非金属矿物纤维在造纸工业应用中的环境效应

刘淑鹏，魏 芳，张小伟

（（1.石家庄经济学院宝石与材料工艺学院，河北 石家庄 050031；2.河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021）

1 引言

纸张主要是由草浆和木浆等植物纤维构成的，需要消耗大量的森林资源，生产过程中还排放大量的废液污染环境。我国既是纸张消费大国，也是造纸纤维资源短缺的国家[1]。随着社会经济的发展，寻求价格低廉、环境危害小甚至绿色无污染的造纸原料，替代部分植物纤维，成为现代造纸工业研究的重点。

矿物复合纤维是采用现代粉体制备技术，将天然产出的白色纤维状矿物经纤维化超细粉碎，表面复合改性后制备的活性造纸新材料。其物理特性介于传统填料和植物短纤维之间。将矿物纤维和植物纤维交织在一起，可构成新型的“植物纤维—矿物纤维”网状结构，在纸品生产中可以替代部分植物短纤维[2-3]，市场前景十分广阔。

我国的非金属矿产资源十分丰富，用非金属矿物复合纤维代替大量的纸浆纤维造纸可降低造纸原料成本，减少植被资源的消耗，改善造纸过程中纸浆的滤水性能，并且可提高纸张的不透明度、白度、平滑度、透气度、尺寸稳定性、油墨吸收性、印刷适应性及书写适应性等[4]，同时可以减缓对森林的过度开采，具有良好的环境效应。本文针对这些矿物填料在造纸行业应用中的环境效应进行了综述。

2 非金属矿物纤维

造纸中常用的非金属矿物纤维主要有：硅灰石、海泡石、水镁石、石膏晶须等。

2.1 硅灰石

硅灰石是一种天然产出的链状偏硅酸钙矿物，其分子式为CaSiO3或Ca3[Si3O9]，其中SiO2含量为40%～50%，CaO含量为45%～50%，Al2O3含量为2%～5%，MgO含量为2%～5%[5]。硅灰石分为α型和β型，α型通常为粒状或粉状，长径比为5∶1，β型通常为纤维状或针状，纤维长径比通常为20∶1，高的达30∶1。硅灰石进行加工破碎后仍能保持良好的纤维结构，有着与植物纤维相似的特性，因此可以用其代替部分植物纤维进行复合抄纸，以降低成本。

胡琉球[6]对硅灰石矿物纤维与植物纤维复合抄纸进行了研究，提出硅灰石的添加量可以达到30%。刘淑鹏[7]对改性硅灰石和水镁石复合矿物纤维与植物纤维进行抄纸进行了研究，通过添加CPAM改性剂使三者形成良好的网络交织结构，提高了纸张的留着率。刘焱等[8]将硅灰石在针叶木浆的添加量达到了35%时，成纸强度达到了一般包装纸的要求。在阔叶木浆中的添加量达到30%时，能满足一般类印刷用纸和文化用纸的要求。硅灰石的使用，减少了木材的使用，降低了森林资源的采伐，保护了生态环境。

聂永俊[9]做了用硅灰石制造金黄条牛皮纸的试验，结果表明在添加矿物纤维5%时，对牛皮纸的施胶度没有影响，但随着分散剂和助留剂的加入，金黄条纹牛皮纸的浓、稀白水浓度降低，颜色变淡，SS、COD都大幅度下降，降低了废水的污染负荷，对白水回用和终端废水处理都具有重要意义。硅灰石复合纤维的使用，减少了污染源头，降低了污水处理的成本，符合造纸业的清洁生产和污染源头治理的原则。

2.2 海泡石

海泡石是一种层链状的硅酸盐矿物，化学式为Mg8Si12O30(OH)4·8H2O，海泡石以两种形式出现：①α-海泡石，以大结晶纤维束产出；②β-海泡石，呈非晶质集合体或细小扁圆颗粒产出。海泡石宏观外貌呈致密状或松软多孔状、纤维片状、团块状,具土状或腊状光泽。

