Кафедра биологии древесины и изделий из древесины, факультет лесных наук и экологии леса, Геттингенский университет, Бюсгенвег 4, 37077 Геттинген, Германия
Аннотация
Обломки морских водорослей, остатки отмерших листьев, скопившиеся на берегах моря, представляют собой важные экосистемы и полезны для морской среды. Однако их присутствие на туристических пляжах является проблемой для туристической индустрии из-за отсутствия эстетики и соображений безопасности.
В настоящее время листья морских водорослей выбрасываются на свалку, хотя это не считается экологической практикой обращения с отходами. Среди других предлагаемых методов более устойчивого и экологически чистого управления, таких как компостирование и производство биогаза или энергии, в этом исследовании мы стремимся использовать листья морских водорослей для производства изоляционных материалов. Изоляционные плиты из двух видов листьев морских водорослей (Posidonia Oceanica и Zostera Marina) были изготовлены с плотностью от 80 до 200 кг/м3, исследованы их физико-механические свойства и сравнены с древесноволокнистыми изоляционными плитами. Теплопроводность утеплительных плит на основе морских водорослей варьировалась от 0,042 до 0,050 Вт·м-1 · К-1, что было до 12 % ниже по сравнению с последними.
Анализ конусной калориметрии показал, что изоляционные плиты на основе морских водорослей более огнестойки, чем плиты из древесного волокна, поскольку они выделяют очень мало тепла при горении и не воспламеняются при воздействии одного пламени (горелка Бунзена). Упрощенный анализ затрат показал, что изоляционные плиты, изготовленные из листьев морских водорослей, могут быть на 30% дешевле по сравнению с плитами, изготовленными из древесного волокна. После окончания срока службы листья морских водорослей снова можно считать ценным ресурсом и в дальнейшем использовать их путем принятия других стратегий управления.
1. Введение
Морские травы — это морские цветковые растения, которые могут образовывать подводные луга. Их присутствие может простираться на глубину до 90 м ниже уровня моря [1]. Глобальное распространение морской травы оценивается в 177 000–600 000 км2 [2]. Виды морских водорослей бывают разных форм и размеров. Размер их листьев может варьироваться от нескольких см до 7 м. Наибольшее количество морских водорослей встречается на берегах Австралии, а также на континентальных побережьях Америки, Северной Европы и в большей степени в Средиземноморье [2]. По данным Себриана и Дуарте [3], умеренно широкая полоса водорослей может давать ежегодно более 125 кг сухого материала на квадратный метр береговой линии. Хотя морские травы являются важнейшей средой обитания для многих морских организмов [4], их листья после вегетационного периода отрываются и переносятся волновыми течениями, оседают на берегах и начинают разлагаться. Листья морских водорослей подвергаются микробному разложению, выделяя в атмосферу парниковые газы, такие как углекислый газ (CO2) и метан (CH4) [5,6]. Помимо выброса парниковых газов и неприятных запахов из-за естественного разложения, последствия валяния водорослей на пляжах включают ухудшение туризма в пострадавших районах. Поэтому остатки морских водорослей удаляются с береговой линии и выбрасываются на свалки [7,8,9,10].
Согласно Рамочной директиве Европейского Союза (ЕС) по отходам [11], захоронение считается наименее эффективным способом обращения с этой биомассой отходов. Для устойчивого управления необходимо изменить парадигму, рассматривая остатки морских водорослей больше не как отходы, а как ресурс. Таким образом, было проведено много исследований для изучения различных способов повышения ценности остатков морских водорослей. Текущее исследование, проведенное Mainardis et al. [12] указали, что компостирование является одним из наиболее эффективных способов использования органических остатков морских водорослей. В другой работе материал был изучен, чтобы раскрыть его потенциал для производства биогаза в процессе анаэробного сбраживания [8,13]. Другие исследователи использовали разные подходы к решению проблемы утилизации отходов морских водорослей. Хиари и Белгасем [14] изучили возможность производства целлюлозы и бумаги. Уже подтверждено, что это сырье имеет потенциал для производства бумаги. Однако высокое содержание минеральных компонентов может оказать негативное влияние на процесс химической регенерации в бумажной промышленности [14]. Еще одним потенциальным применением морской травы, о котором сообщается в литературе, является ее преобразование в энергию [15]. Преобразование отходов в углеродно-нейтральный биоуголь также является жизнеспособной альтернативой [16].
