ISSN 1991-3087
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

НА ГЛАВНУЮ

Использование твердых бытовых отходов для производства топлива с целью получения энергии

 

Карпунин Иван Иванович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Белорусского национального технического университета, академик Международной инженерной академии,

Карпунин Александр Витальевич,

инженер кафедры общей и физической химии Санкт-Петербургского национального минерально-сырьевого «Горного» университета.

 

В странах ЕС предусмотрены следующие принципы обращения с твердыми бытовыми отходами: 1) предотвращение и сведение их к минимуму; 2) селективный сбор с сортировкой их в пунктах сбора, а также вторичное использование (утилизация) полезных составляющих ТБО (твердых бытовых отходов). Кроме того, термолиз и сжигание не утилизируемых веществ, а также безопасное захоронение негорючих не утилизируемых фракций.

Возрастание интереса к биологической массе связано с переработкой твёрдых бытовых отходов, так как при переработке утилизируемых веществ ТБО важная роль отводится производству топлива, которое можно использовать для производства энергии. В состав ТБО входят бумага и картон, которые представляют сырье пригодное для производства биологического топлива, которое так необходимо для энергетики.

В настоящее время имеются необходимые предпосылки при использовании ТБО для производства топлива. Во-первых, экологические проблемы, связанные с использованием ископаемого топлива, во-вторых, наличие в России и Республике Беларусь достаточного ресурса лесной и сельскохозяйственной биологической массы, которая имеет особое значение для производства энергии, в-третьих, создание отрасли, позволяющей перерабатывать различные отходы растительного сырья, (а также содержащихся в ТБО) позволит снизить проблему энергетической зависимости.

В связи с повышением стоимости энергетического сырья (нефти, газа и др.) имеются предпосылки и идеи для создания и внедрения альтернативных источников энергии, которые основаны на использовании продуктов ТБО и отходов пищевой и производства продукции сельского хозяйства.

При использовании биологической массы ТБО биогаз можно рассматривать в качестве дополнительного источника для обеспечения проблемы снабжения газом областных и межрегиональных центров, а в будущем – для укрупненных мегаполисов. Это также будет способствовать значительному улучшению экологической обстановки с уменьшением ТБО. При этом появятся возможности уменьшения стоимости электроэнергии и газа.

Статья посвящена исследованию влияния времени нахождения исходного сырья (макулатуры) в свалке в условиях складирования, содержащегося в ТБО, на выход биогаза в зависимости от содержания в нем целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз.

Нашими исследованиями [1] установлено влияние количественного содержания компонентов в макулатуре на её качественные показатели, используемой для изготовления упаковки.

В отношении лигнина следует отметить, что, по сравнению с целлюлозой и гемицеллюлозами, он устойчив к разложению [1-3]. Это способствует меньшему разрушению макулатуры и несколько снижает выход биогаза при его получении.

Гемицеллюлозы макулатуры также влияют на выход биогаза, но влияние их количества изучено недостаточно. Однако, по сравнению с целлюлозой, они легко гидролизуются кислотами. В литературе не имеется также данных о влиянии содержащихся в целлюлозе макулатуры гемицеллюлоз на её качественные показатели и выход биогаза.

Цель проведенных исследований – изучение влияния количества лигнина и гемицеллюлоз, содержащихся в целлюлозе макулатуры, а также химического состава гемицеллюлоз на физико-механические показатели макулатуры и выход биогаза.

В исследуемых образцах макулатуры, находящихся в искусственно созданных условиях увлажнения (22-240С при постоянной влажности 45-50% в течение 0; 30, 180 и 400 суток) определяли количество содержания лигнина и гемицеллюлоз [7], степень полимеризации целлюлозы [4], содержащейся в макулатуре, а также выход биогаза. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Количественное содержание глюкозы, маннозы, ксилозы, арабинозы, галактозы в гемицеллюлозах определяли согласно методике, изложенной в [14, 15, 17].Полученные результаты представлены в табл. 2.

Количество карбонильных и карбоксильных групп определяли в образцах согласно [7, 8]. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3.

Определение физико-механических показателей проводили согласно ГОСТ 13525-1-79. Полученные результаты представлены в табл. 4.

Для характеристики целлюлозы и гемицеллюлоз определяли их молекулярную массу согласно [9]. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 5.

