廢棄木質(zhì)材料利用現(xiàn)狀評(píng)述與多級(jí)循環(huán)利用建議

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(qiáng)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(cè)，2020～2030年，全球僅鋸材與紙和紙板對(duì)木材的需求量將分別達(dá)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(dá)8.83億m3和14.17億m3。我國(guó)也是木材供需矛盾十分突出的國(guó)家，在2015年供求缺口將達(dá)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(lái)的“第四森林資源”，即倒在地上的森林［2］。對(duì)廢棄木質(zhì)材料回收并加以利用是緩解木材供需矛盾，實(shí)現(xiàn)木材資源可持續(xù)利用的重要途徑，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同，但如何對(duì)廢棄木質(zhì)材料回收利用技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理地選擇尚未有明確建議，因此本文在對(duì)廢舊木材的綜合利用進(jìn)行分析與探討的同時(shí)，提出了基于固碳減排理念的廢棄木質(zhì)材料的多級(jí)利用建議，為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)。目前廢棄木材的分類主要依據(jù)其來(lái)源與其特征進(jìn)行劃分。日本按廢棄木材來(lái)源將其劃分為兩大類:一類來(lái)自家用及行業(yè)產(chǎn)生的廢棄木材;另一類來(lái)自產(chǎn)業(yè)廢棄木材，其中主要來(lái)自木制品加工制造業(yè)和建設(shè)業(yè)等［3］。德國(guó)則按廢棄木材等級(jí)和所含雜質(zhì)種類將其劃分為五個(gè)級(jí)別:未處理過(guò)的木料為A1級(jí);施膠、鍍層和涂漆處理過(guò)的木料，但不含有鹵化金屬與防腐劑為A2級(jí);含有鹵化金屬、不含防腐劑木料為A3級(jí);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(jí);含致癌有毒物質(zhì)為A5級(jí)［4］。我國(guó)在借鑒國(guó)外廢棄木材分類基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)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(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)廢棄木材的利用方式已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究。從利用方式來(lái)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(duì)使用過(guò)的板材及木制成品經(jīng)過(guò)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(lái)的形狀、性質(zhì)和用途，又包括對(duì)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(shí)木制品及人造板

來(lái)自于家居生活和辦公中的廢棄木質(zhì)家具通過(guò)基本不改變?cè)瓉?lái)的形狀、性質(zhì)和用途的簡(jiǎn)單整修后，可以再送到二手市場(chǎng)銷售等［5］。對(duì)于大尺寸廢棄木材如梁柱、門(mén)框架，除去木材外周的腐朽或涂飾層后，可直接加工成實(shí)木板材、實(shí)木家具和實(shí)木制品(如門(mén)板，床板);廢棄實(shí)木地板，可以再加工成地板或門(mén)板、臺(tái)面板(桌椅臺(tái)面板);木質(zhì)托盤(pán)、木質(zhì)包裝箱和實(shí)木門(mén)窗料等可用來(lái)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(dú)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(duì)尺寸較大、質(zhì)量較好的廢舊木材，此類利用方式也最為簡(jiǎn)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(duì)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(guò)對(duì)木材廢料(木屑、刨花)與礦物膠結(jié)劑進(jìn)行壓制獲得一種結(jié)構(gòu)用方木。該方木抗彎強(qiáng)度為1.1MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到8MPa，且具有極佳的抗蟲(chóng)蛀性和難燃性［8］。日本積水化學(xué)工業(yè)公司利用長(zhǎng)40 mm、寬5～15 mm、厚1～5 mm的廢舊木材碎片，涂上膠凝劑后進(jìn)行蒸汽加熱和壓縮制成再生建筑材料。其彎曲強(qiáng)度可達(dá)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(diǎn)是不容易開(kāi)裂，可用來(lái)制民居建筑的柱子和梁等［9］。在我國(guó)，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(lái)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(cè)試抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別可達(dá)222.4MPa和7.3MPa［10］;北京化工大學(xué)開(kāi)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(guò)高溫高壓處理后制成用于結(jié)構(gòu)的型材［11］。黃國(guó)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?jǐn)?shù)的0.05%～0.15%作為灌漿材料，在治理水庫(kù)大壩漏水點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了將其應(yīng)用在修筑路面、邊坡防護(hù)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(qiáng)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(chǎng)等場(chǎng)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(duì)坡度小于60°的邊坡進(jìn)行了植物防護(hù)，取得很好的效果。為了保持土壤中水分、防止雜草生長(zhǎng)，增加樹(shù)木生長(zhǎng)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(guó)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(shí)踐為廢棄木材利用開(kāi)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(jī)的今天，可再生的生物質(zhì)能源受到各國(guó)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(cè)算，該類燃料燃燒效率與煤相差不大，但排放污染遠(yuǎn)小于煤、石油等化石燃料，燃燒后的有機(jī)物也可以用作肥料［16］。廢棄木材還可以用來(lái)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(duì)木材的利用效率提高了約30%。廢棄木材通過(guò)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(bào)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(shù)與桑樹(shù)制成木屑與棉籽殼按一定比例混合進(jìn)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(jìn)植物的生長(zhǎng)［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(jì)的豬飼料［21］，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。在工業(yè)上，如通過(guò)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(duì)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(jìn)一步生產(chǎn)出改性酚醛樹(shù)脂泡沫塑料，相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)均復(fù)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求［25］。另外，有研究顯示，對(duì)木屑進(jìn)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(duì)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(píng)述與多級(jí)利用建議