Преобразование отходов морских водорослей (листьев) в функциональный материал для строительного сектора является одним из наиболее частых подходов к их утилизации. Большая часть работ была сосредоточена на использовании листьев морских водорослей, связанных с органическими связующими (pMDI, UF и т. д.), для производства древесностружечных плит средней плотности [17,18]. В других случаях исследователи использовали минеральные вяжущие вещества, такие как цемент, для производства изоляционных композитов [19]. Хотя материалы на основе морских водорослей с относительно высокой плотностью, органически или минерально связанные, кажутся интересной альтернативой обычным древесноволокнистым/ДСП; их низкие механические свойства являются основным недостатком, ограничивающим их применение. Цель нашего исследования — изучить использование листьев морских водорослей, извлеченных из остатков морских водорослей, для производства изоляционных материалов низкой плотности с органической связью и сравнить их с листьями, изготовленными из древесных волокон. Следует отметить, что один из видов морских водорослей, исследованных в данном исследовании, Posidonia Oceanica, встречающийся в Средиземноморье, подразделяется на волокна и листья морских водорослей. Волокна морских водорослей были тщательно изучены и уже используются в качестве изоляционного материала [10,20,21]. Однако листья в этом отношении менее исследованы. Наряду с листьями Posidonia Oceanica (POL) вторым изученным видом морской травы является Zostera marina (ZM). Морская трава ЗМ широко распространена в Северном полушарии [22]. Листья ЗМ в рассыпчатом виде применялись в качестве изоляционного материала (Cabot’s Quilt) в начале XX века [23]. Вместо сыпучего или надувного изоляционного материала наша цель состоит в том, чтобы производить и определять характеристики жестких плит, предназначенных для перегородок, потолков и кровли. Нашим мотивом для проведения этого исследования было не только изучить возможный подход к управлению отходами морских водорослей, но и создать недорогой строительный продукт, который можно было бы использовать для изоляции.
Хорошая изоляция здания является предпосылкой экономически эффективного использования энергии. Ожидается, что благодаря правительственным мерам по сокращению выбросов парниковых газов, повышению экономической эффективности и принятию новых правил для энергоэффективных зданий глобальный спрос на теплоизоляционные материалы в строительстве будет расти. Изоляционные плиты из древесного волокна в последнее время стали трендом и считаются достойной альтернативой синтетическим изоляционным материалам. Однако высокий спрос на энергию для переработки древесного волокна и нехватка древесного сырья в определенных регионах инициировали исследования альтернативных ресурсов.
Помимо первоначальной морфологической и химической характеристики сырья и изучения физико-механических свойств производимых плит, был проведен упрощенный стоимостной анализ для оценки экономической выгодности использования листьев морских водорослей по сравнению с древесными волокнами для производства утеплителя.
2. Материалы и методы
2.1. Материалы
Листья морской травы Zostera marina были предоставлены компанией Seegrashandel GmbH (Вестерау, Германия). Сырье было собрано в Восточном море. После естественной сушки в условиях окружающей среды листья длиной от 5 до 60 см обрезали на более короткие длины, чтобы избежать проблем в процессе опрыскивания. Листья средиземноморской морской травы Posidonia Oceanica были собраны на берегу Дурреса в Албании. Сравнительно свежевымытые водоросли были собраны в декабре 2021 года. Перед дальнейшей обработкой листья сушили и несколько раз встряхивали, чтобы удалить излишки песка. Древесные волокна (смесь еловых и сосновых волокон) для производства эталонных плит предоставила компания GUTEX GmbH (Вальдсхут-Тинген, Германия). В качестве связующего использовалась полимерная метилендифенилдиизоцианатная смола (pMDI) низкотемпературного отверждения (I-Bond WFI 4370, Huntsman, Everberg, Бельгия).
2.2. Методы
2.2.1. Определение морфологических характеристик
Распределение геодезической длины и плотности толщины, взвешенное по площади поверхности (q2) листьев морских водорослей и древесных волокон, измеряли с помощью FibreShape PRO (X-shape, IST, Вильтерс, Швейцария). Репрезентативные образцы листьев Posidonia Oceanica (3,5 г), листьев Zostera marina (2,0 г) и древесных волокон (0,1 г) вручную диспергировали на прозрачной пленке формата А4. Сырые листья и волокна были разбросаны таким образом, чтобы не перекрываться. Изображения высокого разрешения создавались с помощью планшетного сканера (Epson Perfection V850 Pro, Epson, Токио, Япония) в режиме проходящего света. Размеры объекта оценивались с помощью статического анализа изображений с помощью программного обеспечения FiberShape. Внутреннюю структуру листьев морских водорослей сканировали с помощью цифрового 3D-микроскопа в отраженном свете VHX-5000 (Keyence, Ной-Изенбург, Германия).