海泡石在造纸中用于制造特种纸、印刷纸；用于涂料及抗凝聚剂以及处理废水等。胡琉球[6]对海泡石与植物纤维复合造纸进行了研究，将分散好的海泡石和硅灰石添加到植物纤维中制造印刷纸，在保证各种性能变化不大的前提下，其添加量可达40%，大大节约了木材，保护了森林，具有较好的环境效益。

在造纸工业中排放的废水含有大量的有害物质，对环境危害极大[10-11]，海泡石优越的吸附能力使其在造纸工业废水处理中效果显著[12-13]。Balci等[14]研究发现，海泡石纤维在室温下即可通过结构孔道内的沸石来吸附氮氧化合物、氨气以及水蒸气，且效果显著。王春智等[15]对海泡石处理脱墨废水进行了初步研究，结果表明，经高温或酸活化后的海泡石处理脱墨废水，可使废水中的CODcr去除率达80%以上。谢治民等[16]制备了TiO2/海泡石催化剂，并且用其处理印染废水，活性艳兰的去除率达到90%以上，海泡石用于造纸印染脱墨废水研究具有很好的发展前景。武兰芳等[17]通过对海泡石纤维和针叶木纤维配抄食用油滤纸进行研究后表明，食用油滤纸强度在海泡石与针叶木浆配比为3∶7 时最高，用食用油滤纸过滤豆油后发现，过滤后的豆油清澈透明，脱色率达45.7%；红外光谱分析结果表明，过滤前后的豆油红外光谱谱图基本吻合，这说明过滤时豆油中的营养成分没有被海泡石吸附，海泡石不会造成豆油营养物质的流失。因此海泡石在造纸工业中的应用，其环境效益非常显著，今后可以加大开发利用。

2.3 纤维水镁石

纤维水镁石是一种罕见的天然水镁石矿，它具有优良的力学性能、抗剪性能、水分散性能和环境安全性能。水镁石是一种新型的并且具有很高经济价值的高镁矿物资源，已经受到国内外的广泛关注。

董发勤等[18]首次对纤维水镁石进行了抄纸试验，取得了良好效果，为水镁石今后的研究奠定了基础。由于纤维水镁石带有正电荷，与带有负电荷的植物纤维复合抄纸时，将会提高纸张的留着率，减少了对水环境的污染。刘淑鹏[7]对水镁石的分散性能进行了研究，并将水镁石与植物纤维复合，在纸张性能影响不大的情况下使其添加量达到30%，其留着率为85%。因此，纤维水镁石用于造纸，可减少对水的污染，并且可节约大量的植物纤维，降低森林的损耗，在保护生态环境方面具有重大意义。

根据水镁石的特性，还可用其制造防火纸、防水纸、耐高温纸等特种纸，因此，纤维水镁石用于阻燃纸的前景十分广阔。

2.4 石膏晶须

石膏晶须又称石膏纤维、纤维硫酸钙，化学式分子式为CaSO4[19]。石膏晶须是以天然石膏矿物为原材料，经过人工控制转晶、干燥、改性等工艺制成的二水硫酸钙，半水硫酸钙和无水硫酸钙纤维状单晶体[20]。

石膏纤维广泛应用于造纸原料，不但可以取代填料，也可以部分或全部代替纸浆，用于生产各类工业纸张。刘焱等[21]提出了石膏晶须可改善工业包装纸强度性能，其石膏晶须的加填量为35%时纸页各项强度指标最佳。不仅提高了工业包装纸的强度，又节省了植物纤维，解决了工业包装纸难以降低浆耗的问题。

卢振华等[22]针对磷石膏晶须的特性，将其添加到针叶木浆和漂白麦草浆中进行纸张抄造。研究发现，加填磷石膏晶须可有效提高纸张的抗张指数、耐破指数、撕裂指数等，尤其是添加量为30%时，纸张的物理强度性能和填料留着率最高。因此，白度高、成本低的磷石膏晶须作为填料应用于造纸，在造纸行业和环境保护方面将具有很大的市场潜力。

