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，需大力促進紡織、造紙、制藥等重點行業(yè)的節(jié)能減排，而生物技術的應用，無疑會加快這些行業(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)在的紙張與過去進行對比，不難發(fā)現(xiàn)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(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(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)固體廢物零進口，依靠進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)帶來一場變革。
紙張背后的行業(yè)之痛
造紙術是中國四大發(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�！霸旒堅现饕怯弥参锊牧现械哪举|纖維�！蹦暇┝謽I(yè)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(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，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(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，近年來我國大量進口國外木漿和廢紙，以滿足我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。
“進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。
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(chǎn)成本，造紙企業(yè)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�！贝骷t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(chǎn)化學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)還在運行。
非木質纖維制漿迎來新機遇
盡管非木質原料制漿生產(chǎn)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(yè)界的重視，讓非木質漿重回造紙行業(yè)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�！贝骷t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(tǒng)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(wǎng)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(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(yōu)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�！贝骷t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(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(yè)綠色轉型
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，生物酶應用在造紙行業(yè)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(yè)大量回收利用廢紙時，需要對其進行脫墨處理。
傳統(tǒng)的脫墨方法是使用化學品，在適當?shù)臏囟燃皺C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(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順。
戴紅旗表示，關于生物酶技術的研發(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(guī)模的制漿生產(chǎn)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(xù)生產(chǎn)，所以更傾向于采用效率更高的物理或者化學預處理方式�！贝骷t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(yè)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(yè)而言，環(huán)保效果明顯，和化學品相比具有獨特優(yōu)勢。隨著技術進步，未來必將在造紙產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導地位。”