2.2.2. Химический анализ
Для определения химического состава лигноцеллюлозного сырья использовались лабораторные аналитические процедуры (LAP) Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и стандарты, опубликованные Технической ассоциацией целлюлозно-бумажной промышленности (TAPPI). Первоначально материал (листья морских водорослей и древесные волокна) измельчали в режущей мельнице (Retsch GmbH, Хан, Германия) с ситом 0,5 мм. Каждый этап анализа выполнялся в двух экземплярах. Первым шагом каскадной процедуры была экстракция горячей водой. Высушенный в печи лигноцеллюлозный материал экстрагировали в течение 5 ч в экстракторе Сокслета, а затем сушили при 103 °С. Далее проводили экстракцию этанол–циклогексан (1:2) в течение еще 5 часов. Испытания проводились по Т264 см-97 [26]. NREL/TP-510-42618 LAP [27] использовали для определения содержания лигнина в экстрактивном свободном материале. После гидролиза полисахаридов серной кислотой (72%) оставшиеся твердые вещества (лигнин) взвешивали после промывки деминерализованной водой и сушки. Содержание холоцеллюлозы определяли по методике, установленной Л. Э. Вайзом [28]. Оценку зольности проводили по методике, описанной в TAPPI T 211 [29].
2.2.3. Производство изоляционных плит
Плиты изготавливались сухим способом. Сырьевой материал энергично перемешивали в клеевом барабане и клей распыляли через сопло со скоростью потока приблизительно от 0,1 до 0,15 г/с. Перед дальнейшей обработкой содержание влаги определяли термогравиметрически. Влажность высушенных естественным путем листьев Zostera marina составила 13,9%; для листьев Posidonia Oceanica она составляла 15,5%, а для древесных волокон - до 9,2%. Доля клея в изготовленных плитах составляла 6 мас.%. Напыляемый материал подвергался предварительному холодному прессованию, а затем горячему прессованию при 190°C. Перед горячим прессованием на каждую сторону предварительно прессованных плит распыляли по 30 г воды, чтобы дать возможность пару образоваться и активировать связующее. Размеры плат составили 450×450×40 мм3. Всего было приготовлено 24 плиты (по 8 плит для каждого вида сырья для 4 различных плотностей мишени). Доски были разрезаны по размерам образца и доведены до постоянной массы при температуре 20 ± 2 °C и относительной влажности 50 ± 5 % перед испытанием.
2.2.4. Механические испытания
Для механических испытаний отбирались образцы, плотность которых находилась в пределах ±10% от заданной плотности. Для испытания на сжатие к граням испытуемого образца прикладывалось сжимающее усилие с постоянной скоростью (0,1 d мин-1 ± 25 %, где d — толщина испытуемого образца в мм) с использованием универсальной испытательной машины. (ZwickRoell Zmartpro, ZwickRoell, Ульм, Германия) с датчиком нагрузки 10 кН. Испытания проводились согласно DIN EN 826 [30]. Испытывали по четыре образца каждого варианта номинальными размерами 50×50×40 мм3. Прочность внутреннего соединения (прочность на растяжение перпендикулярно граням) оценивалась в соответствии с DIN EN 1607 [31]. Образцы для испытаний (номинальными размерами 50×50×40 мм3) приклеивались между двумя жесткими плитами быстроотверждающимся полимерным клеем и затем помещались в универсальную испытательную машину. Растягивающее напряжение прикладывалось с постоянной скоростью 10 мм/мин. Для каждого варианта было испытано по четыре образца.
2.2.5. Измерения теплопроводности
Теплопроводность определяли по методике, описанной в стандарте DIN EN 12667 [32]. Для измерения использовали тепловой расходомер HFM 446 Lambda Eco-Line (NETZSCH Group, Зельб, Германия). По два образца каждого варианта (заданная плотность) размером 250 × 250 × 40 мм3 испытывались при 5 различных температурах (10, 15, 20, 25 и 30 °С). Оборудование количественно определяет установившийся тепловой поток через испытуемый образец, помещенный между двумя пластинами с термодатчиками. Разница между горячей и холодной пластинами составляла 20°С. Теплопроводность для 23 °C (λ23) рассчитывали с помощью линейной регрессии.
