降低磨漿能耗、減少環(huán)境污染
生物酶或洗刷造紙業(yè)“原罪”
綠色生物制造①
編者按 為實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)，需大力促進(jìn)紡織、造紙、制藥等重點行業(yè)的節(jié)能減排，而生物技術(shù)的應(yīng)用，無疑會加快這些行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的腳步。為此，本報推出“綠色生物制造”系列報道，聚焦生物技術(shù)如何助力傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)走出高能耗、高污染之困。
如果將現(xiàn)在的紙張與過去進(jìn)行對比，不難發(fā)現(xiàn)這些年來紙質(zhì)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(yè)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(zhì)原料紙漿極度短缺，造紙原料長期依靠進(jìn)口原生紙漿和廢紙。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部和其他部委聯(lián)合發(fā)布的公告要求，我國已于2020年底基本實現(xiàn)固體廢物零進(jìn)口，依靠進(jìn)口廢紙造紙已行不通。
近年來，在環(huán)保和成本的雙重壓力之下，秸稈等非木質(zhì)原料，以生物酶輔助處理的高得率機(jī)械漿正在使造紙行業(yè)的原料結(jié)構(gòu)發(fā)生微妙變化，為該產(chǎn)業(yè)尤其是包裝紙產(chǎn)業(yè)帶來一場變革。
紙張背后的行業(yè)之痛
造紙術(shù)是中國四大發(fā)明之一，中國造紙行業(yè)常年產(chǎn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電子閱讀大行其道。但在短時間內(nèi)，紙張在許多領(lǐng)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(zhì)纖維做起。“造紙原料主要是用植物材料中的木質(zhì)纖維�！蹦暇┝謽I(yè)大學(xué)教授戴紅旗介紹說，為了獲得木質(zhì)纖維，需要先將植物原料削片或切短；經(jīng)堿水高溫蒸煮或機(jī)械研磨，分離出纖維得到紙漿；紙漿經(jīng)機(jī)械磨漿，并以一定濃度在造紙機(jī)上脫水形成濕紙頁，再通過壓榨進(jìn)一步脫水，烘干成紙。
人類為了獲取制造紙漿的木質(zhì)纖維，必須投入大量的水、電、堿等要素，同時會產(chǎn)生大量黑、臭、毒的廢水，以至于許多造紙企業(yè)屢屢登上環(huán)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(nèi)木材資源消耗、減輕廢水排放帶來的環(huán)保壓力，近年來我國大量進(jìn)口國外木漿和廢紙，以滿足我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。
“進(jìn)口木漿可以直接用于造紙，生產(chǎn)白卡紙、生活用紙、特種紙等；而進(jìn)口廢紙主要用于生產(chǎn)紙板、包裝紙和新聞紙等，比如電商快遞行業(yè)大量使用的包裝盒、瓦楞紙、牛皮紙等�！贝骷t旗說。
目前，我國造紙用漿進(jìn)口比例高達(dá)40%。為了緩解造紙纖維原料不足，降低生產(chǎn)成本，造紙企業(yè)開始轉(zhuǎn)向合理應(yīng)用性價比高的非木質(zhì)原料。
“制漿的原料分為木質(zhì)和非木質(zhì)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(zhì)原材料。”戴紅旗告訴科技日報記者，過去受技術(shù)和工藝限制，非木質(zhì)原料生產(chǎn)化學(xué)漿黑液提取率和堿回收率低，紙漿使用元素氯漂白，產(chǎn)生的廢水不僅難處理，而且可吸附有機(jī)鹵化物(AOX)含量極高，給生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞，對人體健康也有威脅。
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境保護(hù)及污染控制力度增強(qiáng)，1990年以后，幾乎所有的非木材纖維制漿造紙企業(yè)都被關(guān)停。到目前為止，僅有四川等少數(shù)地區(qū)竹漿造紙企業(yè)還在運(yùn)行。
非木質(zhì)纖維制漿迎來新機(jī)遇
盡管非木質(zhì)原料制漿生產(chǎn)已完全禁止，但非木質(zhì)纖維利用技術(shù)的研究沒有因此而止步。近年來，生物質(zhì)精煉技術(shù)、高得率化學(xué)機(jī)械漿技術(shù)等成為熱點，并受到業(yè)界的重視，讓非木質(zhì)漿重回造紙行業(yè)舞臺。
