Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 гг.

Вводные замечания. Отходы неизбежно появляются при переработке древесины и других природных ресурсов [58]. Проблема заключается в разработке технологий, обеспечивающих минимизацию отходов и их использование как вторичных ресурсов для получения энергии и материалов. Например, отходы лесопиления могут использоваться в качестве вторичного сырья для получения топливных брикетов, в производстве древесно-стружечных плит и древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства [4, 60]. Эти примеры не исчерпывают всех направлений использования отходов переработки древесины. Количество отходов зависит от технологий заготовки и переработки древесины, от свойств сырья и характеристик оборудования.

В данном обзоре внимание фокусируется на некоторых работах, выполненных в данной области в Петрозаводском государственном университете. Цель обзора заключается в систематизации этих работ, опубликованных в разрозненных источниках.

Использование отходов в виде коры. Доля коры у разных деревьев может составлять от 6 до 25 % от объема ствола [20]. Большие объемы отходов в виде коры образуются на стадии древесно-подготовительного цикла целлюлозно-бумажных комбинатов (ЦБК). Например, три ЦБК в Республике Карелия рассчитаны на переработку круглых лесоматериалов в объеме примерно трех миллионов куб. м в год [46]. Соответственно, объемы отходов в виде коры составляют, по меньшей мере, 180000 куб. м [25]. Кора используется по следующим направлениям: компостирование и переработка на удобрение; сжигание как биотоплива; производство древесно-стружечных плит; производство биологически активных веществ, а также дубильных, красящих и других веществ [20]. Ресурсосберегающие технологии утилизации древесной коры как сырья для получения биогумуса рассмотрены в статье [22, 23].

В производстве бумаги на фильтрах водоочистных сооружений ЦБК накапливается так называемый «скоп» – масса, состоящая из частиц коры, целлюлозных волокон, органических и неорганических примесей [20]. Эти отходы появляются как результат очистки древесины от коры в установках барабанного типа [14, 18, 19]. Перспективным способом утилизации скопа является его использование в качестве сырья для строительных материалов, например, плит несъёмной опалубки и теплоизоляционных плит [http://www.parmatech.org/sushka-skopa.html]. В работе [45] исследована  возможность применения скопа как компонента древесно-цементного строительного материала [45].

Использование отходов лесопиления. В настоящее время сохраняет свою актуальность проблема рационального использования отходов лесопиления. Масштаб проблемы характеризуют следующие данные. Как известно [50], объем мирового производства пиломатериалов составляет примерно 400 млн. куб. м. На долю России приходится около 20 млн. куб. м. В зависимости от способа пиления от 11 до 19% объема пиловочного сырья превращается в опилки [50].

Вопросы рационального использования отходов лесопиления в качестве вторичного сырья в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства рассмотрены в работах [1, 2, 3, 4, 35].  В этих работах получены новые данные о прочности древесно-цементных материалов в зависимости от соотношения опилок и стружки как компонентов этих материалов [4], а также о влиянии полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала [2]. До появления работы [24], эта добавка использовалась только в дорожном строительстве [47].

Выполнены экспериментальные исследования древесно-цементных материалов, полученных с применением отходов лесопиления в сочетании с отходами камнеобработки [7]. В экспериментах на сжатие установлено, что добавка отходов в виде порошка стеатита повышает прочность древесно-цементного материала при относительно большой скорости деформирования (180 мм/с). Этот эффект позволяет рекомендовать данный материал для использования в зданиях при сейсмических и техногенных динамических воздействиях  [6, 7].

Комплексному решению проблемы рационального использования отходов лесопиления в качестве вторичного сырья способствует исследование сравнительной прочности при сдвиге цементно-песчаных и клеевых швов, соединяющих блоки из древесно-цементного материала [5, 59].

Новое направление в исследованиях древесно-цементных материалов связано с применением методов обработки изображений с целью прогнозирования его механических свойств без разрушения образцов [15, 27, 28].

Технические и технологические аспекты ресурсосбережения. Новые технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу рассмотрены в монографии [12], в которой, в частности, впервые исследован вопрос о влиянии изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы.

