Vỏ trấu là độc nhất trong tự nhiên. Chúng chứa khoảng 20% silica opaline kết hợp với một lượng lớn polyme cấu trúc phenyl propanoid gọi là lignin. Chất thải nông nghiệp dồi dào này có tất cả các đặc tính mà người ta có thể mong đợi ở một số vật liệu cách nhiệt tốt nhất. Thử nghiệm gần đây của ASTM do Dịch vụ R&D của Cookville, Tennessee thực hiện cho thấy vỏ trấu không dễ bắt lửa hoặc cháy âm ỉ, chúng có khả năng chống lại sự xâm nhập của hơi ẩm và phân hủy nấm cao, chúng không truyền nhiệt tốt, chúng không có mùi hoặc phát ra khí, và chúng không ăn mòn đối với nhôm, đồng hoặc thép. Ở trạng thái thô và chưa qua chế biến, vỏ trấu tạo thành vật liệu cách nhiệt loại A hoặc loại I, và do đó, chúng có thể được sử dụng rất tiết kiệm để cách nhiệt các hốc tường, sàn và mái của Nhà vỏ trấu siêu cách nhiệt. Bài viết này cũng giải thích làm thế nào cấu trúc của một ngôi nhà như vậy có thể được tạo ra từ nhiều loại sản phẩm gỗ xẻ được chế tạo từ vỏ mía.
Giấy
Khi thiên nhiên quyết định cách đóng gói một hạt gạo, bà đã bọc bó chất dinh dưỡng nhỏ bé này bằng thứ thường được gọi là "opal sinh học". [1] Cấu trúc hóa học của vỏ trấu, chứa silic vô định hình liên kết với nước, gần giống với cấu trúc của opal, và điều này mang lại cho vỏ trấu một số đặc tính khá đáng kinh ngạc. Không nơi nào chúng ta có thể tìm thấy một sản phẩm phụ từ ngũ cốc có hàm lượng protein và carbohydrate thấp đến vậy, đồng thời lại có nhiều chất xơ thô, tro thô và silica. [2] Trong số tất cả các sản phẩm phụ từ ngũ cốc, vỏ trấu có tỷ lệ tổng chất dinh dưỡng tiêu hóa thấp nhất (dưới 10%). [3]
Vỏ trấu chứa khoảng 20% silica opaline kết hợp với một lượng lớn polyme cấu trúc phenyl propanoid gọi là lignin. Tỷ lệ silica cao như vậy là rất bất thường trong tự nhiên, [4] và sự pha trộn mật thiết giữa silica và lignin này làm cho vỏ trấu không chỉ có khả năng chống lại sự xâm nhập của nước và sự phân hủy của nấm mà còn chống lại những nỗ lực tốt nhất của con người để loại bỏ nó. . Vì lúa được trồng ở mọi lục địa ngoại trừ Nam Cực, vì nó chỉ đứng thứ hai sau lúa mì về diện tích và sản lượng trên toàn thế giới, [5] và vì vỏ trấu chiếm trung bình khoảng 20% trọng lượng thu hoạch thô của gạo, [6] của chúng tôi hành tinh cuối cùng có rất nhiều cặn bã có vảy này.
Hơn 100.000.000 tấn vỏ trấu được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giới. [7] Năm 1995, Hoa Kỳ sản xuất khoảng 1.260.000 tấn vỏ trấu [8] tại khoảng 50 nhà máy [9] đặt tại Louisiana, Texas, Arkansas, Missouri, Mississippi, Florida và California. Vì hầu hết các nhà máy đều lưu trữ gạo thô và chế biến hàng ngày nên vỏ trấu khô tươi luôn có sẵn quanh năm. Vì vỏ tàu không dễ phân hủy sinh học hoặc cháy nên đôi khi chúng được cung cấp miễn phí.
- Trấu thường được bán với giá khoảng 6 USD/tấn, mặc dù một nhà máy cho biết họ đã bán trấu với giá dao động từ 2 USD đến 20 USD/tấn. [10]
Thân tàu là vật liệu đóng gói rất cứng và dễ mài mòn, bao gồm hai nửa lồng vào nhau. Nó bao bọc khoảng không gian nhỏ bé còn sót lại do hạt xay và ở gần vô số các thân tàu khác, nó tạo thành một rào cản nhiệt có thể so sánh tốt với các vật liệu cách nhiệt tuyệt vời. [11] Các thử nghiệm khả năng chịu nhiệt trên vỏ trấu nguyên hạt cho thấy giá trị R lớn hơn 3,0 mỗi inch. [12] Nếu giá trị R của vỏ trấu thuận lợi như vậy thì tại sao chúng không được sử dụng rộng rãi để cách nhiệt các công trình dân cư và thương mại? [13]
Có lẽ các nhà khoa học và kỹ sư của chúng ta chỉ tập trung vào việc tạo ra những vật liệu và sản phẩm có thể được dán nhãn và tiếp thị là độc quyền. Có lẽ việc sử dụng vỏ trấu một cách khiêm tốn làm vật liệu cách nhiệt không đủ truyền cảm hứng cho trí tưởng tượng khoa học hoặc thương mại. Nhưng tại sao lại tập trung vào các sản phẩm nhân tạo khi nguyên liệu tự nhiên có rất nhiều? Chắc chắn phải có lý do sâu xa và hiển nhiên nào đó khiến vỏ trấu không phù hợp để làm vật liệu cách nhiệt.
Vỏ trấu có cháy không? Có, nhưng gặp khó khăn, như Eldon Beagle đã từng giải thích một cách tao nhã:
- "Sự sắp xếp cấu trúc 'bó rơm uống' đặc biệt silica-cellulose của vỏ trấu dẫn đến một vật thể không cháy hoặc thậm chí giải phóng nhiệt theo cách giống như bất kỳ chất hữu cơ nào. Những cấu trúc hình ống mào silic nhỏ này mang lại khả năng kháng cự vốn có để đốt cháy. Thường thì chúng bịt kín và ngăn chặn quá trình đốt cháy đồng đều, triệt để cần thiết để thu được sản phẩm cuối cùng mong muốn." [14]
Ai đã từng thử que diêm để làm rời vỏ trấu đều hiểu chúng khó cháy đến mức nào. Vì không khí không thể lưu thông tự do qua đống trấu để cung cấp lượng oxy cần thiết giúp duy trì quá trình đốt cháy nhanh nên chúng không dễ cháy và sạch. Mật độ lớn của vỏ trấu rời tương tự như rơm đóng kiện, và bất cứ ai đã thử đốt một kiện rơm đều hiểu vấn đề liên quan đến lượng oxy sẵn có. Nhưng sự sẵn có đơn giản của oxy không giải thích được mọi thứ.
