Ανακύκλωση πρώτων υλών ξυλοπλακών μετά την ανάκτησή τους από παλιές ξύλινες κατασκευές (έπιπλα) με χρήση υδροθερμικών χειρισμών

Abstract

The particleboard and fibreboard waste constitutes in our days an important part of urban waste stream because they are used in increasing amounts for the production of interior wood constructions. The management of such waste already troubles the modern societies. Nevertheless, via recycling it is possible this waste material to constitute a valuable resource for the production of new wood based panels thus helping on one part in the partial satisfaction of increased needs for wood and on the other part in the restriction of problems caused by these materials when they are landfilled. The modern particleboard and fibreboard recycling processes include hydrothermal treatments and to a large extent have dealt with problems involved in previous related recovery methods. The aim of the present thesis was to study the possibility of applying hydrothermal treatments for the recovery of raw materials used in the production of particleboards and medium density fibreboards and their reuse in the production of new (recycled) boards. The research was carried out in 3 phases, the first two of which aimed at finding out the optimal conditions for recovery of wood particles from industrial particleboards. In particular, the 1st phase of research was carried out in order to roughly estimate the efficiency of various recovery conditions using as criterion the quality of the recovered material. From the 1st phase 7, groups of recovery conditions arised, which were applied in the 2nd phase. In this phase, recycled particleboards were produced from the recovered materials and their properties were evaluated. The optimal recovery conditions that finally resulted included particleboard impregnation with water (45% retention) and 10 min hydrothermal treatment with saturated steam at a temperature of 150°C. These conditions were applied in the 3rd phase of research for the recovery of raw materials from particleboards and fibreboards derived from old wooden constructions and their utilization in the production of new (recycled) particleboards. Particularly, wood particles and coverings (plastic coverings and veneers) from old particleboards as well as fibres from old medium density fibreboards were recovered. Using the above materials in various combinations with fresh wood particles, 13 different types of particleboards were produced. The properties of the produced boards were determined in order to study the effect that the participation of recovered material (with and without the recovered coverings) has on the quality of the boards. Also studied was the effect of the participation of recovered fibres, when used in the surface layers in mixture with recovered particles, on the quality of the boards. Finally, also studied was the effect of recycling on the quality of particleboards made on one hand of 100% fresh wood particles and on the other hand of 100% recovered material from old particleboards. The results of the 3rd research phase show that the wood particle recovery with hydrothermal treatments caused a reduction of their acidity and formaldehyde emission, an increase of the total extract content and more specifically an increase of ethanol-toluene solubility, while it does not appear to considerably influence the ash content. Regarding the chemical structural components of wood, the hydrothermal treatments caused a reduction of holocellulose and minor alteration of lignin content. In regard to the board properties, the participation of old particleboard recovered material (including the crushed recovered coverings in the core layer) up to 35% do not have substantial influence on the main properties of the recycled boards. Similarly, percentages of old particleboard recovered material (after removing of recovered coverings) up to 50% do not negatively influence the quality of the recycled particleboards. By increasing the participation amounts of old particleboard recovered material in laboratory particleboards (manufactured by fresh material), a considerable decrease of board formaldehyde content occurred. Repeated recycling procedure caused a further reduction of boards formaldehyde content. Moreover, both recycled boards made with 100% fresh material and recycled boards made with 100% recovered material from old particleboards presented, with the exception of the modulus of elasticity in bending, considerably downgraded quality compared to the properties of initial boards. In addition, the replacement of hydrothermally recovered wood particles in the surface layers by recovered fibres in a proportion of 10 and 15% does not cause important change in mechanical but considerably downgrades the hygroscopic properties of the recycled particleboards. Regarding colour changes, the replacement of fresh wood particles by old particleboard recovered material in rates up to 50% did not cause colour differences perceptible by the human eye. Finally, concerning the waste generated during the applied recovery process it was found out that it contains high concentration of ammonium ions which seems to exceed the current marginal values for tap water in Greece. However, it could, under terms, be possible (regarding the determined constituents) to reject the waste in surface waters. The values of the other ions detected in the waste (Cl⁻, NO⁻₃, SO₄²⁻, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺) did not exceed the marginal values of related Greek standards.

