Απομάκρυνση τοξικών ουσιών (Cu, Cr, As) από ανακυκλωμένο ξύλο εμποτισμένο με CCA και ανάπτυξη νέων σύνθετων οικολογικών υλικών:
Creators: name: Καλαϊτζή, Σουλτάνα Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Εμποτισμένη ξυλεία
CCA
Απομάκρυνση μετάλλων
Χημική εκχύλιση
Αραιά οργανικά οξέα
Βιοαποικοδομήσιμα πλαστικά
Σύνθετα υλικά
Πλαστικοποιημένο άμυλο
Πολυαιθυλένιο
Λιγνινοκυτταρινικές ύλες
CCA-treated wood waste
Remediation
Chemical extraction
Organic acids
Biodegradable composites
Starch
Polyethylene
Wood flour

description: Οι ανησυχίες για την ασφάλεια και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της εμποτισμένης με άλατα χαλκού, χρωμίου και αρσενικού (CCA) ξυλείας, ιδιαίτερα μετά τη χρήση της, υπαγορεύουν έρευνες, για περιβαλλοντική διαχείριση τέτοιων απορριμμάτων. Κύριο πρόβλημα είναι ότι συνεχίζουν να εμπεριέχουν τις τοξικές ουσίες με τις οποίες εμποτίσθηκαν και σε ορισμένες περιπτώσεις εκλύονται στο έδαφος και στο νερό καθιστώντας τα επικίνδυνα τόσο για τον άνθρωπο όσο και για το περιβάλλον. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν α) η απομάκρυνση των τοξικών ουσιών του χαλκού (Cu), του χρωμίου (Cr) και του αρσενικού (As) από ανακυκλωμένο ξύλο που έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορες χρήσεις για 20 τουλάχιστον έτη (αποθηκευμένο υλικό, στέγαστρο, παιδική χαρά, παγκάκι, υπέργειο και υπόγειο τμήμα πασσάλου περίφραξης και άλλη χρήση), μέσω χημικών εκχυλίσεων με αραιά οργανικά οξέα (οξαλικό, κιτρικό, μυρμηκικό και οξικό οξύ) και απεσταγμένο νερό, αξιολογώντας την επίδραση παραγόντων όπως το είδος του οξέος, η θερμοκρασία και ο χρόνος εκχύλισης στο ποσοστό απομάκρυνσής τους αλλά και στη χημική σύσταση του «θεραπευμένου» ξύλου, και β) η ανάπτυξη βιοαποικοδομήσιμων σύνθετων υλικών με ενσωμάτωση λιγνινοκυταρρινικών πρώτων υλών (ανεμπότιστη και «θεραπευμένη» μαύρη πεύκη) σε μήτρα πλαστικοποιημένου αμύλου και πολυαιθυλενίου, και στη συνέχεια η μελέτη της επίδρασης του ποσοστού και του είδους των παραπάνω πρώτων υλών στην αντοχή στον εφελκυσμό, στην προσρόφηση υγρασίας, στη διόγκωση, στη θερμική σταθερότητα και τη βιοαποικοδομησιμότητα του τελικού προϊόντος. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως είναι δυνατόν να απομακρυνθούν τα μέταλλα χαλκού, χρωμίου και αρσενικού σε μεγάλα ποσοστά ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου (23±2oC). Σε όλες τις περιπτώσεις αύξηση της διάρκειας και της θερμοκρασίας εκχύλισης αύξησαν το ποσοστό απομάκρυνσης των μετάλλων. Αύξηση της θερμοκρασίας σε 50οC για έξι (6) και εννέα (9) ώρες εκχύλισης επέτρεψε την απομάκρυνση των μετάλλων σε ποσοστό &gt;90% στα τρία μέταλλα, με οξαλικό και κιτρικό οξύ. Η εκχύλιση του εμποτισμένου ξύλου είχε ως συνέπεια την μεταβολή της χημικής σύστασης του ξύλου και εδικότερα την αύξηση των εκχυλισμάτων της λιγνίνης και της τέφρας και μείωση της ολοκυτταρίνης. Σε θερμοκρασία 