Như chúng tôi đã lưu ý ở trên, tỷ lệ cao silic opaline trong vỏ trấu là bất thường nhất so với các nguyên liệu thực vật khác, và một số nhà khoa học cho rằng trong quá trình đốt vỏ trấu, tro silic có thể tạo thành một "kén" ngăn không cho oxy thoát ra. đạt được carbon bên trong. Các nhà khoa học khác suy đoán rằng, vì silica và carbon có thể được liên kết một phần ở cấp độ phân tử, nên cacbua silic được hình thành trong quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao và sự hiện diện của gốm chịu nhiệt này cản trở quá trình đốt cháy dễ dàng của trấu. [15] Các nhà khoa học khác vẫn cho rằng ở nhiệt độ nhất định, liên kết phân tử giữa silica và carbon trong thân tàu thực sự được tăng cường, do đó ngăn cản quá trình đốt cháy toàn bộ và đồng đều của thân tàu. [16] Trong mọi trường hợp, ngay cả khi chúng ta đốt được một đống trấu, chúng ta thấy rằng nó có xu hướng âm ỉ hơn là cháy.
- Trấu có khả năng làm chậm ngọn lửa và tự dập tắt ở nhiệt độ bình thường. Một que diêm đã cháy được ném lên đống trấu thường sẽ cháy hết mà không tạo ra ngọn lửa tự duy trì ở trấu. [17]
Cách nhiệt xenlulo thông thường đòi hỏi phải bổ sung một lượng lớn chất chống cháy và chất chống cháy âm ỉ. Nồng độ của các hóa chất chống cháy và chống cháy âm ỉ (như axit boric, natri borat, amoni sunfat, nhôm sunfat, nhôm trihydrat, mono- hoặc di-amoni photphat) trong vật liệu cách nhiệt xenlulo thông thường có thể đạt tới 40% trọng lượng. [18] Những hóa chất này đắt tiền để mua và điều chế, đồng thời sợi xenlulo phải trải qua quá trình chuẩn bị kỹ lưỡng để tiếp nhận chúng.
Điều đáng ngạc nhiên là vỏ trấu không cần chất chống cháy hoặc chất chống cháy âm ỉ. Thiên nhiên đã ban tặng cho loại chất thải nông nghiệp này tất cả các đặc tính cháy cần thiết để vượt qua Thử nghiệm dòng bức xạ tới hạn (ASTM C739/E970-89), Thử nghiệm đốt cháy âm ỉ (ASTM C739, Phần 14) và Thử nghiệm đặc tính cháy bề mặt ( ASTM E84). Thử nghiệm gần đây do Dịch vụ R&D thực hiện cho thấy Thông lượng bức xạ tới hạn (CRF) trung bình là 0,29 W/cm2, trọng lượng đốt cháy âm ỉ giảm từ 0,03% đến 0,07%, Chỉ số lan truyền ngọn lửa (FSI) là 10 và Chỉ số phát triển khói (SDI) là 50. Vì quy chuẩn xây dựng của Hoa Kỳ yêu cầu FSI từ 25 trở xuống và SDI từ 450 trở xuống, chúng tôi thấy rằng vỏ trấu dễ dàng vượt qua các bài kiểm tra này. Ở trạng thái thô và chưa qua chế biến, vỏ trấu tạo thành vật liệu cách nhiệt loại A hoặc loại I.
Tất cả các vật liệu hữu cơ sẽ hấp thụ hoặc giải phóng độ ẩm cho đến khi chúng đạt trạng thái cân bằng với độ ẩm tương đối của không khí xung quanh. Nồng độ cao của silica opaline trên bề mặt ngoài của vỏ trấu cản trở sự truyền hơi ẩm từ khí quyển vào vỏ trấu. Ngoài ra, 2,1% đến 6,0% vỏ trấu bao gồm một loại polyester sinh học gọi là cutin, [19] , kết hợp với sáp do cây lúa tạo ra, tạo thành một rào cản không thấm nước cao. Thiên nhiên sử dụng một số chiến lược rất hiệu quả để bảo vệ hạt gạo khỏi nước và độ ẩm cao thường liên quan đến quá trình trồng trọt và phát triển của loại cây này.
Do đó, các nghiên cứu được thực hiện trên vỏ trấu ở 25°C chỉ ra rằng độ ẩm cân bằng của vỏ trấu ở độ ẩm tương đối 50% là bằng hoặc dưới 10%, trong khi ở độ ẩm tương đối 90%, độ ẩm cân bằng của vỏ trấu vẫn ở mức hoặc thấp hơn. 15%. [20] Thử nghiệm hấp thụ hơi ẩm (ASTM C739, Phần 12) do Dịch vụ R&D thực hiện cho thấy mức tăng trọng lượng chỉ 3,23%. Mức này thấp hơn nhiều so với độ ẩm cần thiết để duy trì sự phát triển của nấm và nấm mốc.
Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn ASTM cho vật liệu cách nhiệt xenlulo yêu cầu thử nghiệm 28 ngày về khả năng chống lại sự phát triển của nấm (xem phần 10 của ASTM C1497, ASTM C1338, Phần 6.6 của ASTM C1149 hoặc Phần 11 của ASTM C739). Tuân theo các tiêu chuẩn này, Dịch vụ R&D đã tiêm vào vỏ trấu năm loài nấm khác nhau và vỏ trấu đã vượt qua các thử nghiệm này mà không cần thêm thuốc diệt nấm hoặc bất kỳ hóa chất nào khác.