2.2.6. Конусная калориметрия и испытания одиночным пламенем
Процедура, описанная в ISO 5660-1 [33], была принята для испытания конусной калориметрии. Четырехугольные образцы (100 × 100 мм2) заданной толщины подвергались воздействию теплового потока 50 кВт·м² в течение 30 мин. Пиковое тепловыделение (PHR), общее тепловыделение после 1800 с (THR) и скорость потери массы в первые 300 с (MRL) оценивали с использованием калориметра потери массы (MLC FTT, Fire Testing Technology, East Grinstead, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ). Кроме того, оценивалось время воспламенения и затухания пламени. Для каждого варианта было испытано по три образца.
Испытание одиночным пламенем проводилось в соответствии со стандартом DIN EN ISO 11925-2 [34]. Образцы размерами 250×90×40 мм3 крепились к устройству топки (Taurus Instruments AG, Веймар, Германия). Их поверхность подвергалась воздействию огня в течение 15 с. Пламя горелки Бунзена имело высоту 20 мм. Направление пламени составляло 45° к направлению образца. После воздействия пламени пиролитическое поведение образца оценивали, наблюдая за тем, имело ли место воспламенение и достигло ли пламя высоты 150 мм над точкой горения за указанный промежуток времени; измеряли высоту сажевого конуса (высоту зоны горения). Дополнительный комплект образцов испытывали по той же методике, при этом нижние края образцов подвергались воздействию пламени в течение 30 с. Для каждого варианта испытывали по два образца.
2.2.7. Тест на водопоглощение
Испытание на водопоглощение определялось в соответствии со стандартом EN 1609 [35] с небольшими изменениями. Образцы размерами 100 × 100 × 40 мм3 помещались в пустой сосуд с водой и оставались частично погруженными в воду по мере добавления воды. Воду осторожно заливали в контейнер до тех пор, пока нижняя сторона образца не оказалась на (10 ± 2) мм ниже уровня воды. После 24-часового погружения в воду образцы взвешивали и рассчитывали увеличение веса на квадратный метр после погружения. Всего было испытано по 3 образца каждого варианта.
3. Результаты и их обсуждение
3.1. Морфологические аспекты и химический состав
Морская трава имеет длинные, плоские листья, тонкие и похожие на лезвия. Древесные волокна, напротив, имеют волокнистую структуру с неправильной (в идеале круглой) формой поперечного сечения. Если предположить, что волокна древесины имеют цилиндрическую структуру, то их форму можно легко изучить, поскольку толщина анализируемого объекта соответствует их диаметру. Во время испытания листья морских водорослей предпочтительно располагались на сканируемом слое. Длину и ширину листьев морской травы можно легко определить. Однако их толщину (третье измерение) невозможно измерить с помощью 2D-сканирования. Толщину листьев морской травы измеряли путем изучения изображений, полученных под микроскопом. Листья ПОЛ имели толщину от 100 до 200 мкм, тогда как листья ZM оказались немного тоньше и имели толщину от 80 до 150 мкм. Анализ статических изображений показал основные различия между морскими травами и WF с точки зрения геодезической длины и ширины (толщины волокон).
Геодезическая длина листьев ПОЛ варьировала от 5,2 до 99,7 мм. Листья ZM были несколько короче прежних, достигая 86,01 мм. WF были на первый взгляд короткими, длиной до 16,61 мм, а их медианная геодезическая длина составляла 2,1 мм. Следует отметить, что древесные волокна могут содержать большую долю мелких частиц, которая сильно отличается от средней геодезической длины листьев морских водорослей. По данным FiberShape, листья POL были шире по сравнению с ZM. Стоит отметить, что некоторые листья морских водорослей могут сгибаться, что приводит к уменьшению размеров.
По химическому составу листья морских водорослей содержат более высокое содержание экстрактивных веществ по сравнению с древесными волокнами. О высоком содержании экстрактивных веществ в листьях ПОЛ сообщалось и в предыдущих исследованиях [14]. В случае листьев ZM ранее сообщалось, что содержание в них полисахаридов высокое, а содержание лигнина низкое. Состав листьев ZM сравним с сизалем и джутом [36]. Существенная разница в содержании лигнина была обнаружена между морскими травами и древесными волокнами. Последний содержал 28,3% лигнина, что существенно выше, чем в первом. По мнению Хиари и Бельгасема, различия в содержании лигнина и холоцеллюлозы, вероятно, связаны с климатическими условиями и химическим составом почвы [14]. Зольность морских трав была значительно выше и близка к зольности рисовой и льняной костры [37,38]. Высокая зольность объясняется химическим составом морской среды, в которой растут растения, и/или ее загрязнением песком. Дальнейший элементный анализ показал, что основным элементом золы является кремний [14].
