废纸的资源化利用研究

卞琼刘明华★

（1.福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108；2.福建省生物质资源化技术开发基地，福建 福州 350108）

废纸的资源化利用研究

卞琼1,2刘明华1,2★

（1.福州大学环境与资源学院，福建 福州 350108；2.福建省生物质资源化技术开发基地，福建 福州 350108）

论述了国内外为保护环境、变废为宝、探索研究废纸资源化利用的新途径。详细介绍了废纸在生产包装及建筑材料、生产家具和文具、生产复合材料、改善农牧业生产、生产生物质燃料等方面的应用。最后对废纸的资源化利用前景作了展望。

废纸 再生利用 资源化

废纸的资源化利用是解决原料短缺、能源紧张和环境污染问题的有效途径之一。目前，世界各国关于废纸资源化技术的研究已经取得很大进展。因为原料易得，且工艺过程简单，更重要的是既节约资源，又保护环境，因此，可以取得良好的经济效益和社会效益。我国废纸资源化技术单一，主要用于造纸业。为了更好地节约森林资源，保护生态环境，有必要探索废纸资源化利用的新技术。

1 废纸在造纸行业的利用

改革开放以来，在国民经济快速发展的带动下，造纸行业取得了长足的发展。2007年，造纸行业实现产需基本平衡的历史性突破，一举解决了长期以来依赖进口的难题。由中国造纸工业2012年度报告可知，2003—2012年，我国纸和纸板生产量年均增长10.13%，消费量年均增长8.54%，2012年，我国纸和纸板生产量为10 250 万t，消费量为10 048 万t。然而作为造纸主要原料的木材资源在我国却十分匮乏，使得我国造纸工业对非木材纤维和废纸的利用十分重视[1]。废纸再生即提高废纸的回收率，提高二次纤维在造纸原料中的比重已是国内外造纸原料发展的主要方向[2]。

如表1所示，2001年中国废纸回收量1 013 万t，2006年为2 263 万t，2011年为4 348 万t，比2001年提高4倍；比2006年提高近1倍。2001年国内废纸浆产量占纸浆总消耗量的27.18%，2006年为30.21%，2011年为38.46%。21世纪以来，我国废纸回收率大幅度提高，加上通过进口废纸的补充，利用废纸造纸，有效地改变了中国造纸工业的原料结构。目前国内废纸已是中国造纸工业的最大原料来源[3]。

表1 2001—2011年我国废纸回收利用情况汇总

废纸的再生，国外称之为“城市里的森林工程”，利用1 t废纸，可生产约0.8 t再生浆，可替代节约3～4 m3的木材，减少了森林资源的消耗，可节省约煤1.2 t，电600 kW·h，水100 t，同时减少了有毒废物的排放，具有显著的经济效益和社会效益，是实现造纸工业可持续发展以及社会可持续发展的一个非常重要的手段[4]。

2 废纸在其他行业中的利用

废纸的资源化利用虽然主要用于生产再生纸的纸浆原料，但各国都在为了更有效地利用废纸，积极探索研究废纸资源化利用的新途径，如生产包装及建筑材料、改善农牧业生产、制造铅笔杆的方法等。

2.1 制造包装材料

以废纸为原料生产高强度理纱包装纸袋，夹在纸中的纱线可在90 ℃水中溶解，可以完全回收利用。山东华林纸业有限公司以牛皮纸、箱板纸及瓦楞等废纸为原料，在生产过程中将纱线大面积埋入纸浆中，一次成型为包装纸袋。此产品透气性好、强度高、无毒无污染、可回收利用，主要用于粉粒状物料的包装及制作购物袋和小邮政袋等[5]。

在废纸包装材料的利用上，我国目前应用比较成熟的主要是纸浆模塑制品、瓦楞纸、蜂窝纸板等方面；仍处于实验室的研究阶段的是关于废纸纤维发泡材料的研究[6]。在一些工业发达国家，纸浆模塑制品在工业产品包装领域所占比重已高达70%，其中绝大部分使用的原料为废纸浆。日本佳能公司和本州制纸公司共同推出能取代发泡苯乙烯的高强度包装材料——纸浆模塑制品，用作部分复印机用包装盒的包装材料。这种模制品是把纸浆做成商品形状后固化的，使用的原料为100%的废纸，容易回收利用[7]。

前捷克斯洛伐克的科技人员，在温度80 ℃条件下，采用5层废纸和合成树脂，共同压制成一种胶合硬纸板，其抗压强度比普通板高2倍以上。用这种胶合硬纸板制成的包装箱，能使用钉子和螺丝钉，并能安装轴承滚轮，其牢固性几乎与用胶合板制成的包装箱一样。