Nồng độ cao của silica opaline trên bề mặt bên ngoài của vỏ trấu cũng xác định độ cứng hữu hiệu của vỏ trấu ở mức gần tương đương với các giá trị được báo cáo đối với opal (6 trên thang Mohs). [21] Tuy nhiên, do sự hiện diện của lignin trong vỏ trấu, độ cứng này được giảm bớt bằng tính linh hoạt và đàn hồi. Vì vỏ trấu cứng và đàn hồi nên nó có khả năng chống lắng và nén tốt hơn nhiều so với giấy báo vụn. Việc lắng đọng chất cách nhiệt xenlulo trong hốc tường có thể làm giảm tới 25% chiều cao lắp đặt của nó. Vì lý do này, thường cần phải ổn định chất cách điện xenlulô bằng polyvinyl axetat hoặc chất kết dính acrylic. Không có hợp chất ổn định nào trong số này là cần thiết với vỏ trấu nếu được rung chắc hoặc đóng vào hốc tường.
Vỏ trấu rời thường có góc nghiêng khoảng 35 độ. [22] Nhưng một khi đã được nhét chắc chắn vào hốc tường, các đầu, cạnh và sợi lông nhỏ xíu của chúng sẽ lồng vào nhau để đạt được góc nghỉ âm. Do sự liên kết đặc biệt này của vỏ trấu dưới áp suất nhẹ nên chúng ổn định một cách rất đồng đều và không thể lắng đọng thêm nữa. Ngoài ra, do không cần thiết phải thêm chất chống cháy, thuốc diệt nấm hay bất kỳ hóa chất nào khác vào vỏ trấu nên R&D Services đã xác định rằng sinh khối lành tính và ổn định này không phát ra mùi khó chịu (ASTM C739). Tương tự như vậy, Dịch vụ R&D xác định rằng vỏ trấu không ăn mòn nhôm, đồng hoặc thép (ASTM C739, Phần 9).
Với vỏ trấu, chúng ta không cần phải tham gia vào quá trình khai thác hoặc sản xuất gây ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước hoặc xói mòn. [23] Với vỏ trấu, chúng ta không cần phải tham gia vào quy trình sản xuất làm cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch dự trữ (như với chất cách nhiệt polystyrene, [24] polyisocyanurate và polyurethane). Với vỏ trấu, chúng tôi không sử dụng các hóa chất gốc clo như phosgene, propylene chlorohydrin [25] hoặc bất kỳ loại chlorofluorocarbons nào làm suy giảm tầng ozone. [26] Với vỏ trấu, chúng tôi không sử dụng urê formaldehyde, và chắc chắn không có chất phenol formaldehyde nào được sử dụng trong hầu hết các vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh. [27] Với vỏ trấu, chúng ta không phải lo lắng về tính khó chịu hay khả năng gây ung thư của bụi và sợi. [28] Hơn nữa, những người có độ nhạy cảm hóa học cấp tính không phải lo lắng về việc thoát khí liên quan đến chất kết dính trong vật liệu cách nhiệt dạng dơi, với mực trong báo tái chế hoặc với VOC thoát ra từ vật liệu cách nhiệt bằng bọt. [29] Vì vỏ trấu không cần phải băm nhỏ, xay xát bằng búa, đánh bông, tạo xơ, liên kết hoặc ổn định nên chắc chắn ở những trạng thái có sẵn vỏ trấu, chúng sở hữu ít năng lượng thể hiện hơn nhiều so với cả vật liệu cách nhiệt xenlulo. [30] Vì vỏ trấu không dễ cháy nên chúng không cần chất chống cháy hoặc chất chống cháy âm ỉ, đồng thời vì chúng rất cứng và bền nên không có gì ngăn cản chúng được sử dụng và tái chế nhiều lần.
Có lẽ chi phí đáng kể nhất liên quan đến việc sử dụng vỏ trấu là vận chuyển. Với mật độ lớn khoảng 9 lbs. mỗi ft 3 , [31] vỏ tàu rời có thể được vận chuyển với chi phí gần bằng với rơm đóng kiện. Tuy nhiên, để giảm chi phí vận chuyển, vỏ trấu có thể được nén tới mức 25 lbs. mỗi ft 3 mà không phá hủy tính đàn hồi của chúng. [32] Chúng dễ dàng bật trở lại mật độ ban đầu sau khi lực nén bị loại bỏ. Nhưng để vận chuyển vỏ trấu một cách tiết kiệm thì không cần thiết phải nén vỏ trấu đến mật độ 25 lbs/ft 3 . Với mật độ chỉ 14,50 lbs/ft 3 , xe moóc 53 foot tiêu chuẩn đạt được hiệu quả vận chuyển tối ưu ở trọng lượng pháp lý tối đa là 24 tấn. Nếu, với mật độ vận chuyển này, chúng ta trả phí vận tải đường bộ trung bình là 1,45 USD/dặm thì sẽ tốn khoảng 15 USD, 30 USD, 45 USD, 60 USD, 75 USD và 90 USD để vận chuyển một tấn trấu 250, 500, 750, 1000, 1250 và 1500 dặm tương ứng (xem biểu đồ bên dưới).
Với mật độ lắp đặt là 9 lbs/ft 3 , một tấn vỏ trấu sẽ cách nhiệt 222 ft 2 của một hốc tường 12 inch. Do đó, chi phí cho mỗi ft 2 phát sinh do vận chuyển trên cùng những khoảng cách này lần lượt là 0,07 USD, 0,14 USD, 0,20 USD, 0,27 USD, 0,34 USD và 0,41 USD (xem biểu đồ tiếp theo).
Những người sống cách nhà máy gạo dưới 200 dặm sẽ khó có thể biện minh cho việc sử dụng bất kỳ loại vật liệu cách nhiệt nào khác. Khi nhiều nhà máy miễn cưỡng bán vỏ trấu với giá dưới 5 USD/tấn, lập luận ủng hộ vỏ trấu càng trở nên thuyết phục hơn. Với mức giá 5,00 USD/tấn, chi phí vỏ trấu trên mỗi ft 2 của bức tường sâu 12 inch chỉ là 0,02 USD.