3.2. Механические свойства изоляционных плит
Благодаря разному химическому составу и морфологическим особенностям лигноцеллюлозных материалов были получены разные внутренние связи и прочность на сжатие соответствующих плит. Прочность внутренней связи имела тенденцию к увеличению с увеличением плотности мишени для всех вариантов. Плиты ZM и POL продемонстрировали в три-четыре раза меньшую внутреннюю прочность сцепления по сравнению с плитами WF.
В процессе прессования длинные листья морских водорослей имеют тенденцию располагаться преимущественно в горизонтальном направлении. Плоские и широкие поверхности листьев скрепляются, образуя компактную многослойную структуру. При приложении поперечного напряжения склеенные листы могут сломаться, что приведет к механическому повреждению. При высоких плотностях в результате сильного уплотнения все больше листьев прикрепляются и склеиваются друг с другом, увеличивая склеиваемую поверхность. В случае плит WF, наряду с химическим соединением, обеспечиваемым связующим веществом pMDI, волокна древесины сцепляются друг с другом, образуя стабильную структуру. Кроме того, более короткие и тонкие волокна обычно обеспечивают высокую прочность внутренней связи [39].
Прочность на сжатие при деформации 10% показала аналогичную тенденцию с прочностью внутренней связи по мере увеличения целевой плотности. Плиты WF продемонстрировали более высокую прочность на сжатие по сравнению с соответствующими плитами POL и ZM. В первом случае волокна древесины сцепляются друг с другом и располагаются на доске в разных направлениях. Пучки случайно направленных древесных волокон «сопротивляются» приложенной вертикальной силе, что приводит к высокой прочности на сжатие. При производстве досок из морских водорослей листья морских водорослей располагаются горизонтально. Однако часть листьев имела тенденцию складываться, что приводило к образованию больших пустот внутри структуры плит POL и ZM. Эти большие пустоты ответственны за низкую прочность на сжатие. Более высокая прочность на сжатие плит WF также может быть объяснена более высокой эффективностью клея. Короткие и тонкие древесные волокна имеют большую площадь поверхности, и клей используется в больших количествах [39].
3.3. Теплопроводность изоляционных плит
Теплопроводность λ (TC) является мерой эффективности материала в проведении тепла. Исследование этого свойства позволяет количественно сравнить эффективность различных теплоизоляционных материалов. ТК выпускаемых плат зависела от их фактической плотности (рис. 2). Платы POL показали самые низкие значения ТК: от 0,042 до 0,050 Вт·м-1·К-1. Платы ZM имели немного более высокие значения TC по сравнению с платами POL, но все равно находились в том же диапазоне. Плиты WF, по-видимому, лучше проводят тепловую энергию, поскольку в их случае TC был выше и варьировался от 0,044 до 0,057 Вт·м-1·К-1. Аппроксимированные кривые, связанные со значениями TC, иллюстрируют различия между выпускаемыми платами (рис. 2). Очевидно, что плиты ПОЛ имеют существенно меньшую ТК при относительно высоких плотностях от 150 до 228 кг/м3 по сравнению с другими вариантами. У плат WF наблюдается сильный рост ТК с плотностью (сильнее, чем у остальных вариантов).
Количество и объем пустот между лигноцеллюлозными заполнителями в плитах значительно уменьшаются с увеличением плотности плит. Тепловой поток передается через твердый материал (проводимость) и воздушные пустоты (конвекция). TC воздуха внутри пустот ниже, чем у твердого материала; таким образом, полученный материал имеет низкую TC при уменьшении плотности. Помимо химического состава, еще одной причиной низкой ОХ плит на основе морских водорослей может быть форма и размер листьев морских водорослей. Во время прессования листья морских водорослей лежат продольно. Обе плиты на основе морских водорослей состоят из нескольких отдельных слоев, склеенных друг с другом. Тепло передается через твердый материал преимущественно в продольном направлении, но оно может передаваться и от одного слоя к другому посредством проводимости (если слои скреплены друг с другом). Между слоями листьев морских водорослей также присутствует много пустот. В этом случае тепло передается посредством конвекции. В целом теплопередача в вертикальном направлении низкая. С другой стороны, плиты WF содержат пучки волокон, которые вытянуты и большая часть которых также направлена вертикально. Тепло эффективно передается через древесные волокна, что в конечном итоге приводит к высокой теплопроводности.