Смежные вопросы и технические решения для совершенствования технологий переработки древесины, рассмотрены в ряде других работ. Например, в [11, 26] на основе производственных экспериментов установлено, что для уменьшения количества отходов при производстве щепы целесообразно уменьшать долю короткомеров в потоке балансов. Чтобы уменьшить указанную долю короткомеров были предложены технические решения для интенсификации сортировки транспортируемых рольгангом круглых лесоматериалов по критерию длины при их подготовке к измельчению на щепу [9, 13].

На комплексное решение проблемы ресурсосбережения ориентировано исследование технологического процесса фракционирования полидисперсного сыпучего материала методом рассева на установках с ярусной компоновкой сит [16, 37].  Таким материалом является древесная щепа на выходе из рубительной машины. Техническое решение для повышения эффективности фракционирования сыпучих полидисперсных материалов предложено в работе [38].

Измельченная древесина, как известно, используется в качестве основного сырья в производстве древесно-стружечных плит. Новая клеевая композиция с наномодификатором для древесностружечных плит предложена в работах [53, 56].

Отходы в виде хвои сосны обыкновенной могут использоваться в качестве сырья для изготовления теплоизоляционных плит [32, 33], что, однако, требует продолжения исследований [34].

Обсуждение и заключение. Совершенствование технических и технологических решений [12] в области рационального использования древесины предполагает проведение не только экспериментальных исследований, но и применение новых информационных технологий, что отражено в работах [14, 21, 22, 27, 30]. Эффективность применения математического моделирования с учетом результатов экспериментов показывает, например, работа [40]. В этой работе теоретически обосновано, что при совместной обработке в корообдирочном барабане балансов неодинакового диаметра более интенсивному воздействию подвергаются балансы меньшего диаметра по сравнению с балансами большего диаметра. Установлена закономерность, показывающая, что уменьшение степени очистки от коры пропорционально квадрату увеличения диаметра. Адекватность результатов исследования подтверждена известными по литературе данными экспериментальными данными [24]. По результатам данной работы обоснована практическая рекомендация: в целях уменьшения потерь древесины необходимо сортировать балансы по диаметру до загрузки в корообдирочный барабан и обрабатывать балансы в барабане группами, чтобы минимизировать различие диаметров балансов, которые соударяются друг с другом в барабане.

Проблемы рационального использования ресурсов требуют для своего решения учета не только технических и технологических аспектов, но также экологических и социально-экономических граней проблемы [42, 43, 44, 58, 62], рассмотрение которых, однако, выходит за рамки данного обзора.

Завершая обзор, который, не являясь исчерпывающим, позволяет констатировать, что в работах, выполненных в Петрозаводском государственном университете и опубликованных в 2008-2014 годах, получены, в частности, нижеследующие новые результаты в области рационального использования отходов в виде коры и опилок.

Исследованы возможности применения скопа в качестве вторичного сырья для получения строительных материалов [45].

Разработана методика численного моделирования соударений балансов в корообдирочном барабане. В этой методике соударения балансов рассматриваются как источник контактной задачи. Решение данной задачи необходимо для прогнозирования силы соударений балансов друг с другом и с корпусом корообдирочного барабана. С применением конечно-элементной модели и энергетического критерия очередности перехода односторонних связей в действительное состояние [41] контактная задача сведена к поиску решения линейной задачи дополнительности [35, 48]. Исследован вопрос о совместной обработке в корообдирочном барабане балансов неодинакового диаметра и установлено, что при этом более интенсивному воздействию подвергаются балансы меньшего диаметра по сравнению с балансами большего диаметра. Обоснована закономерность, показывающая, что уменьшение степени очистки от коры пропорционально квадрату увеличения диаметра [40].

Экспериментально исследовано влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства [1, 2], а также влияние соотношения количества опилок и стружки в древесно-цементном материале и обоснованы рекомендации для практического использования [4].

Новизна и практическая значимость представленных выше результатов прикладных исследований в области рационального использования древесины подтверждена патентами РФ [17, 32, 33, 38, 39, 53, 56].