Giả sử rằng chúng ta không phải trả 5 đô la mà là 25 đô la cho mỗi tấn (cao hơn nhiều so với giá trị thị trường hiện tại), chúng ta thấy rằng giá mua vỏ trấu trên mỗi ft 2 bức tường cách nhiệt chỉ là 0,11 đô la. Cộng 0,11 USD này vào chi phí vận chuyển trên cùng những khoảng cách này, chúng tôi tính ra tổng chi phí cho mỗi ft 2 vỏ trấu được giao đến địa điểm làm việc lần lượt là 0,18 USD, 0,25 USD, 0,32 USD, 0,38 USD, 0,45 USD và 0,52 USD (xem biểu đồ bên dưới) .
Với những tính toán đơn giản này, chúng ta thấy rằng việc vận chuyển vỏ trấu không nên hạn chế hoặc hạn chế việc sử dụng rộng rãi chúng làm vật liệu cách nhiệt. Những tính toán này cho phép chúng tôi thực hiện hai so sánh, một đối với rơm đóng kiện và một đối với lớp cách nhiệt bằng xenlulô dày đặc. So với tất cả các loại vật liệu cách nhiệt khác trên thị trường hiện nay, hai loại vật liệu cách nhiệt này có hàm lượng tái chế cao nhất và hàm lượng năng lượng tiêu hao thấp nhất.
Trung bình, một kiện rơm hai dây (14x18x36 inch) nặng 45 pound, được bán với giá 2,50 USD và được vận chuyển đến nơi làm việc với mức phí thêm 1,00 USD. [33] Được đặt phẳng trong một bức tường, kiện hai dây chiếm diện tích 3,5 ft 2 bề mặt tường. Điều này mang lại giá mua là 0,71 USD cho mỗi ft 2 bức tường, chúng ta phải thêm 0,29 USD nữa cho phí vận chuyển. Theo đó, tổng chi phí rơm đóng kiện trên mỗi ft 2 của tường kiện là khoảng 1,00 USD. Con số này gấp hơn 5 lần giá trấu vận chuyển 250 dặm và gần gấp đôi giá trấu vận chuyển 1.500 dặm. Hơn nữa, 12 inch vỏ trấu ở mức R-3,0 mỗi inch mang lại khả năng cách nhiệt cao hơn 37% so với 18 inch vỏ trấu ở mức R-1,45 mỗi inch, [34] và điều này, với chi phí từ 1/5 đến 1 nửa, sử dụng ít hơn 33%. không gian tường.
Vật liệu cách nhiệt bằng xenlulo trong ứng dụng đóng gói dày đặc được chèn vào tường với mật độ khoảng 3,5 lbs/ft 3 . Theo đó, một tấn vật liệu cách nhiệt xenlulo sẽ cách nhiệt 571 ft 2 bức tường sâu 12 inch mà chúng tôi đề xuất. Với mức giá giao hàng trung bình là 540 USD/tấn, vật liệu cách nhiệt xenlulo có giá khoảng 0,95 USD/ft2 tường cách nhiệt. Giá này rẻ hơn một chút so với rơm đóng kiện, nhưng vẫn gấp khoảng năm lần giá trấu vận chuyển 250 dặm và gấp đôi giá trấu vận chuyển 1.500 dặm.
Nếu cách nhiệt bằng vỏ trấu có thể so sánh tốt với cách nhiệt bằng kiện rơm và xenlulo, thì nó đáng mong đợi hơn bao nhiêu so với những dạng cách nhiệt có hàm lượng tái chế thấp và hàm lượng năng lượng ẩn cao? Ngành xây dựng ở Hoa Kỳ yêu cầu vài triệu tấn vật liệu cách nhiệt mỗi năm. Các nhà máy xay lúa có nên liên minh với các kiến trúc sư và nhà xây dựng để thay thế tất cả các dạng vật liệu cách nhiệt không được sản xuất theo cách hiệu quả và có lợi cho môi trường hay không?
- Để bác bỏ, ai đó có thể lập luận khá chính xác rằng một bức tường kiện rơm chịu lực mang lại nhiều lợi ích hơn là chỉ cách nhiệt. Ai đó cũng có thể lập luận rằng chúng tôi đã so sánh giá trị cách nhiệt lý thuyết của vỏ trấu với giá trị cách nhiệt lắp đặt của kiện rơm - một trường hợp điển hình của táo và cam. Nhưng trong chừng mực hệ thống tường được thiết kế chính xác (không có tính dẫn nhiệt qua các bộ phận kết cấu) và trong chừng mực vỏ trấu được phân bố và đóng gói đồng đều trong tường (không có khoảng trống nào được sử dụng bởi vỏ trấu), các giá trị lý thuyết và giá trị lắp đặt phải giống nhau.
Năm 1994, ngành cách nhiệt cellulose tiêu thụ 420.000 tấn báo tái chế. [35] Đây là một hoạt động cần được phát huy và nâng cao bằng mọi cách có thể. Nếu các nhà máy xay lúa đóng góp một lượng tương đương cho ngành cách nhiệt thì số tiền này sẽ chỉ chiếm 1/3 sản lượng vỏ trấu hàng năm ở Hoa Kỳ.