Другой причиной низкой TC плит POL и ZM является внутренняя пористая и губчатая структура листьев морских водорослей. Листья морской травы Posidonia Oceanica содержат большое количество пор разного размера (рис. 3а). Внутренняя структура также может выступать в качестве изоляционного слоя. Листья Zostera marina имеют очень похожее на первое строение; однако размер их пор намного больше (рис. 3б). В случае древесных волокон (рис. 3в) тепловой поток осуществляется за счет проводимости через отдельные волокна и за счет конвекции (воздуха). Высокая пористость структуры древесноволокнистых плит приводит к относительно низкому TC.
3.4. Огнестойкость
Конусная калориметрия, метод, используемый в области пожарной безопасности, показал, что плиты на основе морских водорослей гораздо более устойчивы к огню по сравнению с плитами WF (рис. 4). Известно, что изоляционные материалы на органической основе легко воспламеняются. Все доски воспламенились в течение первых 10 с после воздействия тепла. Однако были замечены существенные различия в отношении тепла, выделяющегося при горении, продолжительности и характеристиках образующегося пламени. Пиковое тепловыделение (PHR) плит POL и ZM было значительно ниже по сравнению с плитами WF (рис. 4а). В частности, у плат WF показатель PHR был на 70 % выше, чем у POL, и более чем на 110 % выше, чем у плат ZM. Не было видимых изменений PHR с увеличением плотности. Аналогичным образом, общее тепловыделение (THR) было в два раза выше для плит WF по сравнению с досками из морской травы (рис. 4b).
В отличие от PHR, THR плат WF увеличивался с увеличением плотности. При высокой плотности плит сгорает большое количество горючей органической массы, что приводит к высокому THR. Интересно, что для досок на основе морских водорослей не наблюдалось изменений THR в зависимости от плотности. Их было гораздо труднее сжечь, и после воспламенения они давали очень слабое пламя. Скорость потери массы через 300 с (MLR) соответствовала THR и PHR (рис. 4c). Небольшая разница наблюдалась между платами POL и ZM. Хотя в случае с плитами ZM пламя погасло очень быстро (примерно через 30 с), MLR был выше, чем с плитами из POL. Для плит POL MLR имеет тенденцию уменьшаться с увеличением плотности, даже несмотря на то, что пламя возникает в течение относительно длительного периода (рис. 4d). Платы ПОЛ выдерживали пламя в течение длительного времени, но это, похоже, не повлияло на их массу. С увеличением плотности лигноцеллюлозная масса имела тенденцию к длительному горению. По мере увеличения плотности отсутствие крупных пустот влияет на MLR, уменьшая его. В случае с плитами ЗМ лигноцеллюлозная масса горела всего несколько секунд; тем не менее, потеря массы наблюдалась, хотя пламени не было.
MRL плит WF был значительно выше по сравнению с плитами на основе морских водорослей и увеличивался с увеличением плотности. Крошечные древесные волокна очень восприимчивы к возгоранию и легко горят, что приводит к значительной потере массы. В случае плат WF основная часть тепла выделялась в течение первых 300 с (рис. 4e).
Испытание одиночным пламенем проводилось в течение двух разных периодов: 15 и 30 с на поверхности и на краю соответственно. Ни одна из досок на основе морских водорослей не загорелась при подаче пламени. С другой стороны, все платы WF загорелись. Площадь горения (высота сажевого конуса) плит на основе морских водорослей варьировалась от 27 до 35 мм при воздействии пламени на поверхность в течение 15 с. При более длительном использовании пламени высота конуса немного увеличивалась. Все образцы плит WF воспламенились независимо от плотности. При воздействии пламени на край образца в течение 30 с площадь горения была очень большой и за короткий период времени (менее 30 с после снятия горелки) превышала предел в 150 мм, что приводило к невыполнению испытания.
