造紙污泥制造人造板的現(xiàn)狀及展望

王 翔 王傳貴

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院，安徽合肥，230036)

目前，我國造紙工業(yè)的紙板產(chǎn)量及總消費(fèi)量均居世界第一，然而，造紙工業(yè)發(fā)展帶來的造紙污泥污染也越來越嚴(yán)重。造紙污泥是造紙廢水在處理過程中產(chǎn)生的沉淀物，主要包括不溶性纖維素、填料、凝聚劑、生化污泥和其他污染物。造紙污泥的含水量很高，經(jīng)過脫水處理后，含水量仍在75%左右。污泥的固體性質(zhì)和生物性質(zhì)決定了其處理的難度大，無論采用焚燒、填埋、投海哪一種處理方式，都存在二次污染、耗費(fèi)能源、處置空間的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制漿造紙工業(yè)廢水處理廠的污泥處理費(fèi)用約占水處理裝置運(yùn)行費(fèi)用的50%以上［1］。目前，我國建筑裝修市場和家具制造業(yè)對(duì)人造板的需求增長越來越快。同時(shí)，人造板工業(yè)的快速發(fā)展所面臨的主要問題就是原料的供應(yīng)問題，原料成本占人造板成本的60%以上，因此，利用造紙污泥為原料制造人造板不僅可以解決環(huán)境污染問題，也可以為生產(chǎn)人造板拓寬原料來源。

1 國內(nèi)研究成果

目前，國內(nèi)外在利用造紙污泥生產(chǎn)人造板方面做了不少的研究。利用造紙污泥制造生化纖維板，主要是利用活性污泥中所含的粗蛋白 (有機(jī)物)與球蛋白 (酶)能溶解于水及稀酸、稀堿、中性鹽的水溶液這一性質(zhì)，在堿性條件下加熱、干燥、加壓后，發(fā)生蛋白質(zhì)變性作用，從而制成活性污泥樹脂 (又稱蛋白膠)，使之與漂白、脫脂處理的廢纖維壓制成板材。

劉賢淼等人［2-4］以脫墨造紙污泥為原料，木材纖維為增強(qiáng)材料，酚醛樹脂為膠黏劑，制造木纖維增強(qiáng)污泥纖維板，結(jié)果表明，木材纖維附著在污泥纖維板上、下表面的效果要好于木材纖維混合加入污泥纖維板的。隨著木材纖維的增加，材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)增加，在分層條件下當(dāng)木材纖維含量達(dá)到50%及以上時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)才能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。他還研究了偶聯(lián)劑對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)造紙污泥纖維板的影響，分析了偶聯(lián)劑用量和玻璃纖維長度對(duì)板材物理力學(xué)性能的影響以及板材的復(fù)合機(jī)理。結(jié)果表明，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，玻璃纖維長度的增加，玻璃纖維增強(qiáng)造紙污泥纖維板的各項(xiàng)性能指標(biāo)有所提高，當(dāng)玻璃纖維長度為4 cm，偶聯(lián)劑用量不小于0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均可以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。紅外光譜發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑可以改善玻璃纖維表面極性，使其與酚醛樹脂膠形成共價(jià)連接。掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑能增加玻璃纖維表面粗糙度，可以進(jìn)一步改善玻璃纖維表面潤濕性，有利于膠合。此外，他還對(duì)造紙脫墨污泥脲醛樹脂纖維板進(jìn)行了研究，分析密度、施膠量、溫度、時(shí)間對(duì)材料物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，熱壓溫度在110～200℃之間、NH4Cl加入量為0.5%，污泥纖維板的靜曲強(qiáng)度為1.99～18.33 MPa，平均值為8.21 MPa;彈性模量為0.46～3.22 GPa，平均值為1.57 GPa;內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為1.58～3.15 MPa，平均值為2.25 MPa;沸騰實(shí)驗(yàn)后內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.66～1.71 MPa，平均值為1.14 MPa;24 h吸水厚度膨脹率為4.36%～7.69%，平均值為5.54%。極差分析可知密度、施膠量、溫度、時(shí)間對(duì)材料各項(xiàng)性能的影響不同，但密度影響都是最大的。SAS分析顯示密度、施膠量、溫度對(duì)材料各項(xiàng)性能的影響都是顯著的。

連海蘭等人［5］采用楊木化機(jī)漿制漿廢水處理污泥與馬尾松纖維復(fù)合制得污泥-纖維復(fù)合纖維板，分析污泥添加量、脲醛樹脂添加量和熱壓溫度對(duì)復(fù)合板物理力學(xué)性能的影響，并用錐形量熱儀分析復(fù)合纖維板的燃燒性能。結(jié)果表明，隨著污泥加入量的增加，污泥-纖維復(fù)合板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增加，但靜曲強(qiáng)度和彈性模量則呈下降趨勢(shì);當(dāng)污泥用量達(dá)到15%、施膠量為8%、熱壓溫度為165℃時(shí)，污泥-纖維復(fù)合板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能達(dá)到GB/T11718—1999中密度纖維板國家標(biāo)準(zhǔn)要求。加入15%污泥纖維板的熱釋放速率及質(zhì)量損失速率均降低，可明顯降低火災(zāi)的危險(xiǎn)性。

