Marinella Bosetto Irene Lozzi. Chimica del legno ARACNE

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1 Marinella Bosetto Irene Lozzi Chimica del legno ARACNE

2 Copyright MMVIII ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133 A/B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: agosto 2008

3 Capitolo 1 Indice Capitolo I Il Legno... 7 Capitolo II Proprietà fisiche del legno Capitolo III I polisaccaridi del legno Capitolo IV La lignina Capitolo V Composti estraibili dal legno Capitolo VI La corteccia Capitolo VII Derivati della cellulosa Capitolo VIII Combustione, carbonizzazione e distillazione secca del legno Capitolo IX Gassificazione del legno Capitolo X Saccarificazione del legno Capitolo XI Preparazione della pasta di legno per la produzione della carta Capitolo XII Processi di decolorazione della pasta di cellulosa e rimozione della lignina Capitolo XIII La carta Bibliografia

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5 Capitolo 1 IL LEGNO Cenni storici La materia prima più importante e nota della biomassa forestale è il legno, nome con cui viene designata la parte sottocorticale (fusto, rami, radici) delle piante arboree. Da un punto di vista tecnologico invece si intende per legno semplicemente la parte più interna dei grossi fusti e delle radici, compreso anche il midollo centrale. Il legno è stato utilizzato dall uomo fin dalla notte dei tempi, come supporto per lame e/o asce di pietra, come materiale da costruzione per recinti, ricoveri, abitazioni, e infine come fonte di calore e di energia. Infatti con la scoperta del fuoco è iniziato il lungo cammino del progresso umano: con il fuoco l uomo ha potuto non solo scaldarsi nella stagione avversa, ma ha anche iniziato a cuocere il cibo e a conservare nel tempo la dieta proteica affumicando ed essiccando la carne. Tramite il fuoco l uomo ha, fortuitamente, scoperto i metalli ed il loro uso, prima lo stagno, poi il rame, quindi la loro lega, il bronzo. Con la scoperta del carbone di legna, che ha un potere calorifico maggiore del legno ( Kcal/Kg del carbone di legna contro i del legno), l uomo poté utilizzare anche il ferro, la cui metallurgia iniziò forse in Mesopotamia nell VIII e IX secolo a.c. In Toscana un esempio dell industria dei metalli si trova nel Golfo di Populonia, ove esistono i resti degli altiforni degli etruschi e poi dei romani, che lavoravano lo stagno, il piombo, il rame ed il ferro delle Colline Metallifere e dell Isola d Elba. Non a caso era stata scelta tale località, situata in un porto naturale, vicino alle miniere dei vari minerali e soprattutto vicina alla materia prima energetica necessaria alla loro lavorazione, il legno, che proveniva da un entroterra composto da immense foreste mediterranee. In alcune zone litoranee della Toscana sono ancora visibili, al margine d erosione della riva, strati alternati di residui degli antichi altiforni, formati dai classici rosticci ancora oggi ricchi di minerale, data la carente tecnologia allora usata. 7