Высокие характеристики огнестойкости и термостойкости плит из морской травы могут быть связаны либо со структурой, либо с их химическим составом. Химический анализ (табл. 3) показал, что листья водорослей содержат большое количество минеральных компонентов (золы). Сама зола может состоять из кремнезема (SiO2), хлорида натрия (NaCl) и других микроэлементов. При воздействии на образцы пламени интенсивного тепла на их поверхности образуется защитный слой, который действует как изоляционный слой для внутреннего органического материала. Аналогичное поведение наблюдалось и в материалах на основе рисовой шелухи. Слой кремнезема, присутствующий в этих материалах, может переизлучать тепло от внешнего источника тепла, одновременно изолируя несгоревшую массу, обеспечивая тем самым достаточный экранирующий эффект [40]. Благодаря огнезащитному эффекту листья морских водорослей могут быть использованы в качестве противопожарного покрытия. Благодаря широкой структуре листьев и способности изолировать и защищать от огня, слои листьев морских водорослей можно прикреплять к существующим деревянным конструкциям, чтобы защитить их от теплового потока. Кроме того, их приятный коричневатый вид может быть полезен для украшения интерьера.
По результатам испытания на одиночное пламя мы можем оценить, что класс огнестойкости изоляционных плит на основе морских водорослей — B, C или D. С другой стороны, некоторые плиты WF не прошли испытания на одиночное пламя. это означает, что их можно отнести к классу Е. Хаккарайнен [41] предположил, что класс пожара можно прогнозировать на основе воспламеняемости и результатов конусной калориметрии. Хаккарайнен предположил, что материалы, выделяющие менее 50 кВт м-2, относятся к классу A2/B. Большинство плит на основе морских водорослей показали низкое пиковое тепловыделение (даже менее 50 кВт м-2). Однако Хаккарайнен также заявил, что если время воспламенения меньше 5 с или больше 60 с, образцы выходят за пределы диапазона индексного подхода. Из-за высокой неопределенности предсказания класса в нашем случае эта процедура не применялась; в некоторых наших образцах воспламенение происходило раньше, чем за 5 с.
3.5. Впитывание воды
Водопоглощение плит на основе морских водорослей выше, чем у плит WF (рис. 5). Последняя незначительно отличалась от POL и была существенно ниже, чем у плат ZM. Водопоглощение имело тенденцию увеличиваться с увеличением плотности плит. Водородные свойства плит зависят от морфологической характеристики и химического состава сырья. Вода может смочить поверхность древесных волокон образца плиты WF. После того как образцы извлекаются из контейнера с водой, силы сцепления, удерживающие воду на волокнах древесины, становятся слабее, чем силы тяжести, поэтому вода стекает вниз и вымывается из образца. Связующее pMDI может дополнительно гидрофобизировать поверхность волокна, тем самым уменьшая силу сцепления воды с волокнами.
С другой стороны, хотя волокна морских водорослей имеют меньшую площадь поверхности, они содержат поры (рис. 3). Листья морских водорослей POL содержат много пор с широким распределением размеров, тогда как листья ZM имеют мало крупных пор. Плиты ZM впитывают гораздо больше воды по сравнению с плитами POL. Эта разница может быть связана с капиллярными силами, удерживающими воду в порах. Гораздо более крупные поры в листьях ZM имеют низкие капиллярные силы, поэтому может быть поглощено гораздо больше воды, что приводит к высокому водопоглощению. Еще одним фактором, влияющим на водопоглощение, является химический состав сырья. Древесные волокна содержат большее количество лигнина, чем морская трава (табл. 3). Известно, что лигнин является гидрофобным компонентом, что означает низкое водопоглощение.