2.2 制造家具和文具

（1）制作纸质家具与其他家具材料：金属、塑料、原木木材等相比，纸质材料具有无毒、污染少、易于回收、可重复使用、易降解等众多优点。用纸作为家具材料，可以节约木材、拯救森林、保护自然生态环境，使用废旧纸张作为家具原材料，不需再生、节约资源、减少污染，可以提高资源利用率。此外，纸质家具形式摩登，价格低廉，而且耐用度可达几年之久，很受低收入家庭的欢迎，具有很好的发展前途。南京林业大学的邱孔教授将办公废纸经过打碎，再加上一种胶合剂，在压力作用下做成板材；印度浦两位印刷业者用废纸制造了一系列环保家具；蒋忠彪等人利用新型的废纸板材，裁切与拼装后，涂饰上油漆，成为一款多功能的组合式家具：既可以作为一张凳子，也可以作为一张桌子，并且经过拼装之后还能成为一个书架[8]。

（2）制作文具。日本于20世纪90年代初发明了一种利用旧报纸，把废纸再制成铅笔。它既可每年节省10 万m3的木材，又可达到保护环境的目的。这种纸质铅笔成本低，容易刨削，轻巧耐用，很受使用者的欢迎。北京中科创新科技发展中心在调查研究的基础上，历时两年研制出废纸制铅笔技术，并把废纸为原料的新型环保纸制铅笔成型机设备申报国家专利，投放市场。该项技术的问世，不仅节约了森林资源，保护了生态环境，而且有效地利用了废旧报纸，进一步拓宽了铅笔制造业的领域，同时也为铅笔制造带来了新的机遇。英国设计师Duncan Shotton近期设计了一种彩虹铅笔，这些铅笔是由六层回收再利用的废纸制作，使用者在削铅笔的同时都会钻出一片又一片彩虹。

2.3 制造复合材料

美国专家研究出利用废纸制造复合材料的新技术。其方法是：将废报纸用涡轮机研磨成粉末，再将废纸、聚乙烯、高密度聚乙烯树脂、乙丙橡胶、2, 6一二丁基一4一甲基苯酚等投入搅拌机中，预热到75～78 ℃，以100 r/min转速搅拌大约25 min，摩擦使温度上升，当温度达到162 ℃时，混合料中热塑性物质开始熔融，继续搅拌使热塑性物质完全熔融，同时废纸被进一步打碎，继而发生揉和作用，随后降低搅拌速度，混合料中的小颗粒开始聚结，温度为180～190 ℃，最后温度达225 ℃，把混合料移到搅拌机内，慢速搅拌，使混合料粒化，并注入开孔注入式成型机中成型。利用废纸生产的这种复合材料，热稳定性及防火性优于一般树脂材料，成型能力较好，并且收缩小，在空气中不吸潮，外形稳定性好。这种复合材料适合制造汽车零件[9]。

2.4 制造建筑材料

印度中央建筑研究院的科技人员，利用废纸、棉纱头、椰子纤维和沥青等作为原料，模压出新型建筑材料沥青瓦楞板。用这种沥青瓦楞板盖房屋，隔热性能好、不透水、轻便、成本低，还具有不易燃烧和耐腐蚀等特点。

美国一家纸业公司最近开发出一种利用废纸作原料制造新型建筑材料的技术，其目的是将大量的废纸变为有用之材，为每天产生的废纸寻找一条有益于环保的用途。用这项技术处理盖房用的废纸，不需要制成纸浆，所以无废液，不污染环境，只需把废纸粉碎，加入高分子树脂和玻璃纤维，然后将其压制成不同大小、厚薄和规格的板材。经测试，这种纸粉、树脂、玻璃纤维“三合体”的板材，其抗压强度为13.7 Pa，并能耐100℃的高温，具备防水、防蛀、防火等功能，是一种十分理想的新型材料。试验表明，一间38 m2的房间只需要200 kg纸质板材[10]。

意大利人设计和制造了世界上第一个生态厨房，其组装材料主要是再加工的废纸制成的双层或三层瓦楞纸板，厨房的支架是4根纸管。这些材料全部经过特殊的防火处理，厨房材料的总重量相当于70张报纸，各部件之间由黏合剂和金属连接。

2.5 改善农牧业生产

（1）制作农用育苗盒。胡琳娜等人利用废纸纤维特别是一些低档次的废纸纤维与玄武岩纤维或矿渣纤维制成农用育苗盒。产品可自然降解，玄武岩纤维或矿渣纤维直径3～5 μm降解后即成为土壤的母质，因此不对环境造成二次污染。由于加入了玄武岩纤维或矿渣纤维，使得产品的挺度高。既便于使用，又可节约部分植物纤维。此技术的优越之处还在于：所使用的废纸纤维不必经过脱墨等处理，避免由此产生大量废液，有利于节约宝贵的水资源并保护生态环境[11]。