Với giá bán trung bình là 25 USD/tấn và khoảng cách vận chuyển trung bình là 600 dặm, điều này sẽ tạo ra doanh thu mỗi năm khoảng 10,5 triệu USD cho các nhà máy gạo và hơn 15 triệu USD cho các công ty vận tải. Vì Hoa Kỳ tạo ra ít hơn 1,3% sản lượng vỏ trấu toàn cầu nên phần còn lại của thế giới sẽ thu được nhiều lợi ích hơn từ việc sử dụng đơn giản và không phức tạp loại phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như vậy. Giả sử chúng ta tin rằng vỏ trấu có nhiều ưu điểm so với vật liệu cách nhiệt thông thường, chúng ta nên xây dựng một ngôi nhà siêu cách nhiệt bằng vỏ trấu như thế nào? Giả sử thêm rằng chúng ta muốn xây dựng cấu trúc của ngôi nhà này gần như hoàn toàn bằng vật liệu phế thải nông nghiệp, chúng ta nên tiến hành như thế nào? Vì vỏ trấu rời, không giống như kiện rơm, không có giá trị về mặt kết cấu, vậy chúng ta nên xây các hốc sàn, tường, mái nhà bằng vỏ trấu như thế nào? Công nghệ cho phép chúng ta tạo ra hệ thống sàn, tường và mái bằng vật liệu xenlulo cấp thấp đã tồn tại. Các công ty như Georgia-Pacific, Louisiana Pacific, Weyerhaeuser và Boise chuyên về nhiều loại sản phẩm gỗ xẻ kỹ thuật như dầm chữ I, gỗ dán veneer nhiều lớp (LVL), gỗ xẻ sợi song song (PSL), gỗ xẻ sợi nhiều lớp (LSL), gỗ xẻ định hướng gỗ xẻ (OSL), gỗ dán nhiều lớp (GLULAM), v.v. Những sản phẩm gỗ kỹ thuật này mang lại nhiều lợi thế hơn so với gỗ xẻ nguyên khối truyền thống.
Chúng không có nút thắt và những điểm không hoàn hảo khác. Chúng không co lại, vương miện, xoắn, cong, tách, kiểm tra hoặc cong vênh. Chúng khỏe hơn, cứng hơn, nhẹ hơn, thẳng hơn và chính xác hơn nhiều so với gỗ xẻ nguyên khối. Chúng có thể được thiết kế để trải dài khoảng cách tương đối dài, với khả năng chịu tải trên mỗi đơn vị trọng lượng cao hơn nhiều. Kiến trúc sư có thể thiết kế các công trình với không gian hữu ích và dễ sống hơn nhiều, các nhà xây dựng không phải đối mặt với rác thải và rác thải, còn thợ mộc thấy chúng dễ dàng cắt và lắp đặt.
Hiện nay, cây dương là nguyên liệu thô chính được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm gỗ xẻ kỹ thuật này. Aspen mọc trong rừng và cho đến nay, việc tàn phá những khu rừng này là hậu quả tất yếu của việc sản xuất gỗ xẻ kỹ thuật. Cấu trúc của Strawbale thu hút sự chú ý của chúng tôi một cách mạnh mẽ vì lý do đơn giản là nó tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải nông nghiệp dồi dào. Khi xây dựng một bức tường rơm chịu lực, chúng ta không cần phải chặt một cây hay tác động đến cuộc sống phong phú và đa dạng phụ thuộc vào cây cối. Hơn nữa, chúng ta không cần phải tốn thêm một mẫu đất nông nghiệp để sản xuất các kiện cần thiết cho việc xây dựng nó. Kiện rơm là sản phẩm thứ cấp hoặc sản phẩm phụ của quá trình trồng lúa mì và làm bột.
Giống như nông nghiệp mang lại cho chúng ta vỏ trấu như một sản phẩm phụ của gạo, liệu nông nghiệp cũng có thể cho chúng ta sợi gỗ chắc khỏe như một sản phẩm phụ của một thứ khác không? Chúng tôi đang tìm kiếm một sản phẩm phụ nông nghiệp, mà theo logic nội tại nào đó của tự nhiên, sẽ giống tre về nhiều mặt. Nó không chỉ phải phát triển nhanh và khỏe mạnh mà chúng ta thậm chí có thể mong đợi tìm thấy sự tương đồng đáng chú ý với tre về cấu trúc của cây, cụ thể hơn là hàng loạt đốt và lóng đặc trưng cho thân hoặc thân cây. Giống như tre, nó phải là một loại cỏ lâu năm cao có lớp vỏ hoặc lớp vỏ bên ngoài có thành dày, nhưng không giống như tre, chúng ta có thể hy vọng rằng nó có thể được thu hoạch và sử dụng như một sản phẩm phụ của một thứ khác. Sẽ không có đất dành riêng cho việc trồng trọt và tất cả các thiết bị cần thiết cho việc thu hoạch, vận chuyển và sơ chế đều phải có sẵn. Chúng ta nên đi đâu để tìm được một loại cây tuyệt vời như vậy?
Nó đã tồn tại rồi. Được Christopher Columbus giới thiệu đến Tân Thế giới từ năm 1493, cây mía không có gì mới đối với ngành nông nghiệp ở Hoa Kỳ. [36] Nhưng kể từ khi được du nhập vào châu Mỹ, nó đã được trồng chủ yếu để lấy lượng lớn sucrose lấp đầy lõi bên trong của nó. Mặc dù tất cả sucrose có giá trị cao chủ yếu nằm ở phần bên trong của nó, nhưng toàn bộ phần thân cây vẫn bị nghiền nát, ép và xử lý, và khi làm như vậy, tính nguyên vẹn, độ bền và giá trị của lớp vỏ gỗ bên ngoài bị phá hủy hoàn toàn. Tốt nhất, nó phục vụ như một loại nhiên liệu cấp thấp, và tệ nhất, nó bị vứt ra ngoài trời thành từng đống lớn, nơi cuối cùng nó có thể tự bốc cháy do hoạt động của vi khuẩn ưa nhiệt. Thật khó để hiểu chúng ta đang vứt đi những gì khi đốt vỏ ngoài của cây mía. Nếu chúng ta so sánh tốc độ tăng trưởng và chất lượng sợi của một khu rừng điển hình ở Tây Bắc Thái Bình Dương với một khu rừng trồng mía điển hình ở Louisiana, chúng ta sẽ vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng cánh đồng mía rõ ràng vượt trội hơn hẳn so với rừng ở một khoảng cách lớn. Trong một khoảng thời gian tương đương, một mẫu mía có thể sản xuất gần gấp đôi diện tích chân ván so với một mẫu rừng.