3.6. Упрощенный анализ затрат и сравнение с другими природными ресурсами
Был проведен упрощенный анализ затрат для оценки и сравнения затрат на производство изоляционных плит из листьев морских водорослей и древесного волокна. Экономический анализ проводился с учетом целевой плотности изоляционной плиты 200 кг м-3. Для этого анализа мы обратились к данным предыдущего исследования, проведенного Rocchi et al. [42]. Авторы изучили использование остатков обрезки древесины липы для изготовления изоляционных плит. Данные о затратах были адаптированы к нашему исследованию. Отдельные затраты рассчитаны на 2021 год с учетом уровня инфляции (уровни инфляции Германии). Цены на электроэнергию (кВт-1 евро) и природный газ (м-3 евро) были оценены на июль 2021 года, а данные были получены от Европейской комиссии и Ycharts соответственно [43,44]. Поскольку морская трава является отходом, мы не включили первоначальную стоимость сырья. Общая стоимость листьев морских водорослей состоит из затрат на сбор, транспортировку, очистку и обработку изоляционных плит. Стоимость сбора морских водорослей была получена Mainardis et al. [12]. Затраты на транспортировку сырья предполагаются одинаковыми, поскольку они зависят от местоположения перерабатывающего завода. Стоимость связующего, постоянные затраты и затраты на оплату труда также считаются одинаковыми, поскольку для распыления можно использовать одно и то же количество связующего. Эксплуатационные затраты для обоих типов сырья также одинаковы. С точки зрения потребности в энергии, листья морских водорослей не требуют предварительного нагрева и очистки, что составляет 40% от общей энергии, необходимой для производства изоляционных/древесноволокнистых плит МДФ [45,46]. Эти затраты исключены из переработки морских водорослей, поскольку листья могут быть использованы для производства изоляционных плит в их первоначальном виде. Энергия требуется только для первоначальной сушки и горячего прессования плит, а также для других побочных операций. Листья морских водорослей также необходимо очистить от частиц песка с помощью просеивающей машины с горизонтальной вибрацией. Для оптимизации этой операции конвейер можно адаптировать (конвейерная лента с отверстиями), что делает его еще более экономичным. Затраты на очистку оценивались в 2 евро м-3. Учитывая высокую огнестойкость плит на основе морских водорослей, исключаются затраты на добавление антипиренов. После расчета вышеуказанных отдельных затрат общая стоимость плит на основе морских водорослей оценивается в 66,4 евро м-3, а стоимость плит на основе WF достигает 95,1 евро м-3 (рис. 6). Полученные затраты находятся в пределах сметных затрат (37–145 евро м-3, без учета логистики) для изоляционных материалов на основе древесины, упомянутых в предыдущей работе [42].
Помимо экономической выгодности, сравнение водорослей с другими натуральными волокнами (и синтетическими материалами) показывает преимущества материалов из морских водорослей (табл. 6). Сравнивая наши результаты с результатами других натуральных волокон, кажется, что TC лучше (ниже) или аналогичен в том же диапазоне плотности. Сообщается, что некоторые из натуральных волокон имеют более низкую ОХ по сравнению с морскими водорослями. Однако плотность других волокон очень низкая, что может свидетельствовать о низких механических свойствах соответствующих композитов. С точки зрения огнестойкости большинство других натуральных волокон относятся к классу Е. Рисовая шелуха и лен кажутся наиболее огнестойкими материалами. Однако как льняная, так и рисовая шелуха имеют относительно высокий ОХ (до двух раз выше, чем у морских водорослей) при высоких плотностях. Воплощенная (серая) энергия связана с суммой воздействий всех выбросов парниковых газов, приписываемых материалу в течение его жизненного цикла. Некоторые из упомянутых натуральных волокон являются материалами с высокими изоляционными свойствами, но, как правило, требуют большого количества энергии для сбора, обработки, транспортировки и т. д. Листья морских водорослей не нуждаются в серьезной обработке и, следовательно, потенциально могут иметь низкую воплощенную энергию. Однако для проверки этой гипотезы необходимо провести дополнительные исследования.
4. Выводы
Использование листьев морских водорослей при производстве изоляционных плит не только снижает выбросы парниковых газов, но также является эффективной мерой, позволяющей избежать дорогостоящего захоронения мусора. С технической точки зрения плиты из морских водорослей оказываются лучшими теплоизоляторами, чем соответствующие плиты WF. В частности, TC плит WF на 5–12 % выше, чем у плит на основе морских водорослей. Тепловыделение при горении последнего в два раза меньше по сравнению с первым, что свидетельствует об очень высокой огнестойкости. Что касается механических свойств, плиты на основе морских водорослей имеют меньшую прочность на сжатие и внутреннюю связь по сравнению с плитами из древесного волокна того же диапазона плотностей. Однако с помощью плит из морских водорослей требования к прочности строительных изоляционных материалов могут быть удовлетворены при плотности от 150 до 200 кг м-3. Упрощенный анализ затрат показывает, что листья морских водорослей являются недорогой и экологической альтернативой древесному волокну из-за низких затрат на сырье, низкой энергии, необходимой для их обработки, а также того факта, что для их обработки могут потребоваться совсем небольшие количества антипиренов. Использование листьев морских водорослей в качестве изоляционного материала является одним из наиболее эффективных методов борьбы с отходами морских водорослей и не конкурирует с другими сценариями управления. Вместо этого эта стратегия может стать промежуточным звеном в цепочке управления отходами. После окончания срока службы в качестве изоляционного материала листья морских водорослей все еще могут считаться ценным ресурсом и в дальнейшем использоваться для производства биогаза, компостирования или производства энергии.