“生物精煉可以將非木質(zhì)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(zhì)素的高值化利用。”戴紅旗告訴記者。
木質(zhì)素大約占到非木質(zhì)纖維原料組成的20%—40%，傳統(tǒng)制漿就是脫除木質(zhì)素，獲得用作造紙原料的紙漿纖維。木質(zhì)素是苯丙烷單元通過醚鍵、碳—碳鍵連接的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，視植物纖維原料類型，木質(zhì)素基本構(gòu)成的芳香族單體有得失電子功能，能吸收紫外線，也是有應(yīng)用潛力的儲能材料。
過去，木質(zhì)素的價值一直沒有被很好開發(fā)與利用，制漿廠傳統(tǒng)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(zhì)素酚羥基芳香族單體特殊功能，科研人員將木質(zhì)素替代苯酚作為綠色膠黏劑、儲能電解質(zhì)/儲能電極材料、抗紫外膜材料等。
另一個目前被看好的技術(shù)方向，是高得率化學(xué)機(jī)械漿技術(shù)。該技術(shù)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(yōu)點。
“這項技術(shù)拋棄了過去提取纖維素剩下半纖維素、木質(zhì)素的思路，而是將木質(zhì)纖維組分全利用，共同作為紙漿用于造紙�！贝骷t旗介紹說，高得率化學(xué)機(jī)械漿以機(jī)械方法為主，輔以少量生物酶、化學(xué)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(jìn)口商品木漿和廢紙原料，而且將消除農(nóng)作物秸稈焚燒所產(chǎn)生的巨大空氣污染問題。
戴紅旗透露，造紙行業(yè)已經(jīng)實施了許多科研項目，并在個別企業(yè)進(jìn)行試點，用麥草生物制漿做生活用紙、包裝紙等。
生物酶或?qū)⒋龠M(jìn)造紙業(yè)綠色轉(zhuǎn)型
實際上，在成本和環(huán)境的雙重壓力下，造紙業(yè)亦渴求能從污染大戶轉(zhuǎn)型為節(jié)能減排典范。
在使高污染、高耗能的造紙業(yè)“改邪歸正”方面，生物酶制劑正在發(fā)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(yīng)用在造紙行業(yè)的技術(shù)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(xì)胞壁進(jìn)行改性處理，使纖維加速潤漲、松軟，促進(jìn)磨漿的作用效果，降低磨漿能耗、提高成紙強(qiáng)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(yè)大量回收利用廢紙時，需要對其進(jìn)行脫墨處理。
傳統(tǒng)的脫墨方法是使用化學(xué)品，在適當(dāng)?shù)臏囟燃皺C(jī)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(jié)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(xué)品用量，從而減少漂白廢水中可吸附有機(jī)鹵化物的排放量，降低環(huán)境污染。
然而，生物酶在造紙工業(yè)中的應(yīng)用也并非一帆風(fēng)順。
戴紅旗表示，關(guān)于生物酶技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)取得了一些成果，但是應(yīng)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(yīng)用于復(fù)雜且大規(guī)模的制漿生產(chǎn)還存在一系列技術(shù)難題。
“此外，生物酶對原料進(jìn)行預(yù)處理所消耗的時間較長，而廠家需要效率保證連續(xù)生產(chǎn)，所以更傾向于采用效率更高的物理或者化學(xué)預(yù)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(huán)境影響較大、效果不明顯等問題。因此，現(xiàn)階段生物酶技術(shù)的應(yīng)用還是輔助性的，起不到主導(dǎo)作用。
同時，他對生物酶在造紙行業(yè)的應(yīng)用前景表示樂觀：“總體而言，生物酶專一性較強(qiáng)、效率較高，尤其對高污染、高能耗的造紙工業(yè)而言，環(huán)保效果明顯，和化學(xué)品相比具有獨(dú)特優(yōu)勢。隨著技術(shù)進(jìn)步，未來必將在造紙產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。”
