竹材热处理工艺优化研究

洪游游，翁甫金，潘 炘

（1.浙江省龙游县竹产业服务团，浙江 龙游324400；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州310023）

竹木材加工是以竹木材为原料，主要用机械或化学方法进行的加工，其产品仍保持竹木材的基本特性。竹木材蒸煮和炭化等热处理污水主要来源于竹木材加工业的工业生产过程［1－2］。随着人们生活水平的提高对家具业的要求也越来越高，使得竹木材加工业迅速发展［3］，导致了竹木材加工过程中产生的竹木材热处理污水水量逐年上升［4－5］。据国家统计局统计数据显示，近几年全国竹木材加工业排放的污水总量接近700万t·a－1。该类污水为高浓度、高悬浮物有机污水，若不经过处理直接排放，会对周围的环境造成严重的污染。

竹材热处理量与其产生的污水量比值为12～16∶1，以每日热处理量1 200 t竹材，以年生产300 d计算，需年处理竹材热处理废水2.25～3.00万t。且此类高浓度工业污水处理技术存在设备大型化、投资成本高、占地面积大和处理成本高等问题，且处理技术针对性不强，污水处理效果不稳定，目前国内外对竹材热处理污水的处理尚无成熟可靠的处理方法。因此，通过氧化剂加入量、加热方式、温度和时间控制等工艺优化，从源头减少污水中COD和木质素含量，减少污水排放量，同时优化加热模式提高热效能，实现竹材热处理过程的节能减排，减轻后续污水治理的压力，具有重要意义。

筛选竹材后续加工的必要指标，并进行分级作为热处理效果对比参数；通过不同加热模式的效果对比分析，优化模式提高热效能；同时通过氧化剂加入量、加热介质、温度和时间等因素对竹材热处理效果的对比分析，确定竹材热处理工艺的可调控范围。在可调控的范围内，优化氧化剂加入量、加热介质、温度和时间等参数，从源头减少污水中COD和木质素含量。

1 材料与方法

1.1 材料

压制好的竹束条，尺寸100 mm×10 mm；竹材热处理污水是竹束条过热蒸汽炭化产生的污水。

1.2 实验仪器

色差计，美国爱色丽，型号TNI18 X-Rite。锅炉，衢州大通锅炉制造有限公司生产，DZG1-0.8-M型，用于加热和提供过热蒸汽。电热恒温水浴锅、干燥箱、电子天平、白度仪（YQ-Z-48B）。

1.3 试验方法

竹材过热蒸汽炭化处理实验流程：竹束截断→竹束称重→过热蒸汽炭化试验→干燥→测量→试验结果分析→炭化工艺优化。

2 结果与讨论

2.1 炭化工艺对竹材热处理得率及废水排放量的影响

饱和蒸汽压与炭化时间等炭化工艺对竹材处理后吸水增量、废水排放量、废水COD的影响进行了对比分析，结果如表1、图1～图3所示。

表1 不同饱和蒸汽压力热处理竹条的质量变化、废水排放量及CODTab.1 Mass change，wastewater discharge and COD of bamboo strips under different saturated vapor pressure heat treatments

从饱和蒸汽压与炭化时间对竹材处理后吸水增量的影响来看，以处理得率为因变数Y，饱和蒸汽压气压为自变数X，在时间段为2.5 h的范围内做多项式回归拟合可得回归方程：Y＝－0.008 6X2+0.080 2X+0.840 7，R2＝0.978 4。方程相关系数＞0.97，相关性较好。从图1和回归方程都不难得出，随着炭化时间和饱和蒸汽压的提高，竹材处理后质量增加率越高，且与两者都呈正相关性。

图1 时间及饱和蒸气压对竹材处理的得率的影响Fig.1 Influence of time and saturated vapor pressure on mass acquisition rate of the treated bamboo

图2 时间及饱和蒸气压对竹材处理废水排出率的影响Fig.2 Influence of time and saturated vapor pressure on waste water discharge rate of bamboo treatment