23oC το ποσοστό των εκχυλισμάτων κυμάνθηκε ανάλογα με το οξύ εκχύλισης, το χρόνο εκχύλισης και την κατηγορία του ξύλου από 1,03% έως 4,36%. Αυξανομένης της θερμοκρασίας σε 50oC και 75oC και του χρόνου από τρεις (3) σε έξι (6) και εννέα (9) ώρες, αυξήθηκε το ποσοστό των συνολικών εκχυλισμάτων και κυμάνθηκε ανάλογα με το οξύ, τη θερμοκρασία και το χρόνο εκχύλισης από 2,0% έως 13,54%. Η εκχύλιση με οξαλικό οξύ έδωσε τα μεγαλύτερα ποσοστά εκχυλισμάτων και ακολούθησε το κιτρικό και μετά το μυρμηκικό οξύ. Το οξικό οξύ έδωσε τα μικρότερα ποσοστά εκχυλισμάτων. Οι εκχυλίσεις του ξύλου με οξαλικό και κιτρικό οξύ έδειξαν ότι προκαλούν σημαντική μεταβολή της χημικής σύστασης του ξύλου. Αποτέλεσμα των εκχυλίσεων ήταν η μείωση του ποσοστού της ολοκυτταρίνης λόγω υδρόλυσης, κυρίως των ημικυτταρινών και αντίστοιχα η αύξηση του ποσοστού της λιγνίνης και της τέφρας. Η ανάπτυξη και αξιολόγηση των σύνθετων προϊόντων με πλαστικοποιημένο άμυλο ή πολυαιθυλένιο και τα παραπάνω είδη ξυλοτεμαχιδίων έδειξαν ότι συμμετοχή και το ποσοστό συμμετοχής των ξυλοτεμαχιδίων καθώς και το είδος χειρισμού των ξυλοτεμαχιδίων επηρέσαν τις ιδιότητες των τελικών προϊόντων. Η συμμετοχή των ξυλοτεμαχιδίων στη σύνθεση των προϊόντων με το θερμοπλαστικό άμυλο αύξησε σημαντικά την αντοχή στον εφελκυσμό, το μέτρο ελαστικότητας, και μείωσε σημαντικά την επιμήκυνση στη θραύση, το ποσοστό της προσροφούμενης υγρασίας και το ποσοστό της διόγκωσης, βελτίωσε τη θερμική σταθερότητα, αλλά μείωσε το ποσοστό της βιοποικοδόμησης. Οι παραπάνω μεταβολές αυξήθηκαν με την αύξηση του ποσοστού των ξυλοτεμαχιδίων από 30% σε 40% και 50%. Τα ξυλοτεμαχίδια που είχαν εκχυλισθεί με οξαλικό και κιτρικό οξύ, σε σύγκριση με τα ξυλοτεμαχίδια ανεμπότιστης μαύρης πεύκης, προσέδωσαν μικρότερη αντοχή σε θραύση, μικρότερο μέτρο ελαστικότητας, μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στην προσρόφηση υγρασίας και στη διόγκωση, μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στην επίδραση της θερμοκρασίας, και χαμηλότερο ποσοστό βιοαποικοδόμησης. Η συμμετοχή των ξυλοτεμαχιδίων στη σύνθεση των προϊόντων με πολυαιθυλένιο βελτίωσε την αντοχή στον εφελκυσμό, αύξησε το μέτρο ελαστικότητας και μείωσε την επιμήκυνση στη θραύση, αύξησε σημαντικά το ποσοστό της προσροφούμενης υγρασίας και της διόγκωσης, μείωσε τη θερμική σταθερότητα και αύξησε το ποσοστό βιοαποικοδόμησης. Οι παραπάνω μεταβολές αυξήθηκαν με την αύξηση του ποσοστού των ξυλοτεμαχιδίων από 30% σε 40% και 50%. Τα ξυλοτεμαχίδια που είχαν εκχυλισθεί με οξαλικό οξύ και κιτρικό οξύ, σε σύγκριση με τα ξυλοτεμαχίδια ανεμπότιστης μαύρης πεύκης προσέδωσαν μικρότερη αντοχή σε θραύση, μικρότερο μέτρο ελαστικότητας, μείωση στην επιμήκυνση στη θραύση, μικρότερη ανθεκτικότητα στην προσρόφηση και διόγκωση, μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στην επίδραση της θερμοκρασίας και χαμηλότερο ποσοστό βιοαποικοδόμησης.
