пластифицирующих добавок к бетонным
смесям на основе химически окисленных лигносульфонатах 179
Физико-химические свойства окисленных лигносульфонатов 180
Разработка технологического режима химического окисления лигносульфонатов и изучение их реологических возможностей 182
Физико-механические свойства цементных композиций с модифицированной лигносульфонатной добавкой 191
Влияние комплексно модифицированной лигносульфонатной добавки на свойства бетонных смесей и бетона 194
5.2. Пластифицирующие добавки к бетонным смесям из отходов
производства антибиотиков 197
Физико-химические свойства модифицирующих добавок 197
Разработка технологической схемы получения белковой модифицирующей добавки 201
Свойства бетонных смесей и бетона с белковой модифицирующей добавкой 210
Б) ПЕНООБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ПЕНОБЕТОНЫ НА ИХ ОСНОВЕ
5.3. Разработка пенообразователя из отходов производства антибиотиков 223
Физико-химические свойства белкового пенообразователя 225
Разработка технологических параметров и схемы получения
белкового пенообразователя 228
5.3.3 Физико-технические свойства белкового пенообразователя 239
5.3.4. Разработка способов улучшения свойств пенообразователя 246
5.4. Разработка пенобетонов 252
Разработка составов и технологических параметров получения пенобетона 252
Влияние белкового пенообразователя на свойства цементных
систем и пути улучшения физико-механических свойств пенобетонов 261
5.4.3. Исследование физико-механических свойств пенобетонов 270
;. 5.5. Сухие смеси на основе белкового пенообразователя для производства
пенобетонов 274
Разработка состава сухих смесей 274
Физико-механические свойства пенобетонов полученных на основе сухих смесей 279
5.6. Выводы по 5 главе 286
Глава VI. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТ
КИ ОТХОДОВ ДЕРЕВОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И МИКРОБИОЛОГИЧЕ-
. СКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В СТРОИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО 289
Применение химически окисленных лигносульфонатов в качестве модификаторов бетонных смесей и бетона 289
Применение белкового гидролизата для пластификации бетонных смесей 290
Расчет экономической эффективности внедрения пластификаторов вОАО"ЖБК-1" 291
Опытно-промышленная линия по производству пенообразователя
из мицелиальных отходов производства пенициллина 293
Опыт производственного внедрения пенообразователя при производстве пенобетона 295
Экономическая эффективность внедрения пенобетона на основе белкового пенообразователя 298
Технология и экономическая эффективность применения сухих
смесей для производства пенобетонов 301
6.8. Выводы по 6 главе 304
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 305
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 310
ПРИЛОЖЕНИЯ 354
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с возрастающими темпами строительства в России, важнейшей задачей строительного производства становится не только наращивание объема производимых материалов, но и повышение эффективности создаваемых материалов и расширение их ассортимента. Наряду с этим, из-за сокращения невосполняемых природных ресурсов, используемых в производстве различных синтетических строительных материалов, необходим поиск новых источников сырья. Перспективными источниками сырья в этом плане могут быть многотоннажные отходы органической природы, образующиеся при механическом и химическом способах переработки древесины, а также при микробиологическом производстве ряда лекарственных препаратов, которые не находят широкого промышленного использования и создают экологические трудности. Основной недостаток имеющихся промышленных органических отходов - это отсутствие стабильности состава и показателей качества, а также низкая реакционная способность, что затрудняет их широкое использование. Возможности получения эффективных материалов строительного назначения, таких как клеи, вяжущие, плитные материалы, модификаторы бетонных смесей и бетона, и т.п., из указанных промышленных отходов, зависят, главным образом, от выявленных направлений перевода их в более реакционоспособное состояние. Однако в настоящее время не существует единого подхода к изменению реакционной способности веществ, составляющих эти отходы, позволяющего прогнозировать и регулировать их свойства с целью получения материалов с заданными свойствами. В связи с этим, разработка общих принципов химической и биологической трансформации древесных, лигниновых и мицелиальных отходов в эффективные материалы для строительного производства, а также разработка экологически безопасных технологических процессов их получения являются актуальными как в материало-ведческом плане, так и в плане рационального использования природного сырья.
