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降低能耗、減少污染 生物酶或洗刷造紙業“原罪”

2021-10-28 09:39來源: 科技日報編輯:遙城
  降低磨漿能耗、減少環境污染
  生物酶或洗刷造紙業“原罪”
  綠色生物制造①
  編者按 為實現我國“雙碳”目標,需大力促進紡織、造紙、制藥等重點行業的節能減排,而生物技術的應用,無疑會加快這些行業綠色轉型的腳步。為此,科技日報推出“綠色生物制造”系列報道,聚焦生物技術如何助力傳統產業走出高能耗、高污染之困。
  如果將現在的紙張與過去進行對比,不難發現這些年來紙質變得越來越好,也越來越白。
  然而,光鮮亮麗的紙張背后,卻隱藏著造紙工業難以擺脫的高污染、高能耗的“原罪”。
  與此同時,我國人多樹少,木質原料紙漿極度短缺,造紙原料長期依靠進口原生紙漿和廢紙。根據生態環境部和其他部委聯合發布的公告要求,我國已于2020年底基本實現固體廢物零進口,依靠進口廢紙造紙已行不通。
  近年來,在環保和成本的雙重壓力之下,秸稈等非木質原料,以生物酶輔助處理的高得率機械漿正在使造紙行業的原料結構發生微妙變化,為該產業尤其是包裝紙產業帶來一場變革。
  紙張背后的行業之痛
  造紙術是中國四大發明之一,中國造紙行業常年產銷量均位居全球首位,約占全球總量的四分之一。
  近年來,隨著互聯網技術的發展,電子閱讀大行其道。但在短時間內,紙張在許多領域依然不可替代,比如教材、廣告印刷、生活用紙等。
  不論什么類型的紙張,都要從一根木質纖維做起。“造紙原料主要是用植物材料中的木質纖維。”南京林業大學教授戴紅旗介紹說,為了獲得木質纖維,需要先將植物原料削片或切短;經堿水高溫蒸煮或機械研磨,分離出纖維得到紙漿;紙漿經機械磨漿,并以一定濃度在造紙機上脫水形成濕紙頁,再通過壓榨進一步脫水,烘干成紙。
  人類為了獲取制造紙漿的木質纖維,必須投入大量的水、電、堿等要素,同時會產生大量黑、臭、毒的廢水,以至于許多造紙企業屢屢登上環保黑榜。
  我國雖然地大物博,但森林資源十分匱乏,人均森林面積只有世界人均水平的1/7,為了減少國內木材資源消耗、減輕廢水排放帶來的環保壓力,近年來我國大量進口國外木漿和廢紙,以滿足我國國民經濟發展的需要。
  “進口木漿可以直接用于造紙,生產白卡紙、生活用紙、特種紙等;而進口廢紙主要用于生產紙板、包裝紙和新聞紙等,比如電商快遞行業大量使用的包裝盒、瓦楞紙、牛皮紙等。”戴紅旗說。
  目前,我國造紙用漿進口比例高達40%。為了緩解造紙纖維原料不足,降低生產成本,造紙企業開始轉向合理應用性價比高的非木質原料。
  “制漿的原料分為木質和非木質兩大類,除了林木以外,秸稈、竹子、蘆葦、芒稈、棉稈都屬于非木質原材料。”戴紅旗告訴科技日報記者,過去受技術和工藝限制,非木質原料生產化學漿黑液提取率和堿回收率低,紙漿使用元素氯漂白,產生的廢水不僅難處理,而且可吸附有機鹵化物(AOX)含量極高,給生態環境造成巨大破壞,對人體健康也有威脅。
  隨著我國經濟快速發展,生態環境保護及污染控制力度增強,1990年以后,幾乎所有的非木材纖維制漿造紙企業都被關停。到目前為止,僅有四川等少數地區竹漿造紙企業還在運行。
  非木質纖維制漿迎來新機遇
  盡管非木質原料制漿生產已完全禁止,但非木質纖維利用技術的研究沒有因此而止步。近年來,生物質精煉技術、高得率化學機械漿技術等成為熱點,并受到業界的重視,讓非木質漿重回造紙行業舞臺。