3 结语

我国拥有丰富的非金属矿物资源，非金属矿物纤维用于造纸工业，不仅会降低造纸业的生产成本，减少对进口纸浆的依赖，而且可以减少我国木材的用量，从而减少森林的砍伐面积，保护生态环境。非金属矿物纤维在处理造纸废水方面也具有较好的发展前景，因此，对我国的生态环境保护意义重大。

[1]黄斌润.我国废纸回收利用现状与展望[C]∥中国造纸年鉴,北京:中国轻工业出版社,2005:220.

[2]ASKIN A, TOPALOGLU D, YAZIC I. Surface characterization of sepiolite by inverse gas chromatography[J]. Original, 2005,61: 625-631.

[3]孙立金,黄继娇,刘娟娟,等.矿物复合纤维和碳酸钙与植物纤维的抄纸性能对比研究[J].造纸科学与技术,2009,28(5):57-61.

[4]沈静,宋湛谦,钱学仁.造纸填料工程及新型填料的研究进展[J].中国造纸学报,2007,22(4):113-119.

[5]李静,高玉杰,任继春.造纸工业中可利用的非金属矿物[J].国际造纸,2003,22(4):41-44.

[6]胡琉球.造纸用非金属矿物与植物复合纤维制备与性能研究[D].武汉:武汉理工大学,2004.

[7]刘淑鹏.纤维水镁石与硅灰石在造纸工业中的应用试验研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[8]刘焱,于钢.木浆添加硅灰石的效果[J].纸和造纸,2009,28(6):10-12.

[9]聂永俊.矿物复合纤维在造纸中的应用研究[D].南京:南京林业大学,2005.

[10]ALI M, SREEKRISHNAN T R. Aquatic toxicity from pulp and paper mill, effluents: A review[J]. Advances in Environmental Research, 2001(5):175-196.

[11]DIEZ M C, MORA M L, VIDEALA S. Adsorption of phenolic compounds, and colour from bleached kraft mill effluent using allophonic, compounds[J]. Water Research, 1999, 33(1): 125-130.

[12]BAJPAI P, BAJPAI P K. Mini review: Biological color removal of pulp and paper mill wastewaters[J]. J Biotechnol,1994, 33: 211-220.

[13]JAIN C K, SHARMA M K. Adsorption of cadmium on bed sediments of river hindon: adsorption models and kinetics[J].Water Air and Soil Pollution, 2002, 137: 119.

[14]BALCI S, DINC Y. Ammonium ion adsorption with sepiolite:use of transient uptake method[J]. Chem Eng Process, 2002,41: 127-133.

[15]王春智,高玉杰,李魁伟.海泡石处理脱墨废水的初步研究[J].中国造纸学报,2007,22(2):39-42.

[16]谢治民,陈镇,戴友芝.TiO2/海泡石催化剂的制备及其对印染废水的处理[J].环境科学与技术,2009,32(5):123-127.

[17]武兰芳,王春智,高玉杰.海泡石配抄食用油滤纸的研究[J].上海造纸,2008,39(2):35-40.

[18]董发勤,万朴,盼兆槽,等.纤维水镁石(FB)应用矿物学研究[M].四川:科学技术出版社,1997:115-143.

[19]李鸿魁,李新平,王惠琴,等.纸浆打浆度对石膏微纤维纸增强效果的影响[J].中华纸业,2005,26(8):35-37.

[20]刘焱.硅灰石与石膏晶须用于工业包装纸的加填研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2010.

[21]刘焱,于钢.利用石膏晶须改善工业包装纸品质的研究[J].中华纸业,2010,31(16):27-32.

[22]卢振华,高玉杰,刘红娟,等.磷石膏晶须在造纸中应用的初步研究[J].天津科技大学学报,2010,25(5):35-44.