Τα απορρίμματα μοριοπλακών και ινοπλακών αποτελούν στις μέρες μας σημαντικό μέρος των αστικών απορριμμάτων καθώς χρησιμοποιούνται με συνεχώς αυξανόμενους ρυθμούς στην παραγωγή ξυλοκατασκευών εσωτερικών χώρων. Η διαχείρισή των απορριμμάτων τους ήδη προβληματίζει τις σύγχρονες ανεπτυγμένες κοινωνίες. Παρόλα αυτά, μέσω της ανακύκλωσης είναι δυνατό να αποτελέσουν πολύτιμη πρώτη ύλη για παραγωγή νέων ξυλοπλακών και έτσι να βοηθήσουν αφενός στη μερική κάλυψη των αυξημένων αναγκών σε ξύλο και αφετέρου στον περιορισμό προβλημάτων που τα ίδια προκαλούν ως απορρίμματα. Οι σύγχρονες μέθοδοι ανακύκλωσης μοριοπλακών και ινοπλακών περιλαμβάνουν υδροθερμικούς χειρισμούς και έχουν σε μεγάλο βαθμό αντιμετωπίσει προβλήματα προγενέστερων μεθόδων. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη των δυνατοτήτων ανάκτησης (μέσω υδροθερμικών χειρισμών) υλικών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μοριοπλακών και ινοπλακών μέσης πυκνότητας και η χρήση τους στην παραγωγή νέων (ανακυκλωμένων) ξυλοπλακών. Η έρευνα διεξήχθη σε 3 φάσεις, εκ των οποίων οι πρώτες δύο αποσκοπούσαν στην ανεύρεση των βέλτιστων συνθηκών ανάκτησης ξυλοτεμαχιδίων από βιομηχανικές μοριοπλάκες. Συγκεκριμένα, στην 1η φάση της έρευνας πραγματοποιήθηκε αδρομερής εκτίμηση διαφόρων συνδυασμών συνθηκών ανάκτησης με κριτήριο την ποιότητα του ανακτηθέντος υλικού. Από τη διεξαγωγή της 1ης φάσης προέκυψαν 7 ομάδες συνθηκών με βάση τις οποίες στη 2η φάση παρήχθησαν ανακυκλωμένες μοριοπλάκες στις οποίες έγινε λεπτομερής έλεγχος ιδιοτήτων. Οι βέλτιστες συνθήκες ανάκτησης που τελικά προέκυψαν από τη 2η φάση περιλαμβάνουν εμποτισμό των μοριοπλακών με νερό σε ποσοστό 45% και υδροθερμικό χειρισμό διάρκειας 10min με κορεσμένο ατμό θερμοκρασίας 150°C. Οι συνθήκες αυτές εφαρμόστηκαν στην 3η φάση της έρευνας για ανακτήσεις υλικών από μοριοπλάκες και ινοπλάκες και χρήση αυτών στην κατασκευή νέων (ανακυκλωμένων) μοριοπλακών. Συγκεκριμένα ανακτήθηκαν ξυλοτεμαχίδια και επικαλύψεις (πλαστικά φύλλα και ξυλόφυλλα) από παλιές μοριοπλάκες όπως επίσης και ίνες από παλιές ινοπλάκες ξύλινων κατασκευών. Χρησιμοποιώντας τα ως άνω υλικά σε συνδυασμό με ξυλοτεμαχίδια βιομηχανίας σε διάφορες μίξεις κατασκευάστηκαν 13 διαφορετικοί τύποι μοριοπλακών προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση του ποσοστού συμμετοχής ανακτημένου από παλιές μοριοπλάκες υλικού (με και χωρίς τις ανακτηθείσες επικαλύψεις) στην ποιότητα των μοριοπλακών. