降低能耗、減少污染：生物酶加快造紙業(yè)綠色轉型
閱讀次數： 發(fā)布時(shí)間:2021-11-29 15:18:12
為實(shí)現我國“雙碳”目標，需大力促進(jìn)紡織、造紙、制藥等重點(diǎn)行業(yè)的節能減排，而生物技術(shù)的應用，無(wú)疑會(huì )加快這些行業(yè)綠色轉型的腳步。為此，本報推出“綠色生物制造”系列報道，聚焦生物技術(shù)如何助力傳統產(chǎn)業(yè)走出高能耗、高污染之困。
如果將現在的紙張與過(guò)去進(jìn)行對比，不難發(fā)現這些年來(lái)紙質(zhì)變得越來(lái)越好，也越來(lái)越白。
然而，光鮮亮麗的紙張背后，卻隱藏著(zhù)造紙工業(yè)難以擺脫的高污染、高能耗的“原罪”。
與此同時(shí)，我國人多樹(shù)少，木質(zhì)原料紙漿極度短缺，造紙原料長(cháng)期依靠進(jìn)口原生紙漿和廢紙。根據生態(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(shí)現固體廢物零進(jìn)口，依靠進(jìn)口廢紙造紙已行不通。
近年來(lái)，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械漿正在使造紙行業(yè)的原料結構發(fā)生微妙變化，為該產(chǎn)業(yè)尤其是包裝紙產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)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(xiāo)量均位居全球首位，約占全球總量的四分之一。
近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電子閱讀大行其道。但在短時(shí)間內，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(lèi)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。”南京林業(yè)大學(xué)教授戴紅旗介紹說(shuō)，為了獲得木質(zhì)纖維，需要先將植物原料削片或切短；經(jīng)堿水高溫蒸煮或機械研磨，分離出纖維得到紙漿；紙漿經(jīng)機械磨漿，并以一定濃度在造紙機上脫水形成濕紙頁(yè)，再通過(guò)壓榨進(jìn)一步脫水，烘干成紙。
人類(lèi)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(shí)會(huì )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?lài)鴥饶静馁Y源消耗、減輕廢水排放帶來(lái)的環(huán)保壓力，近年來(lái)我國大量進(jìn)口國外木漿和廢紙，以滿(mǎn)足我國國民經(jīng)濟發(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。”戴紅旗說(shuō)。
目前，我國造紙用漿進(jìn)口比例高達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(kāi)始轉向合理應用性?xún)r(jià)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(lèi)，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(guò)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(zhù)我國經(jīng)濟快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)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(yè)都被關(guān)停。到目前為止，僅有四川等少數地區竹漿造紙企業(yè)還在運行。
非木質(zhì)纖維制漿迎來(lái)新機遇
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(méi)有因此而止步。
近年來(lái)，生物質(zhì)精煉技術(shù)、高得率化學(xué)機械漿技術(shù)等成為熱點(diǎn)，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(guò)醚鍵、碳—碳鍵連接的具有三維網(wǎng)狀結構的高分子聚合物，視植物纖維原料類(lèi)型，木質(zhì)素基本構成的芳香族單體有得失電子功能，能吸收紫外線(xiàn)，也是有應用潛力的儲能材料。
過(guò)去，木質(zhì)素的價(jià)值一直沒(méi)有被很好開(kāi)發(fā)與利用，制漿廠(chǎng)傳統做法是把它通過(guò)燃燒回收熱能利用。戴紅旗介紹說(shuō)，近年來(lái)，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(gè)目前被看好的技術(shù)方向，是高得率化學(xué)機械漿技術(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(diǎn)。
“這項技術(shù)拋棄了過(guò)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。”戴紅旗介紹說(shuō)，高得率化學(xué)機械漿以機械方法為主，輔以少量生物酶、化學(xué)添加劑，這樣一來(lái)，使制漿廢水處理的工藝大大簡(jiǎn)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，而且將消除農作物秸稈焚燒所產(chǎn)生的巨大空氣污染問(wèn)題。
戴紅旗透露，造紙行業(yè)已經(jīng)實(shí)施了許多科研項目，并在個(gè)別企業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)，用麥草生物制漿做生活用紙、包裝紙等。
生物酶或將促進(jìn)造紙業(yè)綠色轉型
實(shí)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(hù)轉型為節能減排典范。
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(zhù)越來(lái)越大的作用。
戴紅旗表示，生物酶具有專(zhuān)一、高效的特點(diǎn)。目前，生物酶應用在造紙行業(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(guò)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(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(shí)，需要對其進(jìn)行脫墨處理。
傳統的脫墨方法是使用化學(xué)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(lái)，然后采用浮選、洗滌或兩者相結合的方法將剝離下來(lái)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(guò)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，但是應用仍存在瓶頸。到目前為止，全世界還沒(méi)有真正意義上的生物制漿廠(chǎng)。原因是，生物酶應用于復雜且大規模的制漿生產(chǎn)還存在一系列技術(shù)難題。
“此外，生物酶對原料進(jìn)行預處理所消耗的時(shí)間較長(cháng)，而廠(chǎng)家需要效率保證連續生產(chǎn)，所以更傾向于采用效率更高的物理或者化學(xué)預處理方式。”戴紅旗說(shuō)，某些酶制劑本身也存在成本較高、種類(lèi)有限、受溫度和酸堿性環(huán)境影響較大、效果不明顯等問(wèn)題。因此，現階段生物酶技術(shù)的應用還是輔助性的，起不到主導作用。
同時(shí)，他對生物酶在造紙行業(yè)的應用前景表示樂(lè )觀(guān)：“總體而言，生物酶專(zhuān)一性較強、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)品相比具有獨特優(yōu)勢。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)必將在造紙產(chǎn)業(yè)中占據主導地位。”