 

Таблица 1.

Изменение количества лигнина, целлюлозы, гемицеллюлоз степени полимеризации целлюлозы в макулатуре при нахождении её в условиях складирования.

Нахождение макулатуры в условиях свалки (при влажности 45%, при температуре 24°С), суток

Количество, %

Степень полимеризации

целлюлозы

Выход биогаза из 1 кг сухого вещества, л/кг

Содер-жание метана в газе, %

 целлюлозы

гемицеллюлоз

лигнина

0

47,4

9,8

6,0

810

510

62

30

47,1

9,3

6,1

800

540

63

180

35,2

6,8

 7,5

645

590

67

400

 29,1

4,0

8,7

440

690

71

 

Таблица 2.

Количество глюкозы, маннозы, ксилозы, арабинозы и галактозы в гемицеллюлозах, выделяемых из макулатуры.

Нахождение макулатуры в свалке, сутк

Количество,%

Всего углеводов в макулатуре,%

глюкоза

манноза

ксилоза

арабиноза

галактоза

0

96,2

26,5

19,1

17,4

19,5

17.5

30

95,8

26,3

19,2

17,6

19,3

17,5

400

80,2

17,1

24,2

21,8

23,5

13,4

 

Таблица 3.

Количество карбонильных и карбоксильных групп в целлюлозе макулатуры при нахождении её в созданных условиях складирования.

Содержание макулатуры в условиях свалки, сутки

Количество, мг-экв/г

карбоксильных

Карбонильных

0

0,35

0,94

30

0,38

1,02

180

0,60

1,22

400

0,97

1,32

 

Таблица 4.

Изменение физико-механических показателей макулатуры в зависимости от времени нахождения её на свалке в складе.

Время нахождения макулатуры на свалке в

складе, сутки

Разрывная длина, м

 

Сопротивление продавливанию, кПа

Число двойных перегибов

Сопротивление раздиранию, мН

0

30

180

400

5820

5800

4490

4010

123

115

90

71

68

65

43

29

155

151

120

97

 

Таблица 5.

Молекулярная масса целлюлозы и гемицеллюлоз.

Содержание макулатуры в условиях свалки, сутки

Молекулярная масса

Целлюлоза

Гемицеллюлозы

0

20,5.105

18,1.103

30

20,1.105

17,9.103

400

18,3.105

14,0.103

 

Из полученных результатов, представленных в табл. 1, следует, что со временем, при нахождении макулатуры в одинаковых условиях, в ней уменьшается количество целлюлозы и гемицеллюлоз, что характерно для свалки. В то же время (с учётом уменьшения количества указанных углеводов) в макулатуре возрастает содержание лигнина. Это свидетельствует о том, что при большем нахождении макулатуры в созданных условиях уменьшается количество полимеров углеводной части, что приводит к её ослаблению, снижению физико-механических показателей и повышению выхода биогаза. Проведенные испытания макулатуры на физико-механические показатели показывают (табл. 4), что разрывная длина, число двойных перегибов и сопротивление продавливанию уменьшаются, что объясняется разрушением углеводов – целлюлозы и гемицеллюлоз по мере её нахождения в свалке. Так, например, разрывная длина макулатуры при нахождении её в свалке 400 суток уменьшилась на 20%, сопротивление продавливанию – на 42%, раздиранию – на 40%, число двойных перегибов – 54%. При этом в результате действия микроорганизмов возрастает уменьшение содержания углеводной части в макулатуре за счет деструкции ее углеводов и повышается выход биогаза. Приведенные результаты указывают на возможность использования полученного из макулатуры биогаза в качестве топлива.

Из табл. 2 следует, что в зависимости от времени нахождения макулатуры в свалке уменьшается количество глюкозы, маннозы, ксилозы, арабинозы и галактозы, что свидетельствует об уменьшении содержания целлюлозы и гемицеллюлоз: маннана, ксилана, арабана и галактана. Изменение количества маннозы, ксилозы, арабинозы и галактозы в целлюлозе свидетельствует о снижении их доли при уменьшении содержания целлюлозы с нахождением макулатуры в свалке на складе. При этом снижается общее количество углеводов.

