朱德濱，劉永鵬，程 承，方軍輝

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，昆明650224)

木材是一種易于加工、強度比較高的生物質(zhì)材料，作為工業(yè)和生活用材比同種用途的其它材料更能凸顯固碳減排、低碳節(jié)能的優(yōu)越性，從而得到了較廣泛的應(yīng)用。據(jù)FAO的預(yù)測，2020～2030年，全球僅鋸材與紙和紙板對木材的需求量將分別達到30.49億m3和38.74億m3，而世界工業(yè)材的總產(chǎn)量卻分別只有21.66億m3和24.57億m3，供需缺口高達8.83億m3和14.17億m3。我國也是木材供需矛盾十分突出的國家，在2015年供求缺口將達1.4～1.5億m3［1］，所以僅采用增加產(chǎn)量難以有效緩解木材的供需矛盾。眾所周知，廢棄木材被稱為未來的“第四森林資源”，即倒在地上的森林［2］。對廢棄木質(zhì)材料回收并加以利用是緩解木材供需矛盾，實現(xiàn)木材資源可持續(xù)利用的重要途徑，這一點已經(jīng)得到了廣泛的認同，但如何對廢棄木質(zhì)材料回收利用技術(shù)進行科學(xué)合理地選擇尚未有明確建議，因此本文在對廢舊木材的綜合利用進行分析與探討的同時，提出了基于固碳減排理念的廢棄木質(zhì)材料的多級利用建議，為實現(xiàn)對廢棄木質(zhì)材料高值高效的利用提供參考。

1 廢棄木質(zhì)材料的分類

廢棄木材是一個廣泛的概念，如果要做到物盡其用，就必須在掌握廢舊木材類別及其特性的基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)。目前廢棄木材的分類主要依據(jù)其來源與其特征進行劃分。日本按廢棄木材來源將其劃分為兩大類:一類來自家用及行業(yè)產(chǎn)生的廢棄木材;另一類來自產(chǎn)業(yè)廢棄木材，其中主要來自木制品加工制造業(yè)和建設(shè)業(yè)等［3］。德國則按廢棄木材等級和所含雜質(zhì)種類將其劃分為五個級別:未處理過的木料為A1級;施膠、鍍層和涂漆處理過的木料，但不含有鹵化金屬與防腐劑為A2級;含有鹵化金屬、不含防腐劑木料為A3級;含有防腐劑以及其它雜質(zhì)木料，但不含致癌有毒物質(zhì)為A4級;含致癌有毒物質(zhì)為A5級［4］。我國在借鑒國外廢棄木材分類基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實際情況，按產(chǎn)生渠道將廢棄木材劃分8類，按含有化學(xué)物質(zhì)種類將廢棄木材劃分5類，并提出了相應(yīng)的使用或處理的限制。

2 廢棄木質(zhì)材料利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外的研究者對廢棄木材的利用方式已經(jīng)開展了大量的研究。從利用方式來看，廢棄木材的利用大體上可分為直接利用、能源利用和其它方面的利用。

2.1 直接利用

通常意義上，直接利用是指對使用過的板材及木制成品經(jīng)過加工修整后重新利用。這里既包括基本上不改變廢棄木材原來的形狀、性質(zhì)和用途，又包括對其物理性質(zhì)、形狀和用途發(fā)生一些改變的應(yīng)用，如將其加工成為木屑、刨花和木片等應(yīng)用到其他方面。

2.1.1 重新制作實木制品及人造板

來自于家居生活和辦公中的廢棄木質(zhì)家具通過基本不改變原來的形狀、性質(zhì)和用途的簡單整修后，可以再送到二手市場銷售等［5］。對于大尺寸廢棄木材如梁柱、門框架，除去木材外周的腐朽或涂飾層后，可直接加工成實木板材、實木家具和實木制品(如門板，床板);廢棄實木地板，可以再加工成地板或門板、臺面板(桌椅臺面板);木質(zhì)托盤、木質(zhì)包裝箱和實木門窗料等可用來生產(chǎn)木質(zhì)包裝箱［6］。另外，還可以按照自己的想法將廢棄木材加工成為獨特的藝術(shù)品應(yīng)用在室內(nèi)和建筑裝飾當(dāng)中。這類利用方式主要針對尺寸較大、質(zhì)量較好的廢舊木材，此類利用方式也最為簡便直接。此外，將大尺寸廢棄木材經(jīng)旋(刨)切成0.4～10 mm之間單板用于生產(chǎn)各類膠合板，對于尺寸較小的廢棄木材加工成的刨花或者碎料可用于刨花板生產(chǎn)的原料［7］。

