竹材熱處理工藝優(yōu)化研究

洪游游，翁甫金，潘 炘

（1.浙江省龍游縣竹產(chǎn)業(yè)服務(wù)團(tuán)，浙江 龍游324400；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州310023）

竹木材加工是以竹木材為原料，主要用機(jī)械或化學(xué)方法進(jìn)行的加工，其產(chǎn)品仍保持竹木材的基本特性。竹木材蒸煮和炭化等熱處理污水主要來(lái)源于竹木材加工業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過程［1－2］。隨著人們生活水平的提高對(duì)家具業(yè)的要求也越來(lái)越高，使得竹木材加工業(yè)迅速發(fā)展［3］，導(dǎo)致了竹木材加工過程中產(chǎn)生的竹木材熱處理污水水量逐年上升［4－5］。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近幾年全國(guó)竹木材加工業(yè)排放的污水總量接近700萬(wàn)t·a－1。該類污水為高濃度、高懸浮物有機(jī)污水，若不經(jīng)過處理直接排放，會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

竹材熱處理量與其產(chǎn)生的污水量比值為12～16∶1，以每日熱處理量1 200 t竹材，以年生產(chǎn)300 d計(jì)算，需年處理竹材熱處理廢水2.25～3.00萬(wàn)t。且此類高濃度工業(yè)污水處理技術(shù)存在設(shè)備大型化、投資成本高、占地面積大和處理成本高等問題，且處理技術(shù)針對(duì)性不強(qiáng)，污水處理效果不穩(wěn)定，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)竹材熱處理污水的處理尚無(wú)成熟可靠的處理方法。因此，通過氧化劑加入量、加熱方式、溫度和時(shí)間控制等工藝優(yōu)化，從源頭減少污水中COD和木質(zhì)素含量，減少污水排放量，同時(shí)優(yōu)化加熱模式提高熱效能，實(shí)現(xiàn)竹材熱處理過程的節(jié)能減排，減輕后續(xù)污水治理的壓力，具有重要意義。

篩選竹材后續(xù)加工的必要指標(biāo)，并進(jìn)行分級(jí)作為熱處理效果對(duì)比參數(shù)；通過不同加熱模式的效果對(duì)比分析，優(yōu)化模式提高熱效能；同時(shí)通過氧化劑加入量、加熱介質(zhì)、溫度和時(shí)間等因素對(duì)竹材熱處理效果的對(duì)比分析，確定竹材熱處理工藝的可調(diào)控范圍。在可調(diào)控的范圍內(nèi)，優(yōu)化氧化劑加入量、加熱介質(zhì)、溫度和時(shí)間等參數(shù)，從源頭減少污水中COD和木質(zhì)素含量。

1 材料與方法

1.1 材料

壓制好的竹束條，尺寸100 mm×10 mm；竹材熱處理污水是竹束條過熱蒸汽炭化產(chǎn)生的污水。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

色差計(jì)，美國(guó)愛色麗，型號(hào)TNI18 X-Rite。鍋爐，衢州大通鍋爐制造有限公司生產(chǎn)，DZG1-0.8-M型，用于加熱和提供過熱蒸汽。電熱恒溫水浴鍋、干燥箱、電子天平、白度儀（YQ-Z-48B）。

1.3 試驗(yàn)方法

竹材過熱蒸汽炭化處理實(shí)驗(yàn)流程：竹束截?cái)唷袷Q重→過熱蒸汽炭化試驗(yàn)→干燥→測(cè)量→試驗(yàn)結(jié)果分析→炭化工藝優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 炭化工藝對(duì)竹材熱處理得率及廢水排放量的影響

飽和蒸汽壓與炭化時(shí)間等炭化工藝對(duì)竹材處理后吸水增量、廢水排放量、廢水COD的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表1、圖1～圖3所示。

表1 不同飽和蒸汽壓力熱處理竹條的質(zhì)量變化、廢水排放量及CODTab.1 Mass change，wastewater discharge and COD of bamboo strips under different saturated vapor pressure heat treatments

從飽和蒸汽壓與炭化時(shí)間對(duì)竹材處理后吸水增量的影響來(lái)看，以處理得率為因變數(shù)Y，飽和蒸汽壓氣壓為自變數(shù)X，在時(shí)間段為2.5 h的范圍內(nèi)做多項(xiàng)式回歸擬合可得回歸方程：Y＝－0.008 6X2+0.080 2X+0.840 7，R2＝0.978 4。方程相關(guān)系數(shù)＞0.97，相關(guān)性較好。從圖1和回歸方程都不難得出，隨著炭化時(shí)間和飽和蒸汽壓的提高，竹材處理后質(zhì)量增加率越高，且與兩者都呈正相關(guān)性。

圖1 時(shí)間及飽和蒸氣壓對(duì)竹材處理的得率的影響Fig.1 Influence of time and saturated vapor pressure on mass acquisition rate of the treated bamboo