图3 时间及饱和蒸气压对竹材处理废水总有机物排放的影响Fig.3 Influence of time and saturated vapor pressure on the organic discharge rate of bamboo treatment

从饱和蒸汽压与炭化时间对竹材处理后废水排放量与竹材处理量比值的影响来看，以蒸煮废水排放量与竹材处理量比值为因变数Y，饱和蒸汽压气压为自变数X，在时间段为2.5 h的范围内做多项式回归拟合可得回归方程：Y＝－0.379 1X2+13.733X+23.395，R2＝0.994 4。可见方程相关系数＞0.99，相关性极好。从图2和回归方程都可得出，随着炭化时间和饱和蒸汽压的提高，竹材处理废水排放量就越高，且与两者都呈正相关性。

从饱和蒸汽压与炭化时间对竹材处理后废水COD的影响来看，炭化时间和饱和蒸气压都会直接影响COD值，并且呈现正相关性，以总COD排放量为因变数Y，饱和蒸汽压气压为自变数X，在时间段为2.5 h的范围内做线性回归拟合可得回归方程：Y＝2 158.3X－5 161.5，R2＝0.976 2。可见方程相关系数＞0.97，相关性较好。同时从数据还可知当饱和蒸汽压大于4.2时，其COD值有一跃变。竹材的有机组成和木材相似，主要由纤维素（约55%）、木素（约25%）和半纤维素（戊聚糖约20%）构成。而饱和蒸汽压是由热处理温度决定的，当饱和蒸汽压为4.2时其对应的热处理温度为250℃左右，因此高温可能引起竹材中木素、半纤维素、纤维素部分基团热解，生成有机物，从而引起COD值跃增。同时过长的时间也会造成竹材中有机物的过量热解造成COD值增加，从而造成后续废水处理难度，因此需要对竹材热处理的饱和蒸汽压与时间进行优化。

2.2 炭化工艺对竹材表面色差度的影响

颜色作为材料的重要特征之一，是决定材料印象的重要因子，也是家具和室内装修设计中最生动、最活跃的因子，同时还是评价竹材商业价值的重要指标，是影响材料销售竞争力的重要因素［6］。竹材颜色的出现是竹材中化学成分吸收光所造成的，即光被竹材吸收后，残留的光再反射到人的眼睛里作为颜色而呈现［7］。竹材的变色也是从竹材组分中化学成分吸收光线开始的，一些竹材由于种种原因导致材色不理想，需要加以漂白或调色［8］。

生物质材料的变色是复杂的物理化学过程，是多种因素作用的结果［9］。竹材在炭化处理过程中会有不同程度的变色现象［10－12］。

表2为不同炭化处理工艺对竹材色差影响表，图4为热处理时间及饱和蒸气压对色差L*、a*、b*、ΔE*各值的影响图。其中L*为明度，完全白的物体视为100，完全黑的物体视为0。a*表征红绿轴色度指数，正值越大表示颜色越向红轴方向靠拢，负值越大表示越向绿轴方向靠拢。b*表征黄蓝轴色度指数，正值越大表示颜色越向黄轴方向靠拢，负值越大表示越向蓝轴方向靠拢。ΔE*为变色度，数值越大表示被测物和对照样颜色差别越大。

表2 不同饱和蒸汽压力热处理竹条的质量变化及废水排发量Tab.2 Mass changes and waste water discharges of bamboo strips under the treatments with different saturated steam pressures

