視覺(jué)華夏供圖
綠色生物制造①
編者按 為實(shí)現(xiàn)華夏“雙碳”目標(biāo)，需大力促進(jìn)紡織、造紙、制藥等重點(diǎn)行業(yè)得節(jié)能減排，而生物技術(shù)得應(yīng)用，無(wú)疑會(huì)加快這些行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型得腳步。為此，本報(bào)推出“綠色生物制造”系列報(bào)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)在得紙張與過(guò)去進(jìn)行對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)這些年來(lái)紙質(zhì)變得越來(lái)越好，也越來(lái)越白。
然而，光鮮亮麗得紙張背后，卻隱藏著造紙工業(yè)難以擺脫得高污染、高能耗得“原罪”。
與此同時(shí)，華夏人多樹(shù)少，木質(zhì)原料紙漿極度短缺，造紙?jiān)祥L(zhǎng)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)布得公告要求，華夏已于上年年底基本實(shí)現(xiàn)固體廢物零進(jìn)口，依靠進(jìn)口廢紙?jiān)旒堃研胁煌ā?/p>
近年來(lái)，在環(huán)保和成本得雙重壓力之下，秸稈等非木質(zhì)原料，以生物酶幫助處理得高得率機(jī)械漿正在使造紙行業(yè)得原料結(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(lái)一場(chǎng)變革。
紙張背后得行業(yè)之痛
造紙術(shù)是華夏四大發(fā)明之一，華夏造紙行業(yè)常年產(chǎn)不錯(cuò)均位居全球首位，約占全球總量得四分之一。
近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得發(fā)展，電子閱讀大行其道。但在短時(shí)間內(nèi)，紙張?jiān)谠S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)型得紙張，都要從一根木質(zhì)纖維做起。“造紙?jiān)现饕怯弥参锊牧现械媚举|(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(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(yè)，再通過(guò)壓榨進(jìn)一步脫水，烘干成紙。
人類(lèi)為了獲取制造紙漿得木質(zhì)纖維，必須投入大量得水、電、堿等要素，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量黑、臭、毒得廢水，以至于許多造紙企業(yè)屢屢登上環(huán)保黑榜。
華夏雖然地大物博，但森林資源十分匱乏，人均森林面積只有世界人均水平得1/7，為了減少?lài)?guó)內(nèi)木材資源消耗、減輕廢水排放帶來(lái)得環(huán)保壓力，近年來(lái)華夏大量進(jìn)口國(guó)外木漿和廢紙，以滿足華夏國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展得需要。
“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)大量使用得包裝盒、瓦楞紙、牛皮紙等。”戴紅旗說(shuō)。
目前，華夏造紙用漿進(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(kāi)始轉(zhuǎn)向合理應(yīng)用性?xún)r(jià)比高得非木質(zhì)原料。
“制漿得原料分為木質(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。”戴紅旗告訴科技感謝，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)生得廢水不僅難處理，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(duì)人體健康也有威脅。
隨著華夏經(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，幾乎所有得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(lái)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)得研究沒(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(jī)械漿技術(shù)等成為熱點(diǎn)，并受到業(yè)界得重視，讓非木質(zhì)漿重回造紙行業(yè)舞臺(tái)。
“生物精煉可以將非木質(zhì)纖維原料得各種組分分別資源化利用，特別是對(duì)半纖維素、木質(zhì)素得高值化利用。”戴紅旗告訴感謝。
木質(zhì)素大約占到非木質(zhì)纖維原料組成得20%—40%，傳統(tǒng)制漿就是脫除木質(zhì)素，獲得用作造紙?jiān)系眉垵{纖維。木質(zhì)素是苯丙烷單元通過(guò)醚鍵、碳—碳鍵連接得具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得高分子聚合物，視植物纖維原料類(lèi)型，木質(zhì)素基本構(gòu)成得芳香族單體有得失電子功能，能吸收紫外線，也是有應(yīng)用潛力得儲(chǔ)能材料。
過(guò)去，木質(zhì)素得價(jià)值一直沒(méi)有被很好開(kāi)發(fā)與利用，制漿廠傳統(tǒng)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(chǔ)能電解質(zhì)/儲(chǔ)能電極材料、抗紫外膜材料等。
另一個(gè)目前被看好得技術(shù)方向，是高得率化學(xué)機(jī)械漿技術(shù)。該技術(shù)不僅可以緩解華夏造紙纖維原料短缺得瓶頸，而且具有在廢水處理方面難度小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
“這項(xiàng)技術(shù)拋棄了過(guò)去提取纖維素剩下半纖維素、木質(zhì)素得思路，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(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(lái)，使制漿廢水處理得工藝大大簡(jiǎn)化、成本降低，不僅可以大量替代進(jìn)口商品木漿和廢紙?jiān)希覍⑾r(nóng)作物秸稈焚燒所產(chǎn)生得巨大空氣污染問(wèn)題。
戴紅旗透露，造紙行業(yè)已經(jīng)實(shí)施了許多科研項(xiàng)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?qū)⒋龠M(jìn)造紙業(yè)綠色轉(zhuǎn)型
實(shí)際上，在成本和環(huán)境得雙重壓力下，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、高耗能得造紙業(yè)“改邪歸正”方面，生物酶制劑正在發(fā)揮著越來(lái)越大得作用。
戴紅旗表示，生物酶具有專(zhuān)一、高效得特點(diǎn)。目前，生物酶應(yīng)用在造紙行業(yè)得技術(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(duì)漿料纖維得細(xì)胞壁進(jìn)行改性處理，使纖維加速潤(rùn)漲、松軟，促進(jìn)磨漿得作用效果，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得能耗降低41.4%。
此外，造紙工業(yè)大量回收利用廢紙時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行脫墨處理。
傳統(tǒng)得脫墨方法是使用化學(xué)品，在適當(dāng)?shù)脺囟燃皺C(jī)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(jié)合得方法將剝離下來(lái)得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，并幫助以浮選或洗滌，以及兩者并用得工藝，從而除去油墨。
漂白也是造紙過(guò)程中得重要步驟。利用酶制劑，可起到“生物助漂”得效果，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)鹵化物得排放量，降低環(huán)境污染。
然而，生物酶在造紙工業(yè)中得應(yīng)用也并非一帆風(fēng)順。
戴紅旗表示，關(guān)于生物酶技術(shù)得研發(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(méi)有真正意義上得生物制漿廠。原因是，生物酶應(yīng)用于復(fù)雜且大規(guī)模得制漿生產(chǎn)還存在一系列技術(shù)難題。
“此外，生物酶對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理所消耗得時(shí)間較長(zhǎng)，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得物理或者化學(xué)預(yù)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(xiàn)階段生物酶技術(shù)得應(yīng)用還是幫助性得，起不到主導(dǎo)作用。
同時(shí)，他對(duì)生物酶在造紙行業(yè)得應(yīng)用前景表示樂(lè)觀：“總體而言，生物酶專(zhuān)一性較強(qiáng)、效率較高，尤其對(duì)高污染、高能耗得造紙工業(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(shì)。隨著技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)必將在造紙產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。”
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