description: Concerns about the safety and the environmental impacts of impregnated wood with CCA, particularly after its uses, require research for its environmental management. The main problem with CCA-treated wood waste is that they still containing the toxic preservatives with which they were impregnated. The aim of this study was: 1) to investigate the removal of copper (Cu), chromium (Cr) and arsenic (As) from weathered out-of-service CCA-treated wood by chemical extraction (leaching) with weak organic acids (oxalic, citric, formic and acetic acid and distilled water), and to assess the effect of a) the type of disposed wood (structures in parks, children’s play structures, benches, shelters, timber from conservatories, picket fences - underground and above the ground, and stored timber) and b) the type of leaching agent and leaching temperature and time on the removal of the above metals and on the chemical composition (% of total extractives, of lignin, of holocellulose and of ash) of the treated (remediated) wood. 2) to develop biodegradable wood plastic composites (WPC) using wood flour from extracted (remediated) and unextracted wood waste (Pinus nigra) and two thermoplastic matrices such as thermoplastic starch (TPS) and polyethylene (PE). The mechanical, thermal, hydroscopic and biodedegradation properties of the composites were evaluated and the effect of the manufacture parameter such as type of polymeric matrix, type and of % wt of wood content in the composites on the above properties was investigated. The results of the metal leaching study showed that the removal of copper, chromium and arsenic from the various wood wastes was possible in high percentages even at room temperature (23 ± 2oC). In all cases the percentage removal of the metals increased by increasing the duration and temperature of extraction. Increasing the temperature to 50oC and 75oC for six (6) and nine (9) hours extraction with oxalic and citric acid removed more than 90% of the metals in wood. Wood extractions with oxalic and citric acid showed to cause a significant change on the chemical composition of wood such as % of extractives, lignin, holocellulose and ash. At room temperature the % of total extractives depending on the type of wood waste, the extraction agent and time, ranged between 1,03% and 4,36%. Increasing the temperature to 50oC and 75oC and duration of extraction from three (3) to six (6) and nine (9) hours increased the percentage of total extracts from wood. Depending on the extracting agent, the temperature and time of extraction the % of extractives ranged between 2,0% and 13,54%. Extraction with oxalic acid gave the highest rates of extracts followed by citric and formic acid. The smaller percentage of extracts was given by acetic acid. The % of holocellulose was reduced, due to hydrolysis, mainly of hemicelluloses, and the % of lignin and ash were increased. The development of wood plastic composites with thermoplastic starch (TPS) or polyethylene (PE) matrices and the as above treated (remediated) wood types showed that the addition of wood particles and their percentage ratio in the composites as well as the remediation treatment of the particles had a profound effect on the properties of the composites. Incorporation of wood flour in the composites made with TPS increased MOR and MOE and reduced elongation at break, decreased water absorption and thickness swelling, increased thermal stability but decreased biodegrability of the composites. The above changes in the properties of the composites increased with increasing percentage of wood in the composites from 30% to 40% and 50%. Wood extracted with oxalic and citric acid, when compared with unextracted wood, gave lower breaking strength, lower modulus of elasticity, high resistance to water absorption and swelling, greater resistance to the influence of temperature, and a lower rate of biodegradation. Incorporation of wood flour in the composites made with PE also increased MOR and MOE and reduced elongation at break, increased biodegrability but increased water absorption, thickness swelling but reduced thermal stability of the composites. The above changes in the properties of the composites increased with increasing percentage of wood in the composites from 30% to 40% and 50%. Wood was extracted with oxalic acid and citric acid, in comparison with unextracted wood gave lower breaking strength, lower modulus of elasticity, decreased elongation at break, lower resistance to water absorption and swelling, greater resistance to the effect of temperature and lower percentage of biodegradation.