Khi toàn bộ thân hoặc phôi đi qua máy nghiền thông thường, không chỉ tính toàn vẹn về cấu trúc của vỏ bị phá hủy mà phần lõi và vỏ trở nên hòa trộn chặt chẽ với nhau, và mọi khả năng tách chúng về mặt kinh tế cũng bị phá hủy. Lõi bên trong hoặc lõi của cây mía đại diện cho một loại sợi hemicellulose có thể phân hủy sinh học, có rất ít giá trị cấu trúc và nếu chúng ta đang tìm kiếm các lựa chọn thay thế cho lâm sản thông thường, thì ngay cả một lượng nhỏ lõi trong các sản phẩm gỗ sản xuất cũng sẽ khá không mong muốn. Do đó, mọi sự chú ý đều chuyển sang việc tìm ra phương pháp tách vỏ khỏi lõi trước khi cắt và nghiền mía tại nhà máy.
Ngày nay hầu hết mía ở các nước phát triển đều được thu hoạch bằng máy gặt phôi. Máy gặt phôi đập cuống xuống cắn vào mặt hàng, cuốn theo rất nhiều rác như sắt vụn, cát, đất sét, banh đất sét, đá, gạch, lá, ngọn. Sau đó, máy gặt sẽ cắt thân cây thành các phôi dài khoảng 8 inch. Trong trường hợp tốt nhất, trong điều kiện khô ráo, một tấn mía chứa tới 8% rác vô cơ tính theo trọng lượng và trong điều kiện ẩm ướt, một tấn mía chứa tới 30% rác vô cơ tính theo trọng lượng. Không chỉ sợi xenlulo cứng của mía bị phá hủy hoàn toàn trong quá trình nghiền ở máy nghiền, mà sợi này đôi khi còn được trộn lẫn với lượng mảnh vụn vô cơ tương đương.
Loại rác này đi vào máy nghiền không chứa đường, khi rời khỏi máy nghiền ở dạng bánh lọc hoặc bã mía sẽ mang theo đường. Mỗi 1% rác trong phôi thép thể hiện sự tổn thất trong sản xuất 3 pound đường trên mỗi tấn mía. Nhiều rác hơn có nghĩa là phải bảo trì nhiều hơn, nhiều keo tụ hơn, nhiều vôi hơn, nhiều khí tự nhiên hơn, nhiều bã mía chưa cháy hơn, nhiều bánh lọc hơn, nhiều máy xúc lật hơn, nhiều xử lý nước hơn, nhiều bể lắng hơn, nhiều đường kéo hơn để làm sạch các bể lắng, nhiều vận chuyển hơn, nhiều hơn đảo ngược, nhiều mật hơn, ít đường hơn và chi phí cao hơn. Chắc chắn phải có một cách để tối đa hóa việc thu hồi đường và giảm thiểu chi phí sản xuất nó, đồng thời bảo toàn được tính toàn vẹn của vỏ.
Để giải quyết vấn đề này, cần có hai loại phân tách. Thiết bị phân tách thứ nhất, thiết bị phân tách môi trường dày đặc, loại bỏ tất cả các mảnh vụn vô cơ khỏi mía phôi và thiết bị phân tách thứ hai, thiết bị phân tách cơ học, tách lõi khỏi vỏ.
Công ty TNHH Kỹ thuật, Phân tách và Tái chế ở Washington, Louisiana, đã thiết kế hơn 20 máy phân tách môi trường dày đặc được sử dụng rộng rãi trong quá trình sơ chế nhiều loại rau củ, chẳng hạn như khoai tây, cà rốt, muối và củ cải đường. Máy tách rau tương tự này có thể được sử dụng rất hiệu quả để tách phôi khỏi các mảnh vụn vô cơ (xem hình bên dưới). Vì phôi mía có mật độ khoảng 1,09 RD (khá giống với mật độ của khoai tây) và vì các viên đất sét, đá và gạch có mật độ trên 2,00 RD nên việc phân tách này rất dễ dàng và đơn giản.
Sau khi tất cả vật liệu vô cơ được loại bỏ khỏi phôi thép, chúng sẽ được chuyển đến một máy phân tách cơ học rất hiện đại và phức tạp được gọi là "Máy tách Tilby". Máy tách Tilby bao gồm một bộ con lăn ban đầu (trạm chia) trong đó các phôi được cắt thành hai nửa dọc. Sau đó, quy trình này được chia thành một bộ con lăn bên phải và bên trái (trạm lấy sâu), mỗi bộ cạo ra và tách lõi ra khỏi vỏ. Các phôi đi qua các trạm phân tách và phân rã với tốc độ phi thường 20 feet mỗi giây. Chỉ có phần lõi được chuyển đến máy ép trái cây, còn phần vỏ được đưa đến máy sấy. Sau khi được sấy khô đến độ ẩm dưới 2%, vỏ có thể được chế tạo thành bất kỳ loại gỗ xẻ kỹ thuật nào có thể tưởng tượng được.
Do cấu trúc sợi và chiều dài của phôi ban đầu được bảo toàn hoàn toàn trong quy trình Tilby nên cần ít keo hơn trong sản xuất gỗ xẻ kỹ thuật so với trường hợp thông thường. Nếu được chế tạo thành các đinh tán bằng gỗ được thiết kế kỹ thuật, chúng tôi có tất cả những gì cần thiết để tạo ra các hốc tường của ngôi nhà vỏ trấu mà chúng tôi đề xuất. Nếu được chế tạo thành các thanh dầm chữ I bằng sản phẩm gỗ kỹ thuật, chúng ta có tất cả những gì cần thiết để tạo ra các hốc sàn và mái. Bệ cửa, gạch lát sàn, mái rung, thậm chí cả chất xơ cần thiết để sản xuất tấm ốp xi măng sợi, đều có thể được làm từ chất xơ cực kỳ chắc chắn của vỏ mía. [37] [38]
Thông qua việc sử dụng gỗ xẻ đã qua chế tạo, phương án nâng toàn bộ kết cấu lên khỏi mặt đất (trụ và dầm) có chi phí hợp lý và cho phép bố trí ở các khu vực trũng hoặc trên địa hình không bằng phẳng. Tương tự, tầng áp mái dễ dàng chuyển đổi thành không gian sống mở, không bị cản trở và hữu ích, giúp giảm đáng kể chi phí trung bình trên mỗi foot vuông của cấu trúc. [39] Do sản lượng mía nguyên liệu hàng năm trên toàn thế giới đạt khoảng một tỷ tấn, nên có khoảng 75 triệu tấn vỏ khô có khả năng cung cấp cho ngành công nghiệp gỗ xẻ kỹ thuật. Con số này gần bằng với 100 triệu tấn vỏ trấu có sẵn mỗi năm trên khắp thế giới. Với hai sản phẩm phụ là đường và gạo, chúng ta có thể xây dựng và cách nhiệt cho hàng triệu ngôi nhà mỗi năm.