圖2 時(shí)間及飽和蒸氣壓對(duì)竹材處理廢水排出率的影響Fig.2 Influence of time and saturated vapor pressure on waste water discharge rate of bamboo treatment

圖3 時(shí)間及飽和蒸氣壓對(duì)竹材處理廢水總有機(jī)物排放的影響Fig.3 Influence of time and saturated vapor pressure on the organic discharge rate of bamboo treatment

從飽和蒸汽壓與炭化時(shí)間對(duì)竹材處理后廢水排放量與竹材處理量比值的影響來(lái)看，以蒸煮廢水排放量與竹材處理量比值為因變數(shù)Y，飽和蒸汽壓氣壓為自變數(shù)X，在時(shí)間段為2.5 h的范圍內(nèi)做多項(xiàng)式回歸擬合可得回歸方程：Y＝－0.379 1X2+13.733X+23.395，R2＝0.994 4。可見方程相關(guān)系數(shù)＞0.99，相關(guān)性極好。從圖2和回歸方程都可得出，隨著炭化時(shí)間和飽和蒸汽壓的提高，竹材處理廢水排放量就越高，且與兩者都呈正相關(guān)性。

從飽和蒸汽壓與炭化時(shí)間對(duì)竹材處理后廢水COD的影響來(lái)看，炭化時(shí)間和飽和蒸氣壓都會(huì)直接影響COD值，并且呈現(xiàn)正相關(guān)性，以總COD排放量為因變數(shù)Y，飽和蒸汽壓氣壓為自變數(shù)X，在時(shí)間段為2.5 h的范圍內(nèi)做線性回歸擬合可得回歸方程：Y＝2 158.3X－5 161.5，R2＝0.976 2。可見方程相關(guān)系數(shù)＞0.97，相關(guān)性較好。同時(shí)從數(shù)據(jù)還可知當(dāng)飽和蒸汽壓大于4.2時(shí)，其COD值有一躍變。竹材的有機(jī)組成和木材相似，主要由纖維素（約55%）、木素（約25%）和半纖維素（戊聚糖約20%）構(gòu)成。而飽和蒸汽壓是由熱處理溫度決定的，當(dāng)飽和蒸汽壓為4.2時(shí)其對(duì)應(yīng)的熱處理溫度為250℃左右，因此高溫可能引起竹材中木素、半纖維素、纖維素部分基團(tuán)熱解，生成有機(jī)物，從而引起COD值躍增。同時(shí)過長(zhǎng)的時(shí)間也會(huì)造成竹材中有機(jī)物的過量熱解造成COD值增加，從而造成后續(xù)廢水處理難度，因此需要對(duì)竹材熱處理的飽和蒸汽壓與時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 炭化工藝對(duì)竹材表面色差度的影響

顏色作為材料的重要特征之一，是決定材料印象的重要因子，也是家具和室內(nèi)裝修設(shè)計(jì)中最生動(dòng)、最活躍的因子，同時(shí)還是評(píng)價(jià)竹材商業(yè)價(jià)值的重要指標(biāo)，是影響材料銷售競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素［6］。竹材顏色的出現(xiàn)是竹材中化學(xué)成分吸收光所造成的，即光被竹材吸收后，殘留的光再反射到人的眼睛里作為顏色而呈現(xiàn)［7］。竹材的變色也是從竹材組分中化學(xué)成分吸收光線開始的，一些竹材由于種種原因?qū)е虏纳焕硐?，需要加以漂白或調(diào)色［8］。

生物質(zhì)材料的變色是復(fù)雜的物理化學(xué)過程，是多種因素作用的結(jié)果［9］。竹材在炭化處理過程中會(huì)有不同程度的變色現(xiàn)象［10－12］。

表2為不同炭化處理工藝對(duì)竹材色差影響表，圖4為熱處理時(shí)間及飽和蒸氣壓對(duì)色差L*、a*、b*、ΔE*各值的影響圖。其中L*為明度，完全白的物體視為100，完全黑的物體視為0。a*表征紅綠軸色度指數(shù)，正值越大表示顏色越向紅軸方向靠攏，負(fù)值越大表示越向綠軸方向靠攏。b*表征黃藍(lán)軸色度指數(shù)，正值越大表示顏色越向黃軸方向靠攏，負(fù)值越大表示越向藍(lán)軸方向靠攏。ΔE*為變色度，數(shù)值越大表示被測(cè)物和對(duì)照樣顏色差別越大。

表2 不同飽和蒸汽壓力熱處理竹條的質(zhì)量變化及廢水排發(fā)量Tab.2 Mass changes and waste water discharges of bamboo strips under the treatments with different saturated steam pressures