从图4和表2可推导出未处理竹材色彩较浅，且偏白而热处理后，色彩向深暗变化。分别以L*值为因变量Y，饱和蒸气压为自变量X做多项式回归拟合可得回归方程：Y＝－1.240 6X2+4.401 5X+45.785，R2＝0.899 4。以a*值为因变量Y，饱和蒸气压为自变量X做多项式回归拟合可得回归方程：Y＝－0.486 4X2+4.407 9X+1.473 1，R2＝0.277 8。以b*值为因变量Y，饱和蒸气压为自变量X做多项式回归拟合可得回归方程：Y＝－1.307X2+8.223 7X+9.576 8，R2＝0.895 1。以ΔE*值为因变量Y，饱和蒸气压为自变量X做多项式回归拟合可得回归方程：Y＝－1.731 2X2+8.173X+44.901，R2＝0.932。从回归方程可知色差a*值变化与饱和蒸气压无规律可循，其相关系数极底。而L*、b*、ΔE*与蒸煮饱和蒸气压和时间均有较好的线性关系，因此饱和蒸气压和时间可以作为根据竹材不同表面色差处理要求而进行参数进行调节。

2.3 炭化处理工艺优化中试生产

根据竹材表面色差要求，根据前期数据积累分别优化炭化处理工艺，传统经验热处理工艺和优化热处理工艺详细如表3所示。

图4 时间及饱和蒸气压对竹材处理后表面色差度的影响Fig.4 Influence of time and saturated vapor pressure on surface chroma of treated bamboo

表3 传统工艺与优化工艺参数表Tab.3 Parameters of traditional and optimization process

表4为热处理工艺优化后和传统经验工艺废水排放量及COD值数据，从数据可知在达到竹材表面颜色要求下，其排水量和COD值都有不同程度的下降，降低了污水处理的难度。

表4 传统工艺与优化工艺蒸煮废水排放量及COD值比较Tab.4 Waste water discharge and its COD value of traditional process and optimized process

从2种热处理工艺后废水排放量比较图可得出，相同色系的竹材热优化工艺其废水减排量分别为11.53%（浅色系）、11.32%（中深色系）、12.5%（深色系）。同时由于优化后的热处理时间和压力都有所降低，因此废水中COD值也有不同程度的降低。

图5 传统与优化热处理后废水排放量比较Fig.5 Comparison ofwaste water discharge after traditional and optimized heat treatments

图6 传统与优化热处理后总有机物排放量比较Fig.6 Comparison of total organicmatter emissions after traditional and optimized heat treatments

从图6的2种工艺的总有机物排放量比较来看，优化后总有机物的排放量分别降低了51.91%（浅色系）、43.03%（中深色系）、28.56%（深色系）。浅色系由于优化热处理的温度较低为180℃左右，而传统工艺为230℃左右，且时间也较短。在该温度下绝大多数竹材中木素，半纤维素，纤维素部分基团不发生热解，因此蒸煮废水中COD值相比较于传统工艺下降最多，可以达到50%以上。而中深色系和深色系，饱和蒸气压大于3以上时（热处理温度都超过了230℃），竹材中木素，半纤维素，纤维素部分基团发生不同程度热解，因此COD值和总有机物排放量下降幅度有所降低，并且伴随着饱和蒸气压的加大，其COD值和总有机物排放量的降幅越小。

3 结论与讨论

竹材炭化处理时间和饱和蒸气压对炭化废水排放量和COD值均有较大影响，且都为正相关，饱和蒸气压越高，处理时间越长，则废水排放量越多、COD值越高。

竹材炭化处理时间和饱和蒸气压对竹材色差均有影响，其中色差a*值变化与饱和蒸气压和时间无规律，而L*、b*、ΔE*与蒸煮饱和蒸气压和时间均有较好的线性关系。通过建立相关性数学模型，，即可根据现有竹材产品颜色预估出热处理工艺，也可评估市场对竹材色彩需求而优化热处理工艺。

按蒸汽热处理竹材的市场需求，分为浅色系、中深色系、深色系。通过与传统经验蒸汽热处量工艺对比实验，优化后工艺处理的浅色系、中深色系、深色系竹材其单位质量废水排放量分别降低了11.53%、11.32%、12.5%，总有机物排放量分别降低了51.91%、43.03%、28.56%。