6 8 Capitolo I Anche ai nostri giorni il legno è di gran lunga la materia prima più richiesta per l edilizia, per l industria mobiliera, per l uso chimicotecnologico e per quello energetico (tre quarti dell umanità usa ancora oggi il legno per cuocere il cibo e per scaldarsi). In USA l 86% delle abitazioni sono di legno, lo stesso vale per il Nord Europa e nei cosiddetti Paesi in via di sviluppo le percentuali sono ancora maggiori. Il legno trova notevole impiego per come materiale da costruzione, perché è una materia prima a buon mercato, di piacevole aspetto ed abbastanza resistente nel tempo. Il legno ha tuttavia anche alcuni inconvenienti come l infiammabilità, la biodegradabilità, l instabilità dimensionale legata al contenuto in acqua, la sensibilità all esposizione ai raggi ultravioletti, agli acidi ed alle basi. Struttura del legno Nella terminologia botanica, col nome di legno (detto anche xilema o adroma) si indica un complesso di tessuti del fusto, dei rami e delle radici delle piante arboree, costituito oltre che dal tessuto vascolare interessato alla conduzione della linfa, da elementi parenchimatici (di riserva) e da elementi di sostegno. Il legno risulta composto da una parte solida ed una fibrosa ricca di succhi. E costituito essenzialmente da un insieme di vasi e di fibre o- riginariamente costituite da cellulosa. Questa con l andar degli anni viene sostituita parzialmente dalla lignina, che impregna le cellule dei tessuti ligniferi, aumentandone così le funzioni di protezione e di sostegno. Nel legno è presente anche un gruppo numeroso di sostanze chimiche diverse, di costituzione simile e costituite prevalentemente da glucidi. Un legno perfettamente secco ha una composizione chimica stabile (circa il 50% di C, il 6% di H, 43-45% di O e pochissimo N, circa lo 0.1%). Come composti secondari si trovano sostanze complesse come tannini, gomme, resine, proteine, sali minerali. L umidità è variabile, a seconda dell età e della stagionatura. Dopo una lunga stagionatura il legno ha la seguente composizione media: circa l 84% di sostanze organiche, il 15% di acqua e l 1% di sostanze minerali, fra le quali prevalgono il carbonato di calcio e il 8

7 Il legno 9 carbonato di potassio. All aumentare dell età del legno si hanno aumenti delle percentuali di carbonio e di conseguenza si accresce anche il suo potere calorifico quando viene impiegato come combustibile. Macroscopicamente, il legno presenta un colore caratteristico per ciascuna specie, talora marezzato, con risultati molto pregevoli dal punto di vista commerciale, diversamente lucente a seconda dello stato di levigazione (massimo nelle sezioni radiali, dove i raggi midollari producono quasi delle lucide specchiature). Solo determinate specie hanno un odore percettibile e caratteristico, come ad esempio la robinia ed il citiso freschi. La possibilità di provenire dalle specie più disparate determina nel legno caratteri fisici che li distinguono uno dall altro. Dal punto di vista del colore esistono legni bianchi (acero, oleandro), legni citrini (sandalo), legni canarini (bossolo), verdognoli (olivo) o addirittura neri (ebano). I legni teneri sono cattivi conduttori del calore e dell elettricità, specie quando sono essiccati. Alcune specie di legno hanno spiccate qualità armoniche e vengono pertanto impiegati nella fabbricazione di strumenti musicali: l abete rosso dà un suono più acuto ed è usato per i violini, mentre legni come ebano, quercia, noce, acero consentono di giungere solo a note più basse. Dal punto di vista della durezza i legni vengono classificati come: 1) ossei, ad es. il legno di guaiaco, estremamente duro; 2) molto duri, come il mandorlo, il corniolo, il bossolo, l olivo, il rovere; 3) duri, come carpino, robinia, cerro, faggio; 4) mediamente duri (gelso, platano, castagno); 5) teneri, come la betulle ed il pino; 6) estremamante teneri, come l abete, il tiglio, il pino cembro. Alcuni legni, in genere di origine esotica, sono particolarmente o- dorosi, e con profumo più o meno intenso (rosa, violetta, sandalo). Altri hanno odore di canfora o il caratteristico odore delle conifere che deriva dalla presenza della resina. Il legno ha peso specifico variabile non solo da specie a specie ma anche a seconda dello stato di conservazione e della posizione dell albero.