（2）改善土壤土质。美国阿拉巴马州的广大地区因土质过硬而成了寸草不生和不毛之地。该州土壤专家詹姆斯·爱德沃兹根据废纸设计出一种用粉碎的废报纸改造土壤的好方法。由于废报纸在途中不会很快腐烂变质，爱德沃兹采用纸屑加鸡粪（比例为碎纸40%，鸡粪10%，原土壤50%）的混合法。试验证实，纸屑在鸡粪中的基肥细菌作用下迅速腐烂变质，土壤在三个月内即变得松软异常。据悉，这种土壤不仅适合牧草的生长，也适合种植大豆、棉花和蔬菜等多种作物，且产量颇高，对土地也不会产生任何副作用，如果2年后再补充施入新的废报纸屑和鸡粪，土质会变得更肥沃、更松软[12]。

（3）生产动物饲料。美国伊利诺大学动物营养学教授赖端·柏格用废纸打成浆作牛羊的饲料。他将无毒性油墨印制的报纸，切碎后用2%的盐酸溶液处理，再煮沸2 h，热力和盐酸会导致纤维素分裂，便于动物胃中的微生物消化吸收。经试验，用这种纸浆取代20%～40%的正常苜蓿饲料喂牛，效果很好[13]。英国的养牛场和养羊场，把废纸稍加处理后，切成细条和揉成小纸团，再添加少量的营养物，即可用来喂牛羊。牛羊吃后可比吃普通饲料增重1/3。澳大利亚科学家则将废纸粉碎后，掺人适量的亚麻油和蜂蜜，制成颗粒饲料喂养牛羊，使牛羊长得膘肥体壮。

2.6 生产葡萄糖、乳酸、可降解塑料

日本马斯生物开发研究所开发出用旧废纸生产葡萄糖的技术。研究人员首先将切碎了的废纸放入磷酸溶液内，使纤维素分解，接着加水分解，然后用活性炭或离子交换树脂进行过滤，生产出结晶葡萄糖。

该公司试生产的结晶葡萄糖，经日本食品分析中心采用色谱分析，葡萄糖纯度达97.4%，与用玉米和马铃薯生产的葡萄搪几乎没有区别，而用废纸生产1 kg葡萄糖的成本为109日元。

由废纸生产的葡萄糖经发酵变为乳酸，乳酸合成聚乳酸，进而可以生产出可降解塑料[14]。

3 生产生物质燃料

随着世界人口的增加和各国工业化程度的提高，人类对能源的需求也急剧增加。石油是满足人类生产、生活的能源需求的主要资源，但是石油资源是有限的，据预测到2050年原油的生产将由现在的每年250亿桶下降到50亿桶[15]。随着能源危机和环境问题日益突出，世界能源结构正经历由化石能源为主向可再生能源为主的变革，开发新的可再生清洁能源已成为人类社会可持续发展的迫切需要。生物质能源作为可再生能源的重要组成部分受到各国研究者的关注。近年来，美国、日本、欧盟、巴西、印度等国家也纷纷制订生物燃料计划，大力发展生物质产气、产油、产乙醇等技术。

废纸的主要成分是纤维素和半纤维素，占到主要成分的60%以上[16]，作为可再生纤维素资源，我国废纸的产生量大且价格低廉。2011年我国废纸产生量高达9 700多万t，且逐年增加，这就为生物质能源提供了一个很好的原料来源。由于废纸在造纸过程已经脱除大部分的木质素和半纤维素，同时由于目前废纸纤维回收主要是将其重复应用于造纸生产，纤维在造纸循环回用过程中会产生纤维细小化和纤维结构性衰变，对纸产品的品质造成很大影响，因此很难将其永久的作为造纸原料应用于造纸生产，在造纸生产过程中产生的大量细小纤维也会不断流失形成造纸污泥。这些污泥目前主要采用填埋方式进行处理[17-18]，不仅对纤维素资源造成极大的浪费，同时对环境造成很大污染，利用废弃木质纤维作为一种潜在的低成本原料；通过回收和利用废弃废纸纤维生产生物燃料，不仅可以降低其对环境造的污染，还可以实现废弃废纸纤维的高值资源化利用。

