废弃木质材料利用现状评述与多级循环利用建议

朱德滨，刘永鹏，程 承，方军辉

(西南林业大学土木工程学院，昆明650224)

木材是一种易于加工、强度比较高的生物质材料，作为工业和生活用材比同种用途的其它材料更能凸显固碳减排、低碳节能的优越性，从而得到了较广泛的应用。据FAO的预测，2020～2030年，全球仅锯材与纸和纸板对木材的需求量将分别达到30.49亿m3和38.74亿m3，而世界工业材的总产量却分别只有21.66亿m3和24.57亿m3，供需缺口高达8.83亿m3和14.17亿m3。我国也是木材供需矛盾十分突出的国家，在2015年供求缺口将达1.4～1.5亿m3［1］，所以仅采用增加产量难以有效缓解木材的供需矛盾。众所周知，废弃木材被称为未来的“第四森林资源”，即倒在地上的森林［2］。对废弃木质材料回收并加以利用是缓解木材供需矛盾，实现木材资源可持续利用的重要途径，这一点已经得到了广泛的认同，但如何对废弃木质材料回收利用技术进行科学合理地选择尚未有明确建议，因此本文在对废旧木材的综合利用进行分析与探讨的同时，提出了基于固碳减排理念的废弃木质材料的多级利用建议，为实现对废弃木质材料高值高效的利用提供参考。

1 废弃木质材料的分类

废弃木材是一个广泛的概念，如果要做到物尽其用，就必须在掌握废旧木材类别及其特性的基础上才能实现。目前废弃木材的分类主要依据其来源与其特征进行划分。日本按废弃木材来源将其划分为两大类:一类来自家用及行业产生的废弃木材;另一类来自产业废弃木材，其中主要来自木制品加工制造业和建设业等［3］。德国则按废弃木材等级和所含杂质种类将其划分为五个级别:未处理过的木料为A1级;施胶、镀层和涂漆处理过的木料，但不含有卤化金属与防腐剂为A2级;含有卤化金属、不含防腐剂木料为A3级;含有防腐剂以及其它杂质木料，但不含致癌有毒物质为A4级;含致癌有毒物质为A5级［4］。我国在借鉴国外废弃木材分类基础上，结合我国实际情况，按产生渠道将废弃木材划分8类，按含有化学物质种类将废弃木材划分5类，并提出了相应的使用或处理的限制。

2 废弃木质材料利用技术发展现状

国内外的研究者对废弃木材的利用方式已经开展了大量的研究。从利用方式来看，废弃木材的利用大体上可分为直接利用、能源利用和其它方面的利用。

2.1 直接利用

通常意义上，直接利用是指对使用过的板材及木制成品经过加工修整后重新利用。这里既包括基本上不改变废弃木材原来的形状、性质和用途，又包括对其物理性质、形状和用途发生一些改变的应用，如将其加工成为木屑、刨花和木片等应用到其他方面。

2.1.1 重新制作实木制品及人造板

来自于家居生活和办公中的废弃木质家具通过基本不改变原来的形状、性质和用途的简单整修后，可以再送到二手市场销售等［5］。对于大尺寸废弃木材如梁柱、门框架，除去木材外周的腐朽或涂饰层后，可直接加工成实木板材、实木家具和实木制品(如门板，床板);废弃实木地板，可以再加工成地板或门板、台面板(桌椅台面板);木质托盘、木质包装箱和实木门窗料等可用来生产木质包装箱［6］。另外，还可以按照自己的想法将废弃木材加工成为独特的艺术品应用在室内和建筑装饰当中。这类利用方式主要针对尺寸较大、质量较好的废旧木材，此类利用方式也最为简便直接。此外，将大尺寸废弃木材经旋(刨)切成0.4～10 mm之间单板用于生产各类胶合板，对于尺寸较小的废弃木材加工成的刨花或者碎料可用于刨花板生产的原料［7］。

