基于制浆造纸平台的生物质精炼研究

【科研成果简介】

基于制浆造纸平台的生物质精炼研究

资源短缺与能源危机是目前全球经济发展所面临的普遍问题，因此开发和利用木质纤维生物质资源替代化石资源具有重要的现实意义和长远的战略意义．“生物质精炼”的概念来源于石油精炼，是指将植物木质纤维加工分离成为纤维素、半纤维素和木质素，分别进行高附加值利用，主要用于生产清洁能源、高附加值化学产品、生物质复合材料等．由于从木质纤维中分离上述三大组分本身的成本已经很高，再加上后续的化学/生物加工成本，因此这种意义的“生物质精炼”目前还难以实现工业化生产，尚属于前瞻性研究．然而，制浆造纸本身就是对木质纤维原料三大主要组分的分离和利用，例如：溶解浆仅保留了原料中的大部分纤维素，化学浆保留了纤维素和部分半纤维素，高得率浆(主要指化机浆)则保留了纤维素及大部分半纤维素和木质素．因此对制浆过程中的溶出物(进入制浆废液中)进行分离和高值化利用本身即属于“生物质精炼”，故人们称之为“基于制浆造纸平台的生物质精炼”．这不仅可以获得用于造纸或其他用途的各种不同类型的纸浆，还将植物纤维中的其他组分进行了有效利用，因此具有较高的经济效益和社会效益．

倪永浩教授作为天津科技大学特聘教授、国家“千人计划”学者、“长江学者”特聘讲座教授和加拿大工程院院士、国家资深学者，带领其研究团队对“基于制浆造纸平台的生物质精炼”进行了广泛深入的研究：对溶解浆预水解液(PHL)的理化性质、分离方法和高值化利用的研究表明，可以对PHL采用活性炭吸附木质素、离子交换树脂吸附乙酸和纳滤膜浓缩的工艺制备高浓度的聚戊糖溶液，分离所得产物乙酸是重要的化工原料，木质素用于生产碳纤维，聚戊糖用于生产木糖/木糖醇或生产糠醛；研究了糠醛生成反应的动力学及副反应，得出了最佳生产工艺和条件；此外，还可以从PHL中分离半纤维素，进行阳离子化改性，或利用纸浆吸附(配合固定剂)PHL中的半纤维素，将它们用于瓦楞纸/纸板的增强，可明显提升其物理强度，该技术已实现产业化应用，取得了重大经济效益；研究了在高得率制浆前对纤维原料进行预处理的方法，这不仅可以充分利用纤维资源(预处理液的利用)，而且可以降低磨浆能耗，研究确立了预处理程度与后续制浆的平衡点；针对高得率制浆废液中主要含有半纤维素和少量木质素、其固含量低的特点，研究了当前最可行的方法，即直接将这种废液或经与丙烯酰胺(AM)接枝共聚后用作表面施胶剂(与淀粉配合)，也可以将这种废液作为增强剂添加到浆料中(配合固定剂)，结果表明不仅可以大幅度提高瓦楞纸和纸板的物理强度，而且可以减少淀粉用量，有助于国家粮食安全．

目前，生物质精炼的平台——制浆造纸，已发生了巨大变化，其重大变化之一是高得率浆(主要指BCTMP和PRC-APMP)的制造和应用．溶解浆的纸浆得率为35%左右，化学浆为50%左右，高得率浆则大于85%，而且是采用过氧化氢漂白，因此高得率浆的制造和应用属于绿色制造．高得率浆的优点是具有较高的松厚度、挺度、不透明度和细小纤维含量，缺点是具有较低的白度和强度以及较高的阴离子垃圾含量和返黄程度．针对这些问题，倪永浩教授的团队进行了卓有成效的研究，取得的创新性研究成果包括：①以镁碱代替/部分代替钠碱进行高得率浆漂白，从而提高纸浆的得率、松厚度、挺度和不透明度，减少阴离子垃圾含量、废水COD和草酸钙结垢，降低生产成本．该技术已在北美和北欧十几家纸厂应用，在中国PRC-APMP生产线首次进行试验和应用，均取得了很好的经济效益．倪永浩教授也因以上成绩获得加拿大化工学会的Syncrude Canada创新奖(历史上第二位华人学者获此殊荣)．②为了生产高白度纸浆和解决某些纸浆难漂白的问题，采用化学漂白(过氧化氢)和光学漂白(荧光增白剂增白和染料显白)相结合的方法对高得率浆进行漂白，从而提高纸浆白度和白度稳定性，降低生产成本，减少阴离子垃圾含量和废水COD．该技术已在加拿大和中国的多家企业应用，取得了显著的经济效益．③在高得率浆漂白方面，开发了还原剂辅助的螯合技术(Qy工艺)和低成本新型螯合剂，可以提高漂白效率，降低生产成本，该技术也已在国内外的纸厂应用．④利用固定剂、生物酶或二者相结合的方法控制含高得率浆抄纸系统的阴离子垃圾，提高填料、细小组分留着率和浆料滤水性及成纸施胶度．⑤对影响高得率浆强度的机理进行了研究，明确了高得率浆的强度和松厚度的相关性，提出了改善高得率浆强度的措施．⑥对含高得率浆涂布纸的涂料配方进行了研究，开发出成本低、遮盖力强和印刷效果好的涂料配方，从而扩大了高得率浆在涂布纸中的应用．对高得率浆性质和应用的研究扩大了高得率浆的应用范围和用量，使其在涂布纸中的用量可达到40%以上，在书写印刷纸中的用量可达到20%以上．由于倪永浩教授在高得率浆制造和应用方面的卓越贡献，被加拿大化工学会授予Bantrel奖(工业联合奖，也是历史上第二位华人学者获此殊荣)．

倪永浩教授率领他的团队在“基于制浆造纸平台的生物质精炼”的研究领域，无论是在理论方面还是在工业化应用方面都取得了丰硕的成果．但是，“生物质精炼”是一个可持续发展的研究主题，因此还需要研究人员继续深入研究，不断探索新理论，研究开发新技术和新产品．

供稿：材料科学与化学工程学院 胡惠仁 侯庆喜