Là công dân trong một xã hội công nghiệp rộng lớn, chúng ta khó có thể làm những việc thực sự tạo nên sự khác biệt. Khi lựa chọn xây dựng một cấu trúc có nguồn gốc từ vật liệu phế thải nông nghiệp, chúng tôi không chỉ làm điều đúng đắn về mặt môi trường mà còn tạo ra cho mình một cấu trúc vượt trội hơn nhiều so với bất cứ thứ gì thông thường có sẵn. Ngôi nhà bằng vỏ trấu/mía siêu cách nhiệt này, khi được thiết kế chính xác, [40] sẽ có chi phí xây dựng rẻ hơn đáng kể so với cấu trúc thông thường, đồng thời liên tục mang lại lợi ích cho chủ sở hữu với hóa đơn điện nước trung bình không bao giờ vượt quá một đô la Mỹ mỗi ngày.
Vì vậy, tại sao lại xây dựng theo cách thông thường khi làm cách khác sẽ rẻ hơn nhiều và hợp lý hơn nhiều về mọi mặt? Cho đến nay, chúng ta luôn có thể nương tựa vào thực tế là chừng nào chúng ta chưa nhận thức được những điều có thể xảy ra thì chúng ta sẽ không thể biến nó thành hiện thực. Nhưng đây không phải là về nghĩa vụ và nghĩa vụ, mà là về việc tìm ra những cách mới và thú vị để phản ứng một cách sáng tạo trước vẻ đẹp tuyệt vời và choáng ngợp trong Vũ trụ của chúng ta.
ruột thừa
Ngôi nhà vỏ trấu đầu tiên được hoàn thành vào tháng 2 năm 2004, là nhà của Paul và Ly Olivier. Tọa lạc tại thị trấn tàu hơi nước lịch sử của Washington, Louisiana, ngay đối diện đồn điền Magnolia Ridge tráng lệ, [41] nó không thể phân biệt được với những ngôi nhà được xây dựng trong khu vực hơn 150 năm trước. Nhiều kỹ thuật xây dựng được mô tả trong bài viết này đã được áp dụng để xây dựng ngôi nhà này.
Paul Olivier
Công ty TNHH Kỹ thuật, Phân tách & Tái chế
Hộp thư bưu điện 250
Washington, Louisiana 70589
Điện thoại: 1-337-826-5540
Email: xpolivier@hotmail.com
Ghi chú
- ^ Velupillai, L., Mahin, DB, Warshaw, JW, và Wailes, EJ 1996. Nghiên cứu về thị trường hệ thống và thiết bị chuyển vỏ trấu thành năng lượng, trang 24, Trung tâm Nông nghiệp Bang Louisiana. "Trong tự nhiên, silica (SiO2) tồn tại dưới bảy dạng thù hình riêng biệt: thạch anh, cristobalite, tridymite, coesite, stishovite, lechatelerite (thủy tinh silic) và opal; hai loại sau là vô định hình." Drees, L., Wilding, L., Smeck, N. và Senkayi, A.1989. Khoáng chất trong môi trường đất (Ấn bản thứ 2), trang 913, "Opal là một dạng đa hình silic ngậm nước (SiO2.nH2O)." Như trên, tr.921
- ↑ Xi măng tro trấu: Sự phát triển và ứng dụng, Tổ chức Phát triển Công nghiệp Liên Hợp Quốc, Vienna, tr.12-13
- ^ Juliano, B.1985. Lúa: Hóa học và Công nghệ, tr. 695
- ↑ "Không có nội tạng thực vật nào có thể sánh bằng lượng silica tìm thấy trong trấu." Beagle, EC 1978. Bản tin Dịch vụ Nông nghiệp của FOA 31, trang 8
- ^ Velupillai (1996), tr.1
- ↑ như trên, tr.15. Xem Beagle (1978), tr.6. “Tỷ lệ trấu trong thóc rất khác nhau, nhưng 20% có thể được coi là mức trung bình khá.” Như trên, trang 25
- ^ Velupillai (1996), tr.15
- ↑ như trên, tr.44
- ↑ như trên, tr.37. Để biết danh sách một số nhà máy xay xát gạo ở Hoa Kỳ, hãy xem http://web.archive.org/web/20060312140454/http://www.ricecafe.com:80/newlinks2.htm (trang web đã bị xóa; tháng 11 năm 2010) hoặc ftp://www.usarice.com/publish/member1.htm (yêu cầu thành viên; tháng 11 năm 2010)
- ^ Velupillai (1996), tr.45
- ^ Velupillai (1996), tr.16
- ^ "Trấu có độ dẫn nhiệt khoảng 0,0359 W/(m.°C); giá trị này có thể so sánh tốt với độ dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt tuyệt vời (Houston, 1972)." Juliano (1985), tr.696. Độ dẫn nhiệt của tro trấu được báo cáo là 0,062 Wm-1.K-1. Xem UNIDO, trang 21. Một thử nghiệm gần đây hơn được thực hiện bởi các dịch vụ R&D của Cookville, Tennessee, cho thấy tỷ lệ R-per-inch là 3,024.