2.1.2 新型建筑材料

木材作為傳統(tǒng)的建筑用材主要用于木結(jié)構(gòu)房屋的框架、腹板和桁條等，這些都應(yīng)選用尺寸大且必須具有較好力學(xué)性能的木材。但由于廢棄木材整體物理性質(zhì)、力學(xué)性能發(fā)生一定的變化，所以必須有選擇的加以利用。俄羅斯研究人員通過對木材廢料(木屑、刨花)與礦物膠結(jié)劑進行壓制獲得一種結(jié)構(gòu)用方木。該方木抗彎強度為1.1MPa，抗壓強度達到8MPa，且具有極佳的抗蟲蛀性和難燃性［8］。日本積水化學(xué)工業(yè)公司利用長40 mm、寬5～15 mm、厚1～5 mm的廢舊木材碎片，涂上膠凝劑后進行蒸汽加熱和壓縮制成再生建筑材料。其彎曲強度可達到90MPa與新木材大體相當(dāng)，且生產(chǎn)成本與一般木材大致相同，優(yōu)點是不容易開裂，可用來制民居建筑的柱子和梁等［9］。在我國，浙江林業(yè)科學(xué)研究院以30%木屑與30%黑液木質(zhì)素為原料，加入35%廢舊聚丙烯塑料和5%的相容劑馬來酸酐接枝聚丙烯MAH-G-PP，經(jīng)攪拌混合、造粒以及螺桿擠出而制得仿木復(fù)合材料，經(jīng)測試抗壓強度與抗折強度分別可達222.4MPa和7.3MPa［10］;北京化工大學(xué)開發(fā)了一種木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)，可將廢棄木材和廢棄塑料及特制的粘合劑一起，經(jīng)過高溫高壓處理后制成用于結(jié)構(gòu)的型材［11］。黃國春利用最大粒徑小于2 mm的杉木木屑，以其摻量為水泥質(zhì)量分數(shù)的0.05%～0.15%作為灌漿材料，在治理水庫大壩漏水點得到了應(yīng)用［12］。近些年，廢棄木材在道路工程領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了發(fā)展。尤其是在日本，已經(jīng)實現(xiàn)了將其應(yīng)用在修筑路面、邊坡防護和以及綠化工程中。將重量比為3∶4∶3的廢舊木材、砂和膠凝材料混合拌制形成了具有一定強度的鋪裝用材料，而且該鋪裝材料已在日本的公園、人行道以及廣場等場合得到應(yīng)用［13］。日本綠化基礎(chǔ)材料研究小組將廢棄木材芯片和再生石膏、添加劑和結(jié)合料等混合形成植被基材，對坡度小于60°的邊坡進行了植物防護，取得很好的效果。為了保持土壤中水分、防止雜草生長，增加樹木生長所需養(yǎng)料，將收集的廢棄木材加工成薄芯片，并鋪灑在植物的根部，這種方法在美國的諾默爾鎮(zhèn)及日本部分地區(qū)得到了應(yīng)用［14］。這些研究和工程實踐為廢棄木材利用開辟了新的途徑，也拓寬了其在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

2.2 能源利用

在化石能源面臨危機的今天，可再生的生物質(zhì)能源受到各國的廣泛重視［15］。將廢棄木材、木屑等生物質(zhì)材料高溫高壓等條件下擠壓成一定的顆?；驂K狀新型燃料-木煤。據(jù)測算，該類燃料燃燒效率與煤相差不大，但排放污染遠小于煤、石油等化石燃料，燃燒后的有機物也可以用作肥料［16］。廢棄木材還可以用來直接燃燒發(fā)電和氣化發(fā)電，氣化發(fā)電［17］比直接燃燒發(fā)電對木材的利用效率提高了約30%。廢棄木材通過熱解可以獲得液態(tài)的木焦油、氣態(tài)的木煤氣和固態(tài)的木炭。此外，有報道顯示，加拿大的艾歐基公司已經(jīng)生產(chǎn)出纖維乙醇燃料，該類燃料是以木屑和稻草為原材料，在“皮膚病霉”(JUNGLEROT)作用下產(chǎn)生的，現(xiàn)有的汽車在不需要任何改裝的情況下就可以直接利用摻加10%該乙醇燃料的汽油［18］。

2.3 其它方式利用

廢棄木材的其他方式利用一方面應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn);另一方面可將廢棄木材轉(zhuǎn)化為工業(yè)原材料。在農(nóng)業(yè)方面，廢棄木材可直接作為堆積發(fā)酵料，廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物研究所利用廣西廣泛分布的桉樹與桑樹制成木屑與棉籽殼按一定比例混合進行食用菌菌種生產(chǎn)，降低了食用菌的生產(chǎn)成本［19］。廢棄木材也可在熱處理后產(chǎn)生木醋液，木醋液能夠有效促進植物的生長［20］。另外，廢棄木材制成鋸木屑經(jīng)篩分，以50%的木屑，15%米糠，35%青飼料混合后加入丁香面，經(jīng)酒曲發(fā)酵可制成環(huán)保經(jīng)濟的豬飼料［21］，既經(jīng)濟又環(huán)保。在工業(yè)上，如通過削片、蒸煮和制漿等工序獲得木纖維作為原料，可用于造紙行業(yè)［22］，對其廢液磺化后獲得減水劑。利用生物質(zhì)及木質(zhì)素制備的木質(zhì)素包膜尿素，一種緩釋尿素，其最高的氮肥利用率比普通尿素提高了12.49%［23］;由廢棄木材加工成的生物質(zhì)油，將其加入到瀝青混合料中可以明顯降低瀝青混合料的拌合溫度，并能夠改善瀝青的高溫性能［24］;由廢棄木材裂解產(chǎn)生的木焦油，在催化劑作用下可進一步生產(chǎn)出改性酚醛樹脂泡沫塑料，相關(guān)強度指標均復(fù)合國家標準要求［25］。另外，有研究顯示，對木屑進行改性處理后可制成活性炭或直接作為廢水處理中的吸附劑，可顯著降低水中重金屬離子與酸性紅的含量。［26-27］。此外，對于含有毒雜質(zhì)的廢舊木材處理后可以利用新技術(shù)生產(chǎn)加工成具有優(yōu)越絕緣和熱特性的木陶瓷，或生產(chǎn)加工成碳纖維等新型材料［28-29］。