從廢棄木質(zhì)材料分類方面來(lái)看，德國(guó)將木材按等級(jí)和含有雜質(zhì)種類劃分對(duì)廢棄木質(zhì)材料回收利用具有指導(dǎo)意義。如A1、A2級(jí)的回收廢棄木料可用來(lái)生產(chǎn)人造板;處理過(guò)的、已經(jīng)受到污染的A3至A5級(jí)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(guó)在吸取了國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)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(duì)各類做了詳細(xì)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(shí)，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(lái)看，各國(guó)都積極地開(kāi)展了相關(guān)科研與工程實(shí)踐，在能源利用等方面尤為突出，這與生物質(zhì)能源獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)分離不開(kāi)。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(duì)其利用率、利用過(guò)程中的能耗與成本尚未做過(guò)多地考慮，這樣一來(lái)盲目地對(duì)廢棄木質(zhì)材料的利用將會(huì)造成對(duì)廢棄木質(zhì)材料的二次浪費(fèi)，也有可能對(duì)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(wèn)題。

圖1 廢棄木質(zhì)材料多級(jí)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(jí)利用方式的建議，以此實(shí)現(xiàn)廢棄木材的高值高效利用。所謂的多級(jí)利用主要是基于固碳減排理念，在廢棄木材利用過(guò)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(zhǎng)過(guò)程中所固定的碳元素更長(zhǎng)時(shí)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(shí)，首先對(duì)于大尺寸且其物理、力學(xué)性能仍舊良好的木材，進(jìn)行簡(jiǎn)單修整后重新制成實(shí)木制品等，這種利用方式是最直接、經(jīng)濟(jì)和合理的，應(yīng)首當(dāng)推崇。其次對(duì)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(duì)于品質(zhì)稍差，加工時(shí)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(duì)于品質(zhì)稍差的進(jìn)行制漿和造紙從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。對(duì)于經(jīng)過(guò)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(jiàn)多級(jí)利用示意圖(如圖1所示)。

對(duì)于廢棄木質(zhì)材料多級(jí)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(shí)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(guò)程能耗以及成本等多指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，從而保障廢棄木質(zhì)材料多級(jí)利用朝著更高層次地多級(jí)循環(huán)利用方式發(fā)展。

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