1. Андреев А.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Сюнёв В.С. Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. № 2-2 (7-2). С. 292-296.
2. Андреев А.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Сюнёв В.С. Уточнения к статье «Влияние новой полимерно-минеральной добавки на прочность древесно-цементного материала для малоэтажного строительства» // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-4 (8-4). С. 267-268.
3. Андреев А.А., Колесников Г.Н. Древесно-цементный композит как ортотропный материал: прочность в экспериментах на одноосное сжатие // В сборнике: ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. Петрозаводск, 2014. С. 5-10.
4. Андреев А.А., Колесников Г.Н. О рациональном соотношении количества опилок и стружки в древесно-цементном композите // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014. № 4 (141). С. 85-87.
5. Андреев А.А., Колесников Г.Н. Совершенствование технологии использования отходов лесопильных предприятий в производстве древесно-цементных материалов для малоэтажного строительства // Фундаментальные исследования. 2014. № 6-6. С. 1139-1143.
6. Андреев А.А., Колесников Г.Н., Чалкин А.А. Древесно-цементный композит с добавкой стеатита как конструкционный и демпфирующий материал // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014. № 6 (143). С. 75-78.
7. Андреев А.А., Колесников Г.Н., Чалкин А.А. Древесно-цементный материал для малоэтажного строительства: применение добавки отходов переработки стеатита для повышения прочности при одноосном сжатии // В сборнике: ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. Петрозаводск, 2014. С. 10-15.
8. Васильев А.С. Проблемно-ориентированные исследования процессов групповой окорки древесины // Петрозаводск, 2012. 84 с.
9. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Интенсификация сортировки транспортируемых рольгангом круглых лесоматериалов по критерию длины при их подготовке к измельчению на щепу // Фундаментальные исследования. 2013. № 10‑2. С. 257-260.
10. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 81. С. 270-279.
11. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н. Влияние технологии раскроя балансовой древесины на фракционный состав щепы // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2011. № 195. С. 125-133.
12. Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Колесников Г.Н., Симонова И.В. Технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу // Петрозаводск, 2013. 92 с.
13. Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Модуль рольганга с технологической функцией интенсификации выделения короткомеров из потока балансов // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. 2013. № 9. С. 145-149.
14. Васильев С.Б., Доспехова Н.А., Колесников Г.Н. Численное моделирование взаимодействия еловых балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Resources and Technology. 2013. Т. 10. № 1. С. 024-038.
15. Васильев С.Б., Ефлов В.Б., Копарев В.С. Учет реперных изображений для обработки образцов древесных композитов // В сборнике: Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. Петрозаводск, 2014. С. 56-62.
16. Васильев С.Б., Колесников Г.Н. Логистический подход к моделированию фракционирования сыпучих материалов // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2010. № 4. С. 61-65.
17. Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А. Секция рольганга для сортировки по длине транспортируемых лесоматериалов // Патент на полезную модель RU 134521 07.05.2013.
18. Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Никонова Ю.В., Раковская М.И. Влияние локальной жесткости корпуса корообдирочного барабана на изменение силы соударений и величину потерь древесины // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2008. № 96. С. 84-91.
19. Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Никонова Ю.В., Раковская М.И. Исследование закономерностей изменения силы соударений с целью снижения потерь при окорке древесины в барабане // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2008. № 185. С. 195-202.
20. Волынский В. Переработка и использование древесной коры // ЛесПромИнформ, 2012. № 2 (84). С. 168–170.
21. Гаврилов Т.А. Информационные технологии в междисциплинарных исследованиях возможностей ресурсосбережения // В сборнике: Информационная среда вуза XXI века: Материалы VII Международной научно-практической конференции. Петрозаводск, 2013. С. 48-50.