Системные исследования в этой области будут способствовать углублению теоретических представлений о механизмах направленного изменения химических свойств техногенных отходов, обоснованию практических способов модифицирования их структуры, с целью получения строительных материалов различного функционального назначения.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка теоретических и практических принципов и закономерностей получения материалов строительного назначения из промышленных отходов химической и механической переработки древесины и производства антибиотиков.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
с позиции современных представлений о механизмах окислительной и гидролитической деструкции природных полимеров разработать теоретические предпосылки получения различных строительных материалов с заданными свойствами на основе промышленных органических отходов механической обработки и химической переработки древесины и производства антибиотиков;
изучить процессы химической и биохимической окислительной активации отходов сульфит-целлюлозных предприятий - лигносульфонатов и разработать на их основе способы получения эффективных клеев и вяжущих для древесных плитных материалов;
разработать оптимальный состав и технологический режим производства древесных плитных материалов с применением модифицированных лигносульфонатов;
изучить условия биохимической окислительно-гидролитической деструкции древесных отходов дереворазрушающими грибами и выявить условия получения на их основе экологически безопасных плитных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами;
выявить основные направления и закономерности получения эффективных модификаторов цементсодержащих систем из лигносульфонатных от-
ходов производства целлюлозы и мицелиальных отходов производства антибиотиков, а также разработать технологические режимы их получения;
изучить основные закономерности и технологические параметры получения эффективного пенообразователя из мицелиальных отходов производства антибиотиков, а также разработать и исследовать свойства пенобетонов на местном сырье с применением синтезированного пенообразователя;
осуществить опытно-промышленное внедрение разработанных технологий получения строительных материалов из изученных отходов, а также использование полученных материалов в строительстве.
Научная новизна работы состоит в предложении нового направления в производстве эффективных и экологически безопасных материалов строительного назначения с использованием отходов деревоперерабатывающей и микробиологической промышленностей, базирующихся на общих химических и биологических путях повышения реакционной способности и функциональной активности природных полимеров:
на основании изучения закономерностей процессов химического и биохимического окисления лигносульфонатных отходов установлена возможность получения клеев, не уступающих по физико-техническим и эксплуатационным свойствам традиционным синтетическим клеям. Выявлены способы повышения эффективности разработанных клеев, позволяющие использовать их в производстве древесных плитных материалов; оптимизированы составы и технологические параметры их производства;
теоретически и экспериментально установлена возможность получения плитных материалов из отходов механической переработки древесины без применения синтетических вяжущих, заключающаяся в предварительной окислительно-гидролитической деполимеризации поверхности древесных частиц ферментами дереворазрушающих грибов. Выявлены основные условия биоактивации древесины и получения на их основе плитных материалов; подобраны эффективные упрочняющие добавки, способные активно взаимодей-
ствовать с ароматической и углеводной составляющей древесных частиц; определены основные физико-механические свойства плит;
впервые установлены закономерности получения эффективных пластифицирующих добавок к цементным системам, путем окислительной деструкции лигниновых отходов сульфитного производства целлюлозы, или гидролитической деструкции мицелиальных отходов производства антибиотиков; оптимизированы условия получения модифицирующих добавок, а также составы цементных систем в присутствии полученных модификаторов. Разработаны технологические режимы производства модификаторов;
обоснованы и экспериментально выявлены основные закономерности процессов гидролиза белоксодержащих отходов производства антибиотиков, позволившие разработать эффективный пенообразователь для производства ячеистых бетонов; установлены основные факторы, влияющие на пенообра-зующую активность пенообразователя;
разработаны составы пенобетонов теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения с использованием полученной пенооб-разующей добавки и местного минерального сырья, отличающихся прочностью и морозостойкостью. Подобраны эффективные добавки, позволившие улучшить физико-механические свойства безавтоклавных пенобетонов;
впервые установлена возможность получения твердофазного белкового пенообразователя из отходов производства антибиотиков и разработаны составы сухих строительных смесей с применением указанного пенообразователя для производства безавтоклавных пенобетонов; выявлена зависимость свойств пенобетонов от технологических параметров.
