PRODUCTION OF ORGANIC FERTILIZERS FROM BURNT WOOD

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23649/JAE.2023.38.4
Issue: № 10 (38), 2023
Suggested:
19.08.2023
Accepted:
25.09.2023
Published:
19.10.2023
428
2
XML
PDF

Abstract

The publication presents the results of research aimed at solving two strategic problems, the first of which is the ecologization of agriculture by increasing the percentage of organic fertilizers used in crop production, and the second – the involvement of substandard wood left after forest fires in this process. The author has substantiated and proved the feasibility of the proposed solutions. A comparative analysis of changes in the chemical composition of coniferous and deciduous wood before and after exposure to open fire has been carried out. Wood ash is regarded as the main type of organic fertilizer, the change of its main commodity characteristics in a certain time interval is demonstrated, taking into account the necessity of extraction of burnt wood, removal of ash from it, preparation of ash as fertilizer and delivery to direct consumers. Ash helps in improving the quality and structure of the soil as it is known for its beneficial properties and rich mineral composition. The improved air exchange in the soil has a favourable effect on the immunity of plants.

1. Введение

Необходимость проведения данных исследований обосновывается несомненным преимуществом органических удобрений перед минеральными по таким направлениям влияния как: изменение структуры почвы, улучшение её воздухо- и влагопроницаемой способности, снижение плотности. Рассматриваемая, в частности, древесная зола может служить источником фосфора, магния, кальция и карбоната калия, что также позволяет использовать ее  как добавку к органическим гидропонным растворам.

Отбор образцов древесины для исследований проводился на территории леса, расположенного в непосредственной близости к г. Уяр, на территории которого в мае 2022 года произошёл страшный пожар, охвативший город и пригородные территории. На месте пожарища образовалось большое количество обугленной и заваленной древесины, наличие которой сохраняло опасность повторного возгорания за счёт способности древесины к тлению. Когда древесина обугливается на существенную глубину, углистый слой становится экранирующей защитой для древесины, находящейся под ним, в результате чего, для обеспечения теплового потока, необходимого для образования летучих продуктов, требуются более высокие температуры поверхности, то есть продолжается тление.

Кроме того, обугленную древесину, при правильном подходе, можно вовлечь во вторичную переработку за счёт изменения её химических свойств и компонентного состава, происходящих под воздействием тепловой нагрузки.

Разложение древесины термогравиметрическим анализом показало, что различные компоненты древесины распадаются с выделением летучих компонентов при различных температурных режимах: гемицеллюлоза при 200-260°С, целлюлоза при 240-350°С, лигнин при 280-500°С

. При этом состав летучих компонентов изменяется в зависимости от выхода углистого остатка, что зависит от вида древесной породы, подвергнутой горению.

2. Методы и принципы исследования

На рассматриваемой  территории преобладают смешанные леса, что и потребовало рассматривать в исследовании как хвойные, так и лиственные породы.

Как показывают результаты исследований, воздействие пожаров на древесину различных пород неодинаково

. При этом наиболее стойкими к воздействию открытого огня считаются хвойные древесные  породы, в отличие от  лиственных.

Для эксперимента выбраны такие породы, как береза и сосна. Первичные исследования направлены на изучение изменения компонентного состава выбранных пород после пожара. Использовалась древесина деревьев, попавших вод воздействие пожара, пробы отбирались через 3, 4 и 5 месяцев после трагедии (август, сентябрь, октябрь 2022 года). По статистике, достаточно от трех до шести месяцев, чтобы установить характер изменений, произошедших в древесине после пожара.

Для изучения золы хвойных и лиственных пород выбирались средние сегменты ствола по высоте от 0,5 до 1,0 м  от уровня земли, одного размера по диаметру окружности ствола. При этом выбирались наиболее обугленные стволы. Временные промежутки составили август, сентябрь и октябрь, так как данного времени достаточно для понимания изменения исследуемых показателей во времени при условии, что обугленная древесина подвергается воздействию атмосферных осадков в естественных условиях.

Исследуемые параметры золы, учитываемые при ее подготовке в качестве удобрения: влажность золы, зерновой состав, насыпная плотность.

Исследования влажности золы проводились в соответствии с ГОСТ 8735, насыпной плотности по ГОСТ 9758, зернового состава по ГОСТ 12536.

3. Основные результаты

Зернистость золы зависит от породного состава, что объясняется микроскопическим строением  древесины хвойных и лиственных пород, подверженности разрушению волокон при воздействии открытого огня, способности поддерживать тление. Как видно на рис. 1, зерна золы лиственных пород больше, так как, как было сказано выше, древесина лиственных пород меньше обугливается, а древесина  хвойных пород лучше и дольше поддерживает горение за счёт наличия смоляных ходов. Но самое важное, это то, что зерна золы любых пород, подвергаясь воздействию ветровой нагрузки, разрушаются, уменьшаясь в размерах. Это может повлиять на возможность добычи золы и ее транспортабельность.