- ^ Mặc dù vỏ trấu đã được bán làm vật liệu cách nhiệt trong các ứng dụng lấp đầy dưới nhãn hiệu "Mehabit", thật khó để tìm thấy bằng chứng cho thấy vỏ trấu tươi đã được sử dụng cho mục đích này. Xem Beagle (1978), tr.132
- ^ Beagle (1978), tr.8. "Tỷ lệ silica cao trong vỏ trấu và cấu trúc silica-cellulose đặc biệt cản trở việc đốt cháy đồng đều và triệt để vỏ trấu trong quá trình đốt cháy." Velupillai (1996), tr.18. “Trong tất cả các hoạt động đốt sinh khối, việc đốt trấu (và rơm) đặc biệt khó khăn vì hàm lượng tro cao”. Như trên, trang 23. "Eldon Beagle đã đốt một đống vỏ trấu có kích thước 300'x500'x50' và chúng cháy suốt sáu tháng." Như trên, tr.24. "Tuy nhiên, trấu không thể cháy dễ dàng hoặc sạch khi có không khí dư thừa và khả năng thu hồi năng lượng rất thấp do nhiệt sinh ra không thể được sử dụng theo cách có lợi." Như trên, trang 25
- ↑ như trên, tr.24
- ↑ Từ cuộc trò chuyện với Carl D. Simpson của Riceland Foods, Inc
- ^ Beagle (1978), p.9, trích dẫn từ Burrows (109A)
- ^ "Nồng độ hóa chất thường được thêm vào trong vật liệu cách nhiệt xenlulo thương mại thường nằm trong khoảng từ 10 đến 40% trọng lượng. Hóa chất thường được sử dụng là axit boric, natri borat, amoni sunfat, nhôm sunfat, nhôm trihydrat, mono- hoặc di-amoni photphat." Bản tin dịch vụ có tựa đề "Borat chống cháy trong vật liệu xenlulo," trang 5, do Borax Hoa Kỳ biên soạn
- ^ Juliano (1985), tr.695. Về cutin [1] (không có trang như vậy, tháng 11 năm 2010)
- ^ Juliano (1985), tr.707
- ^ Juliano (1985), tr.696
- ^ Juliano (1985), tr.28
- ↑ Phần lớn ngôn ngữ so sánh của đoạn này được lấy từ Tin tức Xây dựng Môi trường – Vật liệu Cách nhiệt: So sánh Môi trường [2]
- ^ "Styrene được sử dụng trong vật liệu cách nhiệt polystyrene được EPA xác định là chất có thể gây ung thư, gây đột biến, độc tố mãn tính và độc tố môi trường. Hơn nữa, nó được sản xuất từ benzen, một hóa chất khác gây lo ngại cho cả môi trường và sức khỏe." Như trên, trang 5
- ^ "Để sản xuất isocyanate, tiền chất của chất cách nhiệt polyisocyanurate và polyurethane, hai hóa chất gốc clo được sử dụng: phosgene và propylene chlorohydrin." Như trên, trang 4-5
- ^ "Các chất gây ô nhiễm đáng kể nhất được tìm thấy trong vật liệu cách nhiệt là các hóa chất gốc clo phá hủy tầng ozone bảo vệ trái đất." Như trên, trang 5
- ^ "Hầu hết vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh được sản xuất bằng cách sử dụng chất kết dính phenol formaldehyde (PF) để giữ các sợi lại với nhau." Như trên, trang 5
- ^ "Mối lo ngại về sức khỏe ngày càng tăng đối với sợi thủy tinh" được thảo luận ở trang 10 của ibid
- ↑ như trên, tr.10-11
- ↑ Năng lượng biểu hiện được định nghĩa là "năng lượng cần thiết để sản xuất và vận chuyển vật liệu." Như trên, trang 8
- ^ Juliano (1985), p.696, Velupillai (1996), tr.16, Beagle (1978), tr.8
- ^ "Vỏ tàu có thể dễ dàng được nén đến khoảng 0,4 g/cm3 và việc nghiền làm tăng mật độ khối từ hai đến bốn lần." Juliano (1985), tr.696
- ↑ Những số liệu này được đưa ra bởi Catherine Wanek, biên tập viên của ấn phẩm kiện rơm nổi tiếng có tên The Last Straw
- ^ "Các phép đo sau đó cho thấy bức tường (bè rơm) cách nhiệt ở mức R-27,5 (RSI-4,8). Trên cơ sở mỗi độ dày, đây là R-1,45 mỗi inch (0,099 W/m°C), chỉ khoảng hơn một nửa về giá trị được báo cáo phổ biến nhất." [3] tr.2
- ^ www.buldinggreen.com p.2 (cần đăng ký, tháng 11 năm 2010)
- ↑ http://web.archive.org/web/20020316053751/http://www.lib.lsu.edu:80/special/exhibits/sugar/case1.html (liên kết không hoạt động, tháng 11 năm 2010)
- ↑ Để biết thêm thông tin về kỹ thuật xây dựng vỏ trấu này [4]
- ↑ Loại bỏ tạp chất từ phôi mía [5]
- ↑ Ví dụ: nếu tầng dưới chiếm 60% tổng không gian sống với chi phí là $80/ft 2 và nếu tầng trên có thể được chuyển đổi thành 40% tổng không gian sống với chi phí bổ sung là $10/ft 2 , thì chi phí trung bình/ft 2 chỉ là 52 USD
- ^ "Cách nhiệt đủ dày và cửa sổ đủ tốt có thể loại bỏ nhu cầu sử dụng lò sưởi, điều này đòi hỏi khoản đầu tư nhiều vốn hơn chi phí đo lường hiệu quả đó. Các thiết bị tốt hơn cũng giúp loại bỏ hệ thống làm mát, tiết kiệm nhiều chi phí vốn hơn. Chỉ có hiệu quả vừa phải hơn nhà và ô tô tốn nhiều chi phí xây dựng hơn, nhưng khi được thiết kế như một hệ thống hoàn chỉnh, ngôi nhà và ô tô siêu hiệu quả thường có thể có chi phí thấp hơn so với các phiên bản ban đầu, chưa được cải tiến." Hawkens, P., Lovins, A., và Lovins, H. 1999. Chủ nghĩa tư bản tự nhiên, tr. 114, Boston: Little, Brown và Company
- ↑ http://web.archive.org/web/20050624085458/http://www.cajuntravel.com:80/washington.html