從圖4和表2可推導(dǎo)出未處理竹材色彩較淺，且偏白而熱處理后，色彩向深暗變化。分別以L*值為因變量Y，飽和蒸氣壓為自變量X做多項(xiàng)式回歸擬合可得回歸方程：Y＝－1.240 6X2+4.401 5X+45.785，R2＝0.899 4。以a*值為因變量Y，飽和蒸氣壓為自變量X做多項(xiàng)式回歸擬合可得回歸方程：Y＝－0.486 4X2+4.407 9X+1.473 1，R2＝0.277 8。以b*值為因變量Y，飽和蒸氣壓為自變量X做多項(xiàng)式回歸擬合可得回歸方程：Y＝－1.307X2+8.223 7X+9.576 8，R2＝0.895 1。以ΔE*值為因變量Y，飽和蒸氣壓為自變量X做多項(xiàng)式回歸擬合可得回歸方程：Y＝－1.731 2X2+8.173X+44.901，R2＝0.932。從回歸方程可知色差a*值變化與飽和蒸氣壓無(wú)規(guī)律可循，其相關(guān)系數(shù)極底。而L*、b*、ΔE*與蒸煮飽和蒸氣壓和時(shí)間均有較好的線性關(guān)系，因此飽和蒸氣壓和時(shí)間可以作為根據(jù)竹材不同表面色差處理要求而進(jìn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3 炭化處理工藝優(yōu)化中試生產(chǎn)

根據(jù)竹材表面色差要求，根據(jù)前期數(shù)據(jù)積累分別優(yōu)化炭化處理工藝，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)熱處理工藝和優(yōu)化熱處理工藝詳細(xì)如表3所示。

圖4 時(shí)間及飽和蒸氣壓對(duì)竹材處理后表面色差度的影響Fig.4 Influence of time and saturated vapor pressure on surface chroma of treated bamboo

表3 傳統(tǒng)工藝與優(yōu)化工藝參數(shù)表Tab.3 Parameters of traditional and optimization process

表4為熱處理工藝優(yōu)化后和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)工藝廢水排放量及COD值數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可知在達(dá)到竹材表面顏色要求下，其排水量和COD值都有不同程度的下降，降低了污水處理的難度。

表4 傳統(tǒng)工藝與優(yōu)化工藝蒸煮廢水排放量及COD值比較Tab.4 Waste water discharge and its COD value of traditional process and optimized process

從2種熱處理工藝后廢水排放量比較圖可得出，相同色系的竹材熱優(yōu)化工藝其廢水減排量分別為11.53%（淺色系）、11.32%（中深色系）、12.5%（深色系）。同時(shí)由于優(yōu)化后的熱處理時(shí)間和壓力都有所降低，因此廢水中COD值也有不同程度的降低。

圖5 傳統(tǒng)與優(yōu)化熱處理后廢水排放量比較Fig.5 Comparison ofwaste water discharge after traditional and optimized heat treatments

圖6 傳統(tǒng)與優(yōu)化熱處理后總有機(jī)物排放量比較Fig.6 Comparison of total organicmatter emissions after traditional and optimized heat treatments

從圖6的2種工藝的總有機(jī)物排放量比較來(lái)看，優(yōu)化后總有機(jī)物的排放量分別降低了51.91%（淺色系）、43.03%（中深色系）、28.56%（深色系）。淺色系由于優(yōu)化熱處理的溫度較低為180℃左右，而傳統(tǒng)工藝為230℃左右，且時(shí)間也較短。在該溫度下絕大多數(shù)竹材中木素，半纖維素，纖維素部分基團(tuán)不發(fā)生熱解，因此蒸煮廢水中COD值相比較于傳統(tǒng)工藝下降最多，可以達(dá)到50%以上。而中深色系和深色系，飽和蒸氣壓大于3以上時(shí)（熱處理溫度都超過了230℃），竹材中木素，半纖維素，纖維素部分基團(tuán)發(fā)生不同程度熱解，因此COD值和總有機(jī)物排放量下降幅度有所降低，并且伴隨著飽和蒸氣壓的加大，其COD值和總有機(jī)物排放量的降幅越小。

3 結(jié)論與討論

竹材炭化處理時(shí)間和飽和蒸氣壓對(duì)炭化廢水排放量和COD值均有較大影響，且都為正相關(guān)，飽和蒸氣壓越高，處理時(shí)間越長(zhǎng)，則廢水排放量越多、COD值越高。

竹材炭化處理時(shí)間和飽和蒸氣壓對(duì)竹材色差均有影響，其中色差a*值變化與飽和蒸氣壓和時(shí)間無(wú)規(guī)律，而L*、b*、ΔE*與蒸煮飽和蒸氣壓和時(shí)間均有較好的線性關(guān)系。通過建立相關(guān)性數(shù)學(xué)模型，，即可根據(jù)現(xiàn)有竹材產(chǎn)品顏色預(yù)估出熱處理工藝，也可評(píng)估市場(chǎng)對(duì)竹材色彩需求而優(yōu)化熱處理工藝。

按蒸汽熱處理竹材的市場(chǎng)需求，分為淺色系、中深色系、深色系。通過與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)蒸汽熱處量工藝對(duì)比實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后工藝處理的淺色系、中深色系、深色系竹材其單位質(zhì)量廢水排放量分別降低了11.53%、11.32%、12.5%，總有機(jī)物排放量分別降低了51.91%、43.03%、28.56%。