王傳貴等人［6］利用脫墨制漿產(chǎn)生的污泥生產(chǎn)纖維板，分析了污泥粉末粒度、施膠量、溫度、時(shí)間對(duì)材料物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，脫墨制漿污泥纖維板靜曲強(qiáng)度為5.07～13.74 MPa;彈性模量為0.88～2.20 GPa;沸騰實(shí)驗(yàn)后內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.50～1.73 MPa;施膠量對(duì)24 h吸水厚度膨脹率影響最大。SAS分析顯示粒度和施膠量對(duì)材料各項(xiàng)性能的影響都是顯著的。

龐敏等人［7］利用熱重-差示掃描熱量法研究了制漿造紙污泥與脲醛、酚醛膠黏劑之間的熱反應(yīng)，通過分析可得出，造紙污泥在加熱過程中沒有明顯吸熱、放熱現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的耐熱性。在加熱過程中酚膠有明顯的吸熱、放熱現(xiàn)象，而與脲膠混合物則沒有明顯的熱反應(yīng)特征。造紙污泥與酚膠混合物在加熱過程中有吸熱、放熱反應(yīng)，較之脲膠混合物熱反應(yīng)特征更明顯。這為制造纖維板選擇膠種提供了依據(jù)。

李道明［8］發(fā)明了一種利用造紙污泥生產(chǎn)中密度纖維板的的方法，以造紙污泥為原料，經(jīng)過機(jī)械脫水、成型以及復(fù)合成含水率為60%～80%的濕中密度纖維板，然后將濕的中密度纖維板放入壓榨烘干機(jī)中進(jìn)一步脫水，在0.3～0.6 MPa壓力下高壓定型，160～180℃高溫烘干20～30 min后制得成品。

吳國峰［9］發(fā)明了一種利用造紙污泥制造型材的方法，將造紙污泥收集后脫水，烘干至含水率10%～30%，再混入用量2% ～60%(以絕干原料計(jì))的膠，在20～60 MPa的壓力下壓出成型，進(jìn)一步烘干。

此外，由于我國森林資源匱乏，以非木材纖維作為制漿原料在我國所占比例越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國歷年來非木材漿所占比例為83% ～85%［10］。在南方，我國竹子造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，竹子造紙污泥同樣也成為人們關(guān)心的問題。竹子造紙污泥的干污泥纖維含量高達(dá)60%，是制造人造板的良好原料。張秀標(biāo)等人［11］的研究表明，與木質(zhì)纖維材料相比，竹子造紙污泥纖維與水的接觸角較小，這類材料具有較好的浸潤性;與原竹纖維相比，竹子造紙污泥纖維的相對(duì)結(jié)晶度較大，說明竹子造紙污泥中的纖維仍然具有較高的強(qiáng)度。

2 國外發(fā)展?fàn)顩r

Sumin Kim等人［12］采用稻稈、米糠和制漿造紙污泥分別代替部分木材顆粒生產(chǎn)復(fù)合板材。結(jié)果顯示，隨著稻稈、米糠含量的顯著增加，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度顯著降低，這是因?yàn)橄灎钗锖凸杷猁}覆蓋在這些材料表面，阻礙了樹脂之間的黏合。當(dāng)10%的木材顆粒被10%造紙污泥代替時(shí)，木材-污泥復(fù)合材料顯示出了與木材顆粒材料相似的力學(xué)性能。

Asghar Taramian等人［13］利用造紙污泥 (污泥是化學(xué)機(jī)械漿和中性鹽半化學(xué)漿過程中產(chǎn)生)生產(chǎn)碎料板。他們采用0∶100、15∶85、30∶70、45∶55 這 4 種造紙污泥與木材碎料的比例，分別采用3%、4%的異氰酸酯膠以及10%、12%的脲醛樹脂膠黏劑進(jìn)行膠合生產(chǎn)一層及三層碎料板。結(jié)果表明，污泥-木材碎料板的力學(xué)強(qiáng)度隨著污泥含量的增加而減小，使用脲醛樹脂膠黏劑膠合的碎料板在力學(xué)性能、耐水性以及浸水厚度膨脹方面要優(yōu)于異氰酸酯膠膠合的碎料板。隨著污泥含量的增加，脲膠膠合的碎料板的強(qiáng)度比異氰酸酯膠膠合的碎料板的強(qiáng)度下降的幅度大，采用15%的污泥，12%的脲醛樹脂膠黏劑生產(chǎn)的碎料板符合EN，ASTM D1037-99和ANSI A208.1的要求。