Практическое значение работы. Развитые теоретические представления и установленные закономерности могут быть использованы при разработке принципов и составов производства материалов строительного назначения из промышленных отходов растительной природы.
Получены малоэнергоемкие и ресурсосберегающие клеи, вяжущие и дре-
весные композиционные материалы на их основе с использованием отходов сульфитного производства целлюлозы - лигносульфонатов и отходов механической переработки древесины, способные заменить экологически опасные синтетические вяжущие и плитные материалы на их основе, используемые в отдельных областях строительства.
Произведена разработка экологически безопасных древесных плитных материалов с использованием биохимических процессов предварительной активации отходов механической переработки древесины.
Разработаны эффективные модификаторы бетонных смесей из лигносульфонатов и мицелиальных отходов производства антибиотиков, позволяющие расширить как номенклатуру используемых добавок, так и сырьевую базу производства модификаторов. Изучены физико-механические и физико-технические свойства модифицированных бетонов.
Из мицелиальных отходов производства антибиотиков получен экологически безопасный и эффективный пенообразователь; разработаны безавтоклавные пенобетоны на его основе. Разработаны сухие строительные смеси с использованием полученного белкового пенообразователя для производства ячеистых бетонов с улучшенными физико-механическими свойствами.
Предложены технологические схемы производства разработанных материалов строительного назначения с применением органических отходов дере-воперерабатывающей промышленности и производства антибиотиков. Оптимальные технологические параметры производства разработанных компонентов и материалов регламентированы в разработанных технических условиях и рекомендациях.
Основные положения, выносимые на защиту:
- научное обоснование направлений получения эффективных материалов
строительного назначения на основе органических отходов деревообрабаты
вающей, целлюлозно-бумажной и микробиологической промышленностей;
- основные закономерности химических и биохимических процессов
окислительной и гидролитической деструкции полимеров растительного происхождения;
- результаты исследований физико-механических свойств древесных
композиционных материалов на основе синтезированных из лигносульфонат-
ных отходов вяжущих, а также без применения вяжущих;
основные закономерности получения клеев, вяжущих и плитных материалов с применением биотехнологий;
физико-химические основы получения высокоэффективных и экологически безопасных модификаторов цементных систем и бетонов из отходов производства антибиотиков и сульфитного производства целлюлозы;
результаты исследований физико-механических свойств разработанного пенообразователя и ячеистых бетонов на его основе;
оптимизированные составы разработанных сухих смесей и технологию приготовления на их основе пенобетонов с заданными потребительскими свойствами;
результаты полупромышленных испытаний и внедрения технологий на некоторых строительных предприятиях.
Реализация результатов исследований. Разработанная технология производства плитных материалов с использованием биологически активированного древесного сырья прошла опытно-промышленную проверку на производственной линии ВНИИдрев. Предложенные модифицирующие добавки применены при изготовлении опытно-промышленной партии фундаментных блоков на ОАО "ЖБК-1" г. Саранска. Применение разработанных модификаторов в производственных условиях позволило сэкономить 15% цемента. Разработана и запущена в производство опытно-промышленная установка по выпуску пенообразователя из мицелиальных отходов на комбинате ОАО "Биохимик". На ОАО "Стройзаказчик" пущен цех по выпуску пенобетонных блоков на основе разработанного пенообразователя.
Достоверность результатов работы заключается в использовании при
изучении свойств полученных веществ, древесных плитных материалов и бетонов измерительной аппаратуры и механического оборудования, способных регистрировать необходимые параметры с минимальными погрешностями. Численные значения экспериментальных исследований и количественные закономерности полученных результатов обработаны с применением методов математического планирования, использования аппроксимирующих функций и регрессионного анализа. Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждена исследованиями большого количества различных видов и составов клеев, древесных композиционных материалов, бетонных смесей, бетонов и пенобетонов с учетом влияния множества факторов.