Динамика изменения зернистости золы в зависимости от породного состава древесины и времени воздействия атмосферных осадков

Рисунок 1 - Динамика изменения зернистости золы в зависимости от породного состава древесины и времени воздействия атмосферных осадков

На рис. 2 можно наблюдать закономерное увеличение влажности золы при ее длительном нахождении на открытом пространстве. Важно, что показатели влажности при этом находятся в пределах нормативных значений, предъявляемых к древесной золе как к удобрению.

Динамика изменения влажности золы

Рисунок 2 - Динамика изменения влажности золы

Особым показателем, учитываемым при изъятии золы из естественных условий её образования, а также при транспортировке и последующей подготовке как удобрения, является насыпная плотность. Исходя из сведений, представленных на рис. 3, можно сделать вывод о соответствии насыпной плотности золы обеих пород нормативным требованиям.

Динамика изменения насыпной плотности золы

Рисунок 3 - Динамика изменения насыпной плотности золы

Но наиболее весомое значение имеет высокая насыпная плотность золы смешанных пород. Это обеспечит облегчение добычи золы, так как не придется проводить раздельную добычу золы хвойных и золы лиственных пород. Кроме того, полезный выход древесной  золы смешанных пород, а также компонентный состав будет усилен, что придаст особую заманчивость этой категории золы как удобрению для сельхозугодий.

4. Обсуждение

Сосна является более огнестойкой породой, чем пихта, ель и кедр

. На структурные изменения в её древесине влияют: термическое разложение, продолжительность воздействия высокой температуры, избыточное парциальное давление, образованное вскипанием воды
,
.

Компонентный состав древесины меняется при нагревании, приводящем к возникновению  неблагоприятных химических реакций, усиливающихся и протекающих  в присутствии влаги. С повышением температуры, в первую очередь, подвергаются изменению запасающие вещества, находящиеся в сердцевинных лучах и древесной паренхиме, а также вещества, находящиеся в полостях клеток: эфиры, масла, смолы, красящие вещества, дубильные и другие. Затем следует изменение других составляющих компонентов древесины, находящихся в клеточных стенках

. В древесине содержание гемицеллюлоз доходит до 41%, причем в  хвойных породах преобладают гексозаны, а в лиственных пентозаны
.

При нагревании сырой древесины часть веществ древесного комплекса переходит в раствор. Таким образом, очевидно, что гидролитическая деструкция древесины протекает более активно в среде с повышенной температурой и влажностью

.

В древесине берёзы сосуды располагаются одиночно и собраны в небольшие радиальные группы, равномерно распределенные по всей ширине годичного слоя

. В исследовании доказано, что на поперечном разрезе древесины березы поврежденной пожаром хорошо заметны изменения формы и структуры сосудов.

Собственные исследования показали, что при воздействии высокой температуры, вода в древесине закипает, образуется пар, что ускоряет процесс гидролиза, в результате которого происходит интенсивное выделение карболовой кислоты, которая заполняет полости сосудов.

Золообразование, при лесных пожарах, возможно при обугливании древесины, возникающем при пиролизе древесины, так называемой «сухой перегонке древесины»

.

Губительной и наиболее значимой в развитии пожара является стадия пламенного горения древесины. Уголь, образующийся на поверхности древесины в период пламенного горения, не горит, хотя и находится в накаленном состоянии, так как его горению в этот период препятствует горение газообразных продуктов разложения, в результате чего кислород не имеет доступа к поверхности угля.

В зависимости от внешнего вида угля, образовавшегося при обугливании древесины, зола также имеет отличающиеся характеристики. Наличие рыхлого угля, а чаще всего это хвойные породы

, говорит о его насыщении фенолом и карбамидом, веществ, образующихся  при химических реакциях горения. 

Специфическое отличие имеет плотный уголь, образовавшийся при низкотемпера­турном пиролизе, когда процесс обугливания происходит замедлено и летучие выделяются понемногу, уходя через мелкие трещины и не разрыхляя уголь

, а значит зола характеризуется высокой летучестью.

5. Заключение

Представленные в статье  результаты указывают на целесообразность использования обугленной и сгоревшей древесины при пожарах в качестве удобрения за счет улучшенных свойств самой золы и вовлечения некондиционной древесины в сельскохозяйственный оборот.

Article metrics

Views:428
Downloads:2
Views
Total:
Views:428