8 10 Capitolo I Esiste infatti un particolare tipo di legno, che si forma in determinate circostanze sotto vari tipi di sollecitazioni. Le cellule di questo tipo di legno sono diverse per struttura e composizione chimica da quelle omologhe del legno normale. Analizzando un pò più a fondo questo fenomeno, si trova che le cellule dei diversi tessuti di una pianta arborea di solito non sono perfettamente omogenee dal punto di vista anatomico-strutturale e fisiologico, poiché numerosi sono i fattori che influiscono sul loro accrescimento. Una pianta che cresce sotto l azione costante del vento, o del peso della neve, oppure su suolo in forte pendenza tende a rettificare le deviazioni provocate da queste circostanze, cercando di riportarsi in posizione normale. In piante ad accrescimento monopodiale troviamo i cosiddetti tronchi sciabolati, mentre in quelle ad accrescimento simpodiale troviamo tessuti diversi all attaccatura dei rami. Come vedremo più avanti, tutto questo avviene in seguito alla produzione di uno speciale tessuto legnoso che prende il nome di legno di reazione. Questo legno, se si forma nelle conifere prende il nome di canastro, mentre nelle latifoglie di legno di tensione. Descrizione generale delle specie legnose Gli alberi fanno parte delle piante da seme (Spermatofite), che si suddividono in Gimnosperme e Angiosperme. Il legno di conifere, o legno tenero, appartiene al primo gruppo e il legno duro, o legno di latifoglie al secondo. Sono note circa 520 specie di conifere e di Angiosperme, la maggior parte delle quali cresce in foreste tropicali. Nel Nord America si trovano circa 1200 specie arboree, mentre in Europa troviamo solo 10 specie di conifere e 51 di latifoglie che non siano state importate da altri Continenti. Questo numero limitato comprende le specie che sono sopravvissute ai periodi di glaciazione, durante i quali specie come la Sequoia e la Pseudotsuga sono completamente scomparse dall Europa. Ogni albero si compone del tronco, della chioma (rami, cimali, foglie) e delle radici. L acqua e gli elementi minerali che arrivano al tronco provengono dalle radici, che hanno quindi funzione nutritiva, oltre che di sostegno. Le radici infatti prendono dal suolo l acqua e le

9 Il legno 11 sostanze minerali necessarie alla crescita della pianta e queste, attraverso il tronco, arrivano ai rami ed alle foglie. Nelle foglie verdi ricche di clorofilla avviene il fenomeno della fotosintesi, processo che, come è noto, sotto l azione della luce solare trasforma sostanze inorganiche, come acqua e anidride carbonica, in composti organici. Questi composti tornano poi al tronco ed alle radici, dove in parte servono all accrescimento e in parte vengono accantonati come sostanze di riserva. Il tronco, che occupa dal 50 al 90% del volume della pianta sostiene i rami, che compongono la chioma. Nel tronco si possono distinguere la corteccia esterna, il ritidoma o corteccia interna, il cambio, l alburno, il durame, i raggi midollari e gli anelli annuali, che esamineremo in dettaglio più avanti. I tessuti del legno sono costituiti da cellule, diverse fra loro per forma, dimensione e funzioni, che vengono prodotte dal cambio all inizio di ogni fase di vegetazione. La corteccia assolve a diverse funzioni, agendo da protezione verso il mondo esterno e da trasporto degli elaborati foliari, il suo volume rispetto al tronco varia dal 7 al 20%. Struttura macroscopica del legno Il legno è composto da cellule allungate, in genere orientate in senso longitudinale rispetto al fusto e connesse fra loro da aperture o cavità. Queste cellule, la cui forma varia a seconda della loro funzione, danno all albero il necessario sostegno meccanico e funzionano da trasportatrici sia per i liquidi che per le sostanze di riserva. In Figura 1 si può vedere la struttura macroscopica del legno come appare ad occhio nudo. La striscia nera centrale rappresenta il midollo che sta al centro del fusto o dei rami e che si è formato durante il primo anno di crescita della pianta. Lo xilema, o legno, è organizzato in anelli concentrici che rappresentano la crescita annuale, e contiene anche dei raggi orizzontali che vanno dalla corteccia esterna al midollo (raggi primari) o dalla corteccia esterna agli anelli annuali (raggi secondari). Alcune conifere contengono anche canali resinosi. La parte più interna di un albero di solito consiste di legno di colore scuro, o durame, men-