3 評述與多級利用建議

從廢棄木質(zhì)材料分類方面來看，德國將木材按等級和含有雜質(zhì)種類劃分對廢棄木質(zhì)材料回收利用具有指導(dǎo)意義。如A1、A2級的回收廢棄木料可用來生產(chǎn)人造板;處理過的、已經(jīng)受到污染的A3至A5級木料，是用于產(chǎn)生能源的好物料。這不僅降低了生產(chǎn)成本還節(jié)省了能耗。我國在吸取了國外的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，也從指導(dǎo)廢棄木材回收利用角度將廢棄木材分為5類并對各類做了詳細的規(guī)定，A類和B類不應(yīng)直接作為燃料使用，可按“大材大用、優(yōu)材優(yōu)用”的原則用于人造板制作，還可以采用熱壓方式制作工藝品或?qū)嵱弥破?，這兩類廢棄木質(zhì)材料的加工剩余物還可以用于制造木塑復(fù)合材料。C類、D類能用利用時，只能與其他材料混合后，制成工業(yè)燃料用于鍋爐或火力發(fā)電燃料。E類廢棄木質(zhì)材料在用作燃料使用不能降解的情況下應(yīng)作廢棄物處理，或在一定條件下可以填埋處理，但需防止造成地下水、土壤等環(huán)境污染。從廢棄木質(zhì)材料利用技術(shù)方面來看，各國都積極地開展了相關(guān)科研與工程實踐，在能源利用等方面尤為突出，這與生物質(zhì)能源獨特的優(yōu)點分離不開。但許多廢棄木質(zhì)材料回收利用技術(shù)單單考慮了如何利用廢棄木質(zhì)材料，而對其利用率、利用過程中的能耗與成本尚未做過多地考慮，這樣一來盲目地對廢棄木質(zhì)材料的利用將會造成對廢棄木質(zhì)材料的二次浪費，也有可能對環(huán)境產(chǎn)生不良影響，如何科學(xué)合理地選擇廢棄木質(zhì)材料利用技術(shù)成為目前林業(yè)科研工作者及生產(chǎn)企業(yè)亟需考慮的問題。

圖1 廢棄木質(zhì)材料多級循環(huán)利用示意圖Fig.1 The schematic diagram of multi-level utilization of waste wood materials

鑒于此，筆者提出了采用多級利用方式的建議，以此實現(xiàn)廢棄木材的高值高效利用。所謂的多級利用主要是基于固碳減排理念，在廢棄木材利用過程中盡可能地采取合理的技術(shù)減少碳排放或增加廢棄木材利用次數(shù)，從而使木材在生長過程中所固定的碳元素更長時間地貯存于木材中，減少以二氧化碳的形式釋放［30］。因此需要在廢棄木材利用時，首先對于大尺寸且其物理、力學(xué)性能仍舊良好的木材，進行簡單修整后重新制成實木制品等，這種利用方式是最直接、經(jīng)濟和合理的，應(yīng)首當(dāng)推崇。其次對于品質(zhì)較好的小塊碎料或鋸材木屑，其物理、力學(xué)性能也仍較好，加工成不同粒徑的木屑，用于人造板生產(chǎn)或作為建筑材料，而且這種方式可循環(huán)利用。再次對于品質(zhì)稍差，加工時的邊角廢料和多次循環(huán)利用后的廢舊木材，由于其物理、力學(xué)性質(zhì)有所改變，因此對于品質(zhì)稍差的進行制漿和造紙從而實現(xiàn)循環(huán)利用。對于經(jīng)過一次或多次重復(fù)物質(zhì)直接利用的廢棄木材可以堆肥或作為供熱能的燃料。具體見多級利用示意圖(如圖1所示)。

對于廢棄木質(zhì)材料多級循環(huán)利用，除了改變傳統(tǒng)觀念以固碳減排為基本理念外，政府、科研人員及企業(yè)在今后一段時期內(nèi)還需采取多方合作、調(diào)研等方式，加快建立以廢棄木質(zhì)材料利用率、利用過程能耗以及成本等多指標的評價體系，從而保障廢棄木質(zhì)材料多級利用朝著更高層次地多級循環(huán)利用方式發(fā)展。

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