Xinglian Geng等人［14-15］采用制漿廢水一級(jí)污泥混合20%的二級(jí)污泥制造纖維板，研究了熱壓參數(shù)和蠟含量對(duì)造紙污泥纖維板性能的影響。結(jié)果表明，纖維板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度受板材密度和熱壓溫度的顯著影響，熱壓時(shí)間和蠟含量與內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度沒有直接聯(lián)系;造紙污泥纖維板靜曲強(qiáng)度同樣受板材密度和熱壓溫度的共同作用，熱壓時(shí)間和蠟含量對(duì)靜曲強(qiáng)度沒有影響;彈性模量所受影響與靜曲強(qiáng)度一樣，但熱壓溫度的影響小于靜曲強(qiáng)度;板材密度對(duì)24 h吸水厚度膨脹率影響較小，但受到熱壓溫度和時(shí)間的顯著影響，而蠟含量對(duì)其沒有顯著影響。此外，他們還對(duì)脫墨污泥 (DPS)和一級(jí)污泥 (PS)混合20%的二級(jí)污泥(SS)基本性能進(jìn)行了研究，研究表明，與DPS相比，PS混合20%的SS含有較小的灰分，較高的纖維素含量以及更多和更長的纖維，較小的pH值和較高的緩沖能力，這些特點(diǎn)說明PS比DPS更適合制造纖維板。他們采用云杉-松樹-冷杉 (SPF)混合纖維與PS及DPS按照不同比例制造纖維板，采用用量為12%的脲醛樹脂膠黏劑，結(jié)果表明，在相同的污泥含量下，PS-SPF比 DPS-SPF有更高的力學(xué)性能;當(dāng)PS∶SPF為7∶3時(shí)，PS-SPF的力學(xué)性能指標(biāo)高于ANSI A208.2-2002規(guī)定的中密度纖維板120等級(jí)的指標(biāo);當(dāng)DPS∶SPF為3∶7時(shí)，其力學(xué)指標(biāo)達(dá)到 ANSI A208.2-2002規(guī)定的中密度纖維板120等級(jí)指標(biāo)的要求。

Sebastien Migneault等人［16］分別采用生產(chǎn) TMP、CTMP、KP三種漿產(chǎn)生的污泥生產(chǎn)無膠纖維板，其中SS∶PS 分別為1∶9、2∶8、3∶7。結(jié)果表明，增加 SS 的含量，CTMP制漿污泥纖維板的內(nèi)結(jié)合可以增加90%，膨脹厚度增加92%。紅外光譜和X射線光電子能譜分析表明，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的增加是由于蛋白質(zhì)和木素存在于污泥纖維表面，在熱壓過程中，增加了附著力，表面污染物會(huì)明顯降低內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)CTMP中PS與SS比例為3∶7時(shí)，纖維板的性能能滿足ANSI對(duì)于硬紙板的要求。利用CTMP制漿污泥可獲得最好的物理力學(xué)性能，TMP制漿污泥次之，KP制漿污泥最差。

據(jù)報(bào)道［17］，英國廢物和再生資源利用部門經(jīng)過2年的研究認(rèn)為，廢紙脫墨制漿污泥是一種有利價(jià)值的資源，可廣泛應(yīng)用于制造建筑材料。英國造紙工廠廢紙脫墨污泥排放總量為100萬t/a，為了充分利用造紙污泥，重點(diǎn)研究了污泥的特性，制造建筑材料所需設(shè)備和最終產(chǎn)品的應(yīng)用。英國威爾士大學(xué)生物組成研究中心與建筑研究所的科技人員，研究了利用造紙工廠廢紙脫墨污泥的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性，并預(yù)測了產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展前景，得出6種類型建筑材料污泥配用量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:軟質(zhì)纖維板80%、中密度纖維板45%、硬質(zhì)纖維板80%～100%、用污泥膠合的水泥板30%、低密度水泥制品2.5%～5%和貼面地磚80%～85%。這些建筑材料大多是連續(xù)生產(chǎn)而不是間歇加工，對(duì)污泥的需求量大，作用效果表明，這些建筑材料的物理性能和機(jī)械強(qiáng)度很高。

丹麥Full Cirdeproducts公司開發(fā)了脫墨污泥制作高質(zhì)量建筑板的方法［18］，可直接用于建筑和裝修中，在這一過程中不需要用膠黏劑、水泥或任何有害助劑，車間沒有固體廢料，所有邊角料、砂磨殘余物料等均在生產(chǎn)中循環(huán)利用。建筑板應(yīng)用后還可以回收，循環(huán)利用。該生產(chǎn)要求污泥質(zhì)量均勻，來源穩(wěn)定，污泥中的纖維含量一般在25%～40%，如果超過50%，則板易撓曲。

3 展望

(1)造紙污泥在利用時(shí)會(huì)有臭味，如何低成本除臭需要進(jìn)一步研究。

(2)造紙污泥資源化利用得到的產(chǎn)品，其質(zhì)量的可靠性、耐久性以及是否真的環(huán)境友好依舊需要進(jìn)一步的研究。

(3)如何更好、更高價(jià)值地利用造紙污泥，是今后研究的重點(diǎn)。

造紙污泥是一種很有利用價(jià)值的潛在資源，世界上許多國家都在大力發(fā)展污泥處理處置和利用的各種技術(shù)。循環(huán)利用造紙污泥是提高資源再生利用的一種可持續(xù)發(fā)展模式，對(duì)解決能源消耗、環(huán)境污染、降低成本等有著重要的意義。

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