10 12 Capitolo I tre la parte più esterna, o alburno, è di colore più chiaro e trasporta acqua dalle radici alle foglie. Figura 1. Sezione trasversale di tronco con struttura macroscopica del legno. Il cambio è la zona meristematica che produce legno verso l interno del tronco e corteccia (libro più ritidoma) all esterno. Durante un periodo vegetativo il cambio produce da 105 a 110 cellule in senso radiale e verso l esterno: ne risulta un maggior sviluppo in volume del legno in confronto alla corteccia. Il legno delle zone temperate presenta anelli concentrici detti anelli annuali o anelli di accrescimento annuale, di cui l ultimo, sotto la corteccia, è il cambio attivo, che entra in riposo durante l inverno. Tuttavia, il cambio può entrare in riposo anche in periodi diversi dall inverno, ad esempio in periodi di siccità o a causa di alte temperature, per poi riprendere la sua attività quando la situazione ritorna normale, con conseguente formazione di un ulteriore anello estivo- autunnale. Le cellule del legno primaverile hanno in genere dimensioni maggiori di quelle sviluppate nel periodo estivo- autunnale, che hanno un maggior spessore e colorazione più scura. La zona del cambio è uno strato molto sottile formato da cellule

11 Il legno 13 vive, fra la parte legnosa (xilema) e la corteccia interna (floema). In questa parte avviene la divisione cellulare e la crescita radiale dell albero. L albero vivente Esaminiamo ora le varie fasi della crescita di un albero. Come già visto, l albero si accresce mediante la divisione cellulare e l estensione del suo periodo di crescita dipende in larga misura dal clima. In molte zone del Nordamerica e della Scandinavia la crescita massima avviene fra maggio e settembre ed è particolarmente intensa in primavera. La maggior parte delle cellule si trasforma in cellule permanenti e solo poche di esse restano cellule in crescita, ancora in grado di dividersi. La crescita di un albero è continua, anche se rallenta nel corso del tempo. Le sequoie giganti (Sequoiadendron Giganteum) della California possono raggiungere l età di 4000 anni, crescere fino a 100 metri d altezza e possono misurare 12 m di diametro alla base. La crescita longitudinale, o crescita primaria, che avviene all inizio della stagione, procede lungo lo stelo, i rami e le radici. I punti di crescita si trovano dentro i germogli, che si erano formati nell autunno precedente. La crescita radiale comincia nel cambio che è composto da un singolo strato di cellule viventi (cellule iniziali)che hanno una parete cellulare sottile e sono riempite di protoplasma. La zona del cambio consiste di varie file di cellule, tutte capaci di dividersi. Ogni divisione delle cellule iniziali produce una nuova cellula iniziale ed una cellula madre nello xilema, che a sua volta dà origine a due cellule figlie, ognuna capace di ulteriore divisione. Vengono prodotte più cellule verso l interno dello xilema che non verso l esterno del floema, le cellule del floema si dividono più raramente che non quelle dello xilema. Per questa ragione gli alberi contengono più legno che corteccia.

12 14 Capitolo I Sviluppo della cellula Quando una cellula si divide dapprima sviluppa una cellula piatta, ricca di sostanze pectiche. Ognuna delle nuove cellule si circonda di una parete primaria sottile ed estensibile che consiste di cellulosa, e- micellulose, pectina e proteine. Nella fase seguente di differenziazione la cellula dapprima si espande fino a raggiungere le dimensioni definitive, dopo di che inizia la formazione della parete secondaria, più spessa. In questo stadio, la parete è formata da cellulosa ed emicellulose. La lignificazione comincia mentre la parete secondaria si sta ancora formando. Figura 2. Sviluppo della cellula vivente alla fibra del legno. Anelli annuali All inizio della sua crescita, un albero ha bisogno di un efficace trasporto di acqua. Nelle latifoglie, speciali canali si incaricano del trasporto dell acqua. Si forma così un tipo di legno che possiamo chiamare legno iniziale, poco colorato e poroso. Poi la velocità di crescita decresce e si produce il legno maturo, o terminale, formato da fi-

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