3.1 生产甲烷、氢气

瑞典伦道大学的专家将废纸打成浆，在浆液中添加能分解有机物的厌氧微生物和铝的水溶液；然后移入反应炉，把在炉中的废纸浆液里的纤维素、甲醇和碳水化合物等转变为甲烷；再用酶将木材抽出物除掉，即可得到燃料甲烷。Xiao等人先用35%的乙酸和2%的硝酸处理废弃的新闻用纸去除其中大约80%的木质素，然后再通过生物技术将处理后的废纸转化为甲烷，甲烷产量与未经酸处理的废纸相比提高了3倍[19]。Yen等人利用50%的废纸和藻污泥联合厌氧消化生产甲烷，甲烷产量为1 170±75 mL/（L·d），而藻污泥单独厌氧消化所产生的甲烷量仅为573±28 mL/（L·d）[20]。Li等人以食物垃圾和废纸为原料，通过批试中温联合厌氧消化产甲烷试验，考察了原料比例和酸化阶段pH对消化稳定性及消化性能的影响。试验结果表明，与单独利用食物垃圾以及未调节酸化阶段pH的厌氧消化相比,调节酸化阶段pH=7.2的食物垃圾与废纸联合厌氧消化能够避免挥发性脂肪酸抑制现象,提高厌氧消化性能；食物垃圾和废纸的最佳产甲烷条件为：原料比例为83∶17，酸化阶段调节pH=7.2[21]。

也有研究者采用生物处理方法将废纸转化成氢燃料[22]。美国科学家开发出酶催化制氢技术，能把废纸内富含的葡萄糖转化为氢。如果能成功采用这项制氢新技术，那么单用美国回收的废旧报纸就能获取供37座中小城市全部能源需要的氢。Ntaikou I等人研究了利用白色瘤胃球菌将五种不同种类废纸生物转化为氢气，结果表明，1 kg废纸可生产46～280 L氢气，说明废纸作为生产氢燃料的原料是很有前途的[23]。

3.2 生产纤维素乙醇

早在20世纪70年代，美国已经广泛地以粮食为原料生产乙醇作为石油的替代品，但由于以玉米、甜菜等粮食作物为原料的粮食燃料乙醇会引发全球粮食危机，同时并不能减少温室气体的排放，从而不具有环境效益[24]。2006年，美国总统布什又发布了生物燃料指令，要求利用非粮作物生产纤维素乙醇，加大科研投入与政策扶持。以废弃生物质为原料的纤维素乙醇是目前研究最多的领域之一，综合考虑环境效益及经济价值，废纸是较好的乙醇化原料。

Brooks T.A.等人利用同步糖化发酵，接种K.oxytoca P2到废纸浆中，发现废纸比甘蔗渣更易消化发酵产生乙醇；废纸中包含10%的惰性组分，能够改善纸浆的混合性能，但对乙醇产量影响较小，100 g/L(干重)的浆液加入1000 FPU/L的纤维素酶，经72 h发酵，可得乙醇浓度接近40 g/L[25]。Lark等人采用纤维素酶和酵母真菌对含水率为60%和50%的废纸纤维进行同步糖化发酵，试验证明，72%的纤维素转化可转化为乙醇，180 g/L和190 g/ L的绝干废纸可分别产生32 g/L和35 g/L的乙醇[26]。

丹麦诺维信公司与生物燃料制造商——Fiberight公司合作，将废纸和废纸板经制浆、预处理和洗涤后，利用其特有的酶转化成糖类，然后再发酵制成生物燃料乙醇，并将其加工成E85乙醇汽油，成功进行了汽车运行试验。该公司已经开始工业化生产酶，以用于大规模生产先进生物燃料[27]。

3.3 其他生物质燃料

废纸除了可以用来生产甲烷、氢气以及纤维素乙醇，还可以用来生产生物喷气燃料、生物质油以及生物质型煤等。

以纤维素、木质素等生物质为原料，先气化生成合成气，合成气经F-T合成得到合成油，合成油再经加氢裂化、加氢异构化生产生物喷气燃料[28]。

以纤维素、木质素等生物质（如树枝、植物秸秆、废木材、废纸）为原料，在常压循环流化床反应器中，在无氧存在的条件下，用热砂快速将生物质加热到500 ℃左右，生物质在反应器中被热裂解，生成含有机分子的蒸汽，蒸汽被迅速移出反应器进行快速冷凝，可以获得65%～75%的生物质油[29]。

德国等国研究用糖浆作粘结剂，同时掺锯末和造纸厂废纸生产型煤[30]。

4 结束语

在研究废纸资源化技术过程中，应避免产生废气、废液、废渣，以减少治理污染费用，降低生产成本；而且需要根据不同用途选择不同原料，形成梯级利用，做到物尽其用。

总之，废纸资源化利用的途径很多，无论从资源开发，还是从环境保护的角度上看，我们都应该重视废纸资源化新途径的探讨及开发应用。相信在不久的将来，会有更多的新技术、新工艺应用于废纸的回收与利用中，为人类的生存环境与资源利用创造更好的条件。

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作者介绍：

卞琼（1989—） 女 在读研究生 研究方向为环境友好材料.

联系邮箱：BQ19891220@163.com.

更 正 启 事

2013年《华东纸业》第六期19页“赴日研修”文章作者何迪华现已退休，不再使用“阿波制纸有限公司”名称。

特此声明

刘明华 mhliu2000@fzu.edu.cn.