2.1.2 新型建筑材料

木材作为传统的建筑用材主要用于木结构房屋的框架、腹板和桁条等，这些都应选用尺寸大且必须具有较好力学性能的木材。但由于废弃木材整体物理性质、力学性能发生一定的变化，所以必须有选择的加以利用。俄罗斯研究人员通过对木材废料(木屑、刨花)与矿物胶结剂进行压制获得一种结构用方木。该方木抗弯强度为1.1MPa，抗压强度达到8MPa，且具有极佳的抗虫蛀性和难燃性［8］。日本积水化学工业公司利用长40 mm、宽5～15 mm、厚1～5 mm的废旧木材碎片，涂上胶凝剂后进行蒸汽加热和压缩制成再生建筑材料。其弯曲强度可达到90MPa与新木材大体相当，且生产成本与一般木材大致相同，优点是不容易开裂，可用来制民居建筑的柱子和梁等［9］。在我国，浙江林业科学研究院以30%木屑与30%黑液木质素为原料，加入35%废旧聚丙烯塑料和5%的相容剂马来酸酐接枝聚丙烯MAH-G-PP，经搅拌混合、造粒以及螺杆挤出而制得仿木复合材料，经测试抗压强度与抗折强度分别可达222.4MPa和7.3MPa［10］;北京化工大学开发了一种木塑复合材料的生产技术，可将废弃木材和废弃塑料及特制的粘合剂一起，经过高温高压处理后制成用于结构的型材［11］。黄国春利用最大粒径小于2 mm的杉木木屑，以其掺量为水泥质量分数的0.05%～0.15%作为灌浆材料，在治理水库大坝漏水点得到了应用［12］。近些年，废弃木材在道路工程领域的应用也得到了发展。尤其是在日本，已经实现了将其应用在修筑路面、边坡防护和以及绿化工程中。将重量比为3∶4∶3的废旧木材、砂和胶凝材料混合拌制形成了具有一定强度的铺装用材料，而且该铺装材料已在日本的公园、人行道以及广场等场合得到应用［13］。日本绿化基础材料研究小组将废弃木材芯片和再生石膏、添加剂和结合料等混合形成植被基材，对坡度小于60°的边坡进行了植物防护，取得很好的效果。为了保持土壤中水分、防止杂草生长，增加树木生长所需养料，将收集的废弃木材加工成薄芯片，并铺洒在植物的根部，这种方法在美国的诺默尔镇及日本部分地区得到了应用［14］。这些研究和工程实践为废弃木材利用开辟了新的途径，也拓宽了其在建筑工程领域的应用范围。

2.2 能源利用

在化石能源面临危机的今天，可再生的生物质能源受到各国的广泛重视［15］。将废弃木材、木屑等生物质材料高温高压等条件下挤压成一定的颗粒或块状新型燃料-木煤。据测算，该类燃料燃烧效率与煤相差不大，但排放污染远小于煤、石油等化石燃料，燃烧后的有机物也可以用作肥料［16］。废弃木材还可以用来直接燃烧发电和气化发电，气化发电［17］比直接燃烧发电对木材的利用效率提高了约30%。废弃木材通过热解可以获得液态的木焦油、气态的木煤气和固态的木炭。此外，有报道显示，加拿大的艾欧基公司已经生产出纤维乙醇燃料，该类燃料是以木屑和稻草为原材料，在“皮肤病霉”(JUNGLEROT)作用下产生的，现有的汽车在不需要任何改装的情况下就可以直接利用掺加10%该乙醇燃料的汽油［18］。