Результаты, представленные в табл. 3, показывают, что при нахождении макулатуры в созданных условиях, характерных для свалки, происходит окисление и деструкция углеводов макулатуры с образованием карбоксильных и карбонильных групп, что подтверждает результаты, представленные в табл. 3 и 4. Окисление целлюлозы приводит к уменьшению её степени полимеризации и количества в ней углеводов (табл. 1), что приводит к снижению физико-механических показателей макулатуры (табл. 4.).

Из полученных результатов, представленных в табл. 1, следует, что при нахождении макулатуры в созданных условиях складирования происходит снижение степени полимеризации целлюлозы, содержащейся в макулатуре, количества целлюлозы в макулатуре, уменьшение количества гемицеллюлоз, что приводит к возрастанию количества лигнина (за счёт уменьшения доли углеводов в макулатуре). Это приводит к ухудшению физико-механических показателей макулатуры (разрывной, длины, сопротивления продавливанию, числа двойных перегибов, сопротивления раздиранию). В отношении изменения содержания лигнина в макулатуре (в условиях свалки при складировании) следует отметить, что его содержание в ней также влияет на изменение физико-механических показателей. Из литературных источников [5, 6] известно, что содержание лигнина в целлюлозе влияет на качественные показатели целевого продукта. Применительно к условиям нахождения макулатуры в условиях свалки снижение содержания степени полимеризации целлюлозы, целлюлозы в макулатуре и гемицеллюлоз в целлюлозе превалирует над возрастанием содержания лигнина в макулатуре. В итоге это приводит к снижению физико-механических показателей макулатуры в созданных условиях ее складирования. Проведенные исследования (табл. 5) по определению молекулярной массы целлюлозы и гемицеллюлоз показывают, что при нахождении макулатуры в свалке на складе в указанных выше условиях снижается их молекулярная масса.

Таким образом, полученные результаты показывают, что при нахождении макулатуры в свалке при условиях складирования происходят процессы деструкции и окисления углеводов, приводящие к уменьшению её физико-механических показателей. При этом следует заметить, что погодные условия влияют на качество макулатуры. С возрастанием температуры и влажности физико-механические показатели макулатуры будут ухудшаться больше, но при этом происходить разложение органического вещества с выделением большего количества биогаза. При нахождении макулатуры в свалке с уменьшением содержания целлюлозы и гемицеллюлоз происходит снижение их молекулярной массы и возрастание выхода биогаза. Возрастание выхода биогаза объясняется протеканием реакций разложения макулатуры содержащихся в ней органических веществ: лигнина, целлюлозы и гемицеллюлоз. При этом по сравнению с лигнином большему разложению подвергается углеводы, содержащиеся в макулатуре.

 

Литература

 

1.                  Карпунин И.И, Кузьмич В.В., Балабанова Т.Ф., Червинский В.Л. Влияние содержания лигнина, гемицеллюлоз и целлюлозы в макулатуре на качественные показатели в зависимости от времени нахождения её на складах. // Весцi Aкадэмii навук Беларусi. Сер. хiм. навук. №4.- 2010.

2.                  Шарков В.И. и др. Химия гемицеллюлоз. М.: Лесн. пром.1972-440 с.

3.                  Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. М.-Л.АН СССР.1962- 710 с.

4.                  Болотникова Л.С., Данилов С.Н., Самсонова Т.И. Метод определения вязкости и степени полимеризации целлюлозы // Журн. прикл. химии.- т.39,№1.-1966.-С.176-180.

5.                  Непенин Ю.Н. Производство сульфатной целлюлозы. Технология целлюлозы. М.: Лесн. пром. т. 2.-1990- 599 с,

6.                  Непенин Н.Н., Непенин Ю.Н. Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы производства целлюлозы. М.: Экология. Т. 3.-1994-592 с.

7.                  Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М.: Лесн. пром. -1991.- 320 с.

8.                  Закис Г.Ф., Можейко Д.Н., Телышева Г.М. Методы определения функциональных групп лигнина. Рига.- 1975.- 174 с.

9.                  Рафиков С.Р., Павлова С.А. Твёрдохлебова. Методы определения молекулярных весов и полидисперсности высокомолекулярных соединений. М.: Изд.АН СССР. 1983.- 335 с.

 

Поступила в редакцию 15.01.2014 г.

2006-2019 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.