Апробация работы. Основные материалы диссертации представлялись и докладывались на Всесоюзной научно-практической конференции "Структуро-образование, технология и свойства композиционных строительных материалов и конструкций" (Саранск, 1990), Всероссийской научной конференции "Экологическая безопасность и социально-экологическое развитие регионов России" (Саранск, 1994), Международной научно-технической конференции "Резервы производства строительных материалов" (Барнаул, 1997), Международной научно-практической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения" (Пенза, 1998), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (Саранск, 1997), Международной конференции "Современные проблемы бетона и железобетона" (Минск, Беларусь, 1997), региональной научно-технической конференции "Критические технологии в регионах с недостатком природных ресурсов" (Саранск, 1999), Шестых академических чтениях "Современные проблемы строительного материаловедения" (Иваново, 2000), Международной научной конференции "Биотехнология на рубеже двух тысячелетий" (Саранск, 2001), Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск, 2002), Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы строительного материаловедения" (Са-
ранск, 2002), Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии строительных материалов и конструкций" (Саранск, 2003), Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные вопросы строительства. Вторые Соломатовские чтения" (Саранск, 2003), Международной научно-практической конференции "Актуальные вопросы строительства" (Саранск, 2004).
Результаты диссертационных исследований были отмечены дипломом Российской академии архитектуры и строительных наук за работу "Создание высокоэффективных и экологически чистых стройматериалов посредством микробного синтеза" в конкурсе на лучшие научные и творческие работы в области архитектуры, градостроительства и строительных наук 1997 года.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательской программы: "Федерально-региональная политика в науке и образовании", по научно-техническим программам Министерства образования РФ "Архитектура и строительство" (1996 - 2000 г.г.) и "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники"(2000 - 2004 г.г.)", проекты: "Создание сухих смесей и получение на их основе высокоэффективных ячеистых бетонов для ограждающих конструкций быстро возводимых зданий" (per. №1078), "Исследование биотехнологических процессов для получения экологически чистых строительных материалов из древесного сырья, отходов целлюлозно-бумажной промышленности и другого сырья" (per. №1.12.98), "Разработка связующих на основе лигнина с применением биотехнологии" (№97-23-3.1-12), по теме РААСН №110/97 "Разработка биохимических основ и создание биотехнологии получения высокоэффективных и экологически чистых строительных материалов на органической и минеральной основе без применения вяжущих с использованием отходов промышленности".
В представленной диссертационной работе использованы результаты многолетних собственных исследований, а также экспериментальные материалы, полученные в соавторстве и опубликованные в открытой печати.
Личный вклад автора работы выразился в формулировании проблемы, постановке задач и разработке методологии и подходов к их решению, критическом анализе литературы, определении характера необходимых экспериментов, а также в непосредственном участии на всех этапах исследования, в том числе в постановке и проведении химических и биохимических синтезов, в получении и испытании конечных материалов, анализе результатов физико-химических и физико-механических методов исследований, интерпретации полученных результатов, формулировании выводов и подготовке публикаций.
Автор искренне признателен научному консультанту член-корр. РААСН, д.т.н., профессору В. Д. Черкасову за плодотворную совместную работу, за помощь, ценные советы, замечания и консультации. Автор благодарен аспирантам А. И. Коротину, Е. В. Киселеву, С. В. Царевой, А. И. Емельянову.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 60 работ, в том числе получено 1 авторское свидетельство СССР и 13 патентов РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения. Содержит 353 страницы машинописного текста, включая 72 таблицы, 98 рисунков. Библиографический список включает 460 наименований.
Похожие диссертации на Разработка эффективных материалов для строительства на основе отходов деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной и микробиологической промышленности