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση του ποσοστού συμμετοχής ανακτημένων ινών από παλιές ινοπλάκες στις επιφανειακές στρώσεις μοριοπλακών. Τέλος μελετήθηκε η επίδραση της ανακύκλωσης μοριοπλακών από βιομηχανικά ξυλοτεμαχίδια (100%) και μοριοπλακών από ανακτημένα ξυλοτεμαχίδια παλαιών ξύλινων κατασκευών στην ποιότητα των ανακυκλωμένων μοριοπλακών. Από τα αποτελέσματα της 3ης φάσης της έρευνας προέκυψε ότι η ανάκτηση ξυλοτεμαχιδίων με υδροθερμικούς χειρισμούς επιφέρει σε αυτά μείωση της οξύτητας και της εκλυόμενης φορμαλδεΰδης, προκαλεί αύξηση του συνόλου των εκχυλισμάτων και ειδικότερα αύξηση της διαλυτότητας σε μίγμα αιθανόλης-τολουολίου, ενώ δε φαίνεται να επηρεάζει σημαντικά το ποσοστό της τέφρας. Επίσης όσο αφορά τα χημικά δομικά συστατικά του ξύλου, οι υδροθερμικοί χειρισμοί ανάκτησης προκαλούν μείωση του ποσοστού της ολοκυτταρίνης αλλά πολύ μικρές μεταβολές της λιγνίνης του ξύλου. Σε ότι αφορά τις ιδιότητες των πλακών, η συμμετοχή ανακτημένων από παλαιές μοριοπλάκες ξυλοτεμαχιδίων (συμπεριλαμβανομένων των ανακτημένων επικαλύψεων -μετα από θρυμματισμό τους- στη μεσαία στρώση) σε ποσοστό έως 35% δεν παρουσιάζει σημαντικές επιπτώσεις στις κύριες ιδιότητες των ανακυκλωμένων πλακών. Παρομοίως, η συμμετοχή ανακτημένων από παλαιές μοριοπλάκες ξυλοτεμαχιδίων (μετά την αφαίρεση των ανακτημένων επικαλύψεων) σε ποσοστό έως 50% δεν επηρεάζει αρνητικά την ποιότητα των ανακυκλωμένων μοριοπλακών. Αυξανομένης της ποσοστιαίας συμμετοχής ανακτημένου υλικού από παλαιές μοριοπλάκες σε εργαστηριακές μοριοπλάκες κατασκευασμένες σε μίξη με υλικό βιομηχανίας η περιεχόμενη φορμαλδεΰδη μειώνεται σημαντικά. Η αύξηση του αριθμού των ανακτήσεων επιφέρει μείωση της περιεχόμενης στις πλάκες φορμαλδεΰδης. Επιπλέον, οι μοριοπλάκες της 1ης ανακύκλωσης (για την περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε 100% υλικό βιομηχανίας) και 2ης ανακύκλωσης (για την περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε 100% ανακτημένο από παλιές μοριοπλάκες υλικό) παρουσιάζουν, με εξαίρεση το μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη, σημαντικά υποβαθμισμένη ποιότητα σε σχέση με τις ιδιότητες των αρχικών πλακών. Επιπροσθέτως, η αντικατάσταση των υδροθερμικά ανακτημένων ξυλοτεμαχιδίων στις επιφανειακές στρώσεις από ανακτημένες ίνες (MDF) σε ποσοστό 10 και 15% δεν προκαλεί σημαντική μεταβολή στις μηχανικές αλλά υποβαθμίζει σημαντικά τις υγροσκοπικές ιδιότητες των ανακυκλωμένων μοριοπλακών. Σε ότι αφορά τις μεταβολές χρώματος, η αντικατάσταση ξυλοτεμαχιδίων βιομηχανίας από ανακτημένα από παλιές μοριοπλάκες ξυλοτεμαχίδια σε ποσοστό ως 50% δεν προκαλεί αντιληπτές από το ανθρώπινο μάτι διαφορές αποχρώσεων. Τέλος, σε ότι αφορά τα απόβλητα που προκύπτουν κατά τη διαδικασία ανάκτησης προσδιορίστηκε υψηλή συγκέντρωση ιόντων αμμωνίου η οποία είναι υψηλότερη από τα ισχύοντα όρια για το πόσιμο νερό. Όμως είναι δυνατή (όσο αφορά τα προσδιορισθέντα συστατικά) η υπό προϋποθέσεις απόρριψή των αποβλήτων σε επιφανειακά νερά. Οι τιμές των υπόλοιπων ιόντων που προσδιορίστηκαν στα απόβλητα (Cl⁻, NO⁻₃, SO₄²⁻, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺) δεν υπερβαίνουν τις ανώτερες επιτρεπτές τιμές σχετικών προδιαγραφών.