2.3 其它方式利用

废弃木材的其他方式利用一方面应用于农业生产;另一方面可将废弃木材转化为工业原材料。在农业方面，废弃木材可直接作为堆积发酵料，广西农业科学院微生物研究所利用广西广泛分布的桉树与桑树制成木屑与棉籽壳按一定比例混合进行食用菌菌种生产，降低了食用菌的生产成本［19］。废弃木材也可在热处理后产生木醋液，木醋液能够有效促进植物的生长［20］。另外，废弃木材制成锯木屑经筛分，以50%的木屑，15%米糠，35%青饲料混合后加入丁香面，经酒曲发酵可制成环保经济的猪饲料［21］，既经济又环保。在工业上，如通过削片、蒸煮和制浆等工序获得木纤维作为原料，可用于造纸行业［22］，对其废液磺化后获得减水剂。利用生物质及木质素制备的木质素包膜尿素，一种缓释尿素，其最高的氮肥利用率比普通尿素提高了12.49%［23］;由废弃木材加工成的生物质油，将其加入到沥青混合料中可以明显降低沥青混合料的拌合温度，并能够改善沥青的高温性能［24］;由废弃木材裂解产生的木焦油，在催化剂作用下可进一步生产出改性酚醛树脂泡沫塑料，相关强度指标均复合国家标准要求［25］。另外，有研究显示，对木屑进行改性处理后可制成活性炭或直接作为废水处理中的吸附剂，可显著降低水中重金属离子与酸性红的含量。［26-27］。此外，对于含有毒杂质的废旧木材处理后可以利用新技术生产加工成具有优越绝缘和热特性的木陶瓷，或生产加工成碳纤维等新型材料［28-29］。

3 评述与多级利用建议

从废弃木质材料分类方面来看，德国将木材按等级和含有杂质种类划分对废弃木质材料回收利用具有指导意义。如A1、A2级的回收废弃木料可用来生产人造板;处理过的、已经受到污染的A3至A5级木料，是用于产生能源的好物料。这不仅降低了生产成本还节省了能耗。我国在吸取了国外的经验基础上，也从指导废弃木材回收利用角度将废弃木材分为5类并对各类做了详细的规定，A类和B类不应直接作为燃料使用，可按“大材大用、优材优用”的原则用于人造板制作，还可以采用热压方式制作工艺品或实用制品，这两类废弃木质材料的加工剩余物还可以用于制造木塑复合材料。C类、D类能用利用时，只能与其他材料混合后，制成工业燃料用于锅炉或火力发电燃料。E类废弃木质材料在用作燃料使用不能降解的情况下应作废弃物处理，或在一定条件下可以填埋处理，但需防止造成地下水、土壤等环境污染。从废弃木质材料利用技术方面来看，各国都积极地开展了相关科研与工程实践，在能源利用等方面尤为突出，这与生物质能源独特的优点分离不开。但许多废弃木质材料回收利用技术单单考虑了如何利用废弃木质材料，而对其利用率、利用过程中的能耗与成本尚未做过多地考虑，这样一来盲目地对废弃木质材料的利用将会造成对废弃木质材料的二次浪费，也有可能对环境产生不良影响，如何科学合理地选择废弃木质材料利用技术成为目前林业科研工作者及生产企业亟需考虑的问题。

图1 废弃木质材料多级循环利用示意图Fig.1 The schematic diagram of multi-level utilization of waste wood materials

鉴于此，笔者提出了采用多级利用方式的建议，以此实现废弃木材的高值高效利用。所谓的多级利用主要是基于固碳减排理念，在废弃木材利用过程中尽可能地采取合理的技术减少碳排放或增加废弃木材利用次数，从而使木材在生长过程中所固定的碳元素更长时间地贮存于木材中，减少以二氧化碳的形式释放［30］。因此需要在废弃木材利用时，首先对于大尺寸且其物理、力学性能仍旧良好的木材，进行简单修整后重新制成实木制品等，这种利用方式是最直接、经济和合理的，应首当推崇。其次对于品质较好的小块碎料或锯材木屑，其物理、力学性能也仍较好，加工成不同粒径的木屑，用于人造板生产或作为建筑材料，而且这种方式可循环利用。再次对于品质稍差，加工时的边角废料和多次循环利用后的废旧木材，由于其物理、力学性质有所改变，因此对于品质稍差的进行制浆和造纸从而实现循环利用。对于经过一次或多次重复物质直接利用的废弃木材可以堆肥或作为供热能的燃料。具体见多级利用示意图(如图1所示)。

对于废弃木质材料多级循环利用，除了改变传统观念以固碳减排为基本理念外，政府、科研人员及企业在今后一段时期内还需采取多方合作、调研等方式，加快建立以废弃木质材料利用率、利用过程能耗以及成本等多指标的评价体系，从而保障废弃木质材料多级利用朝着更高层次地多级循环利用方式发展。

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