22. Гаврилов Т.А. Ресурсосберегающие технологии переработки отходов в виде биомассы древесины // В сборнике: Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. Петрозаводск, 2014. С. 20-24.
23. Гаврилов Т.А., Паталайнен Л.С., Колесников Г.Н. О ресурсосберегающих технологиях экологически безопасной утилизации древесной коры // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 7 (39). С. 59-64.
24. Григорьев И., Локштанов Б, Куницкая О., Гулько А. Повышение эффективности групповой механической окорки лесоматериалов. Часть 5. Размеры окариваемых лесоматериалов // ЛесПромИнформ. 2013. № 7 (97). С. 80-82.
25. Григорьев И.В., Гулько А.Е. Совершенствование технологии механической окорки лесоматериалов // ЛесПромИнформ, 2011. № 6 (80). С. 90–94.
26. Девятникова Л.А., Васильев С.Б., Колесников Г.Н. Влияние технологии раскроя балансов на фракционный состав щепы // Вестник Московского государственного университета леса – Лесной вестник. 2012. № 3 (86). С. 120-124.
27. Ефлов В.Б. Оценки фрактальной размерности древесных композитов // В сборнике: Hесурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. Петрозаводск, 2014. С. 50-56.
28. Ефлов В.Б., Андреев А.А., Колесников Г.Н. Фрактальная размерность изображения древесного композита и характеристики процесса разрушения // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 4-1 (9-1). С. 217-220.
29. Зайцева М. И. Обоснование новой технологии переработки порубочных остатков в компонент субстрата для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой// Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. ПетрГУ: Петрозаводск, 2010. 17 с.
30. Зайцева М.И., Девятникова Л.А., Никонова Ю.В., Колесников Г.Н. Информационные технологии в научно-исследовательской работе студентов технических факультетов // В сборнике: Информационная среда вуза XXI века: Материалы VII Международной научно-практической конференции. Петрозаводск, 2013. С. 86-89.
31. Зайцева М.И., Никонова Ю.В. Возможности использования отходов как компонента строительных материалов в республике Карелия // В сборнике: Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии: Сборник статей по материалам международной научно-практической конференции. Петрозаводский государственный университет. Петрозаводск, 2013. С. 30-36.
32. Зайцева М.И., Робонен Е.В., Колесников Г.Н., Чернобровкина Н.П., Васильев  С.Б. Теплоизоляционная древесноволокнистая плита // Патент на полезную модель RU 138680 06.09.2013.
33. Зайцева М.И., Робонен Е.В., Чернобровкина Н.П., Колесников Г.Н. Теплоизоляционная плита // Патент на полезную модель RU 138701 04.09.2013.
34. Зайцева М.И., Робонен Е.В., Чернобровкина Н.П., Колесников Г.Н. Утилизация отходов переработки хвои сосны обыкновенной//В сборнике: Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии: Сборник статей по материалам международной научно-практической конференции. Петрозаводский государственный университет. Петрозаводск, 2013. С. 25-30.
35. Колесников Г.Н. Алгоритм декомпозиции линейной задачи дополнительности и его применение для моделирования соударений балансов в корообдирочном барабане // Resources and Technology. 2013. Т. 10. № 2. С. 111-138.
36. Колесников Г.Н., Андреев А.А. Влияние водоцементного отношения на прочность и жесткость древесно-цементного композита как ортотропного материала в экспериментах на одноосное сжатие // В сборнике: Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции. Петрозаводск, 2014. С. 71-76.
37. Колесников Г.Н., Васильев С.Б. Математическая модель технологического процесса фракционирования полидисперсного сыпучего материала методом рассева на установках с ярусной компоновкой сит // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 3. С. 42-49.
38. Колесников Г.Н., Васильев С.Б., Андреев А.А.  Установка для фракционирования сыпучих полидисперсных материалов // Патент на полезную модель RU 117326 27.02.2012.
39. Колесников Г.Н., Васильев С.Б., Девятникова Л.А., Доспехова Н.А. Секция рольганга для сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине // Патент на полезную модель RU 117411 05.12.2011
40. Колесников Г.Н., Доспехова Н.А. Закономерности соударений и качество очистки балансов неодинакового диаметра в корообдирочном барабане // Фундаментальные исследования. 2013. № 10-15. С. 3328-3331.
41. Колесников Г.Н., Раковская М.И. Энергетический критерий очередности перехода односторонних связей в действительное состояние // Обозрение прикладной и промышленной математики. 2006. Т. 13. С. 652.