  “生物精煉可以將非木質纖維原料的各種組分分別資源化利用,特別是對半纖維素、木質素的高值化利用。”戴紅旗告訴記者。
  木質素大約占到非木質纖維原料組成的20%—40%,傳統制漿就是脫除木質素,獲得用作造紙原料的紙漿纖維。木質素是苯丙烷單元通過醚鍵、碳—碳鍵連接的具有三維網狀結構的高分子聚合物,視植物纖維原料類型,木質素基本構成的芳香族單體有得失電子功能,能吸收紫外線,也是有應用潛力的儲能材料。
  過去,木質素的價值一直沒有被很好開發與利用,制漿廠傳統做法是把它通過燃燒回收熱能利用。戴紅旗介紹說,近年來,基于木質素酚羥基芳香族單體特殊功能,科研人員將木質素替代苯酚作為綠色膠黏劑、儲能電解質/儲能電極材料、抗紫外膜材料等。
  另一個目前被看好的技術方向,是高得率化學機械漿技術。該技術不僅可以緩解我國造紙纖維原料短缺的瓶頸,而且具有在廢水處理方面難度小、成本低等優點。
  “這項技術拋棄了過去提取纖維素剩下半纖維素、木質素的思路,而是將木質纖維組分全利用,共同作為紙漿用于造紙。”戴紅旗介紹說,高得率化學機械漿以機械方法為主,輔以少量生物酶、化學添加劑,這樣一來,使制漿廢水處理的工藝大大簡化、成本降低,不僅可以大量替代進口商品木漿和廢紙原料,而且將消除農作物秸稈焚燒所產生的巨大空氣污染問題。
  戴紅旗透露,造紙行業已經實施了許多科研項目,并在個別企業進行試點,用麥草生物制漿做生活用紙、包裝紙等。
  生物酶或將促進造紙業綠色轉型
  實際上,在成本和環境的雙重壓力下,造紙業亦渴求能從污染大戶轉型為節能減排典范。
  在使高污染、高耗能的造紙業“改邪歸正”方面,生物酶制劑正在發揮著越來越大的作用。
  戴紅旗表示,生物酶具有專一、高效的特點。目前,生物酶應用在造紙行業的技術研究主要集中在磨漿、脫墨、漂白以及去除造紙過程膠黏物等方面。
  比如,可以利用生物酶對漿料纖維的細胞壁進行改性處理,使纖維加速潤漲、松軟,促進磨漿的作用效果,降低磨漿能耗、提高成紙強度等。研究表明,生物酶可使磨得每噸紙漿的能耗降低41.4%。
  此外,造紙工業大量回收利用廢紙時,需要對其進行脫墨處理。
  傳統的脫墨方法是使用化學品,在適當的溫度及機械作用下,將油墨粒子從纖維上分離下來,然后采用浮選、洗滌或兩者相結合的方法將剝離下來的油墨粒子從紙漿中去除。生物酶法脫墨則是利用酶處理廢紙,并輔助以浮選或洗滌,以及兩者并用的工藝,從而除去油墨。
  漂白也是造紙過程中的重要步驟。利用酶制劑,可起到“生物助漂”的效果,減少含氯漂白化學品用量,從而減少漂白廢水中可吸附有機鹵化物的排放量,降低環境污染。
  然而,生物酶在造紙工業中的應用也并非一帆風順。
  戴紅旗表示,關于生物酶技術的研發已經取得了一些成果,但是應用仍存在瓶頸。到目前為止,全世界還沒有真正意義上的生物制漿廠。原因是,生物酶應用于復雜且大規模的制漿生產還存在一系列技術難題。
  “此外,生物酶對原料進行預處理所消耗的時間較長,而廠家需要效率保證連續生產,所以更傾向于采用效率更高的物理或者化學預處理方式。”戴紅旗說,某些酶制劑本身也存在成本較高、種類有限、受溫度和酸堿性環境影響較大、效果不明顯等問題。因此,現階段生物酶技術的應用還是輔助性的,起不到主導作用。
  同時,他對生物酶在造紙行業的應用前景表示樂觀:“總體而言,生物酶專一性較強、效率較高,尤其對高污染、高能耗的造紙工業而言,環保效果明顯,和化學品相比具有獨特優勢。隨著技術進步,未來必將在造紙產業中占據主導地位。”
 
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