42. Колесников Н.Г. Методика оценки социально-экономического эффекта от внедрения импортозамещающих технологий в регионе // Математическое моделирование. 2002. Т. 14. № 9. С. 31.
43. Колесников Н.Г. Оценка социально-экономической эффективности субсидирования производства на периферийных территориях // Актуальные вопросы экономических наук. 2014. № 36. С. 50-56.
44. Колесников Н.Г., Петрова Н.В., Шевченко В.И. Объекты инфраструктуры туризма как элементы туристских дестинаций // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 9-3. С. 173-174.
45. Копарев В.С. Перспективы использования скопа в качестве сырья для производства древесно-цементной композиции // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-2 (8-2). С. 92-95.
46. Кузьминов И.Ф. Республика Карелия: современное состояние и перспективы развития лесопромышленного комплекса // Региональные исследования, 2011. – № 2. – С. 75–84.
47. Максимов А.Т., Змеев А.Т., Собко Г.И. Способ строительства дорожных одежд военно-автомобильных дорог из укрепленных цементом грунтов // Заявка на изобретение RU 2011107394. Опубликовано 08.27.2012.
48. Никонова Ю. В. Обоснование конструктивно-технологических параметров корообдирочных барабанов с применением численного моделирования динамического взаимодействия балансов: автореф. дисс. … канд. техн. наук // Петрозаводск, 2009. 20 с.
49. Никонова Ю.В., Раковская М.И., Рой К.Д. Поперечная жесткость круглых лесоматериалов: эксперименты и численное моделирование // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2012. Т. 2. № 8 (129). С. 69-72.
50. Падерин В. Рентабельность лесопиления и проблемы развития лесопиления в России // ЛесПромИнформ. 2014. №1(99). URL:http://www.lesprominform.ru/jarchive/articles/itemshow/3572
51. Питухин А.В., Васильев С.Б., Колесников Г.Н., Панов Н.Г., Копарев В.С. Модель разрушения древесностружечных плит при растяжении перпендикулярно пласти // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013. № 6 (135). С. 68-72.
52. Питухин А.В., Васильев С.Б., Панов Н.Г., Колесников Г.Н. Наноструктура клея и прочность древесно-стружечных плит // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. 2014. № 7-8. С. 22-24.
53. Питухин А.В., Васильев С.Б., Панов Н.Г., Рожков С.С., Колесников Г.Н., Копарев В.С. Древесно-стружечная плита // Патент на полезную модель RU 137500 03.07.2013.
54. Питухин А.В., Панов Н.Г., Колесников Г.Н., Васильев С.Б. Влияние добавки нанопорошка шунгита в клеевой раствор для изготовления трёхслойных древесностружечных плит на их физико-механические свойства // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 147.
55. Раковская М.И., Никонова Ю.В., Васильев А.С. Об алгоритме метода дискретных элементов применительно к исследованию технологического процесса очистки древесины в окорочном барабане // Информационные технологии моделирования и управления. 2008. № 1 (44). С. 119-124.
56. Рожкова Н.Н., Панов Н.Г., Питухин А.В., Рожков С.С., Васильев С.Б., Колесников Г.Н. Клеевая композиция с наномодификатором для древесностружечных плит // Описание изобретения к патенту RU 2520449 27.06.2012.
57. Селиверстов А.А., Герасимов Ю.Ю., Суханов Ю.В., Сюнёв В.С., Катаров В.К. Оценка эффективности производства топливной щепы на лесном терминале // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 8. С. 25-27.
58. Сердитова Н.Е. Экономика природопользования: эколого-экономический аспект // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета, 2007. № 4. С. 149-164.
59. Суханов М.А., Андреев А.А., Колесников Г.Н. Сравнительная прочность при сдвиге клеевых и цементно-песчаных швов, соединяющих блоки из древесно-цементного материала // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 7 (39). С. 94-97.
60. Филичкина М.В., Абрамов В.В., Самошин Д.С., Фролов Г.А. Особенности опилок как наполнителя при производстве материалов из древесных отходов//Лесотехнический журнал. 2013. № 2 (10). С. 26-30
61. Шегельман И.Р., Колесников Г.Н., Васильев А.С., Никонова Ю.В. Моделирование технологического процесса очистки древесины в корообдирочном барабане с применением метода дискретных элементов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2008. № 184. С. 172-179.
62. Шегельман И.Р., Полежаев К.В., Щукин П.О. Ресурсный потенциал энергетической древесины республики Карелия // Перспективы науки. 2011. № 25. С. 100-102.

Все статьи автора «kgn»