非金屬礦物纖維在造紙工業(yè)應(yīng)用中的環(huán)境效應(yīng)

劉淑鵬，魏 芳，張小偉

（（1.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院寶石與材料工藝學(xué)院，河北 石家莊 050031；2.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021）

1 引言

紙張主要是由草漿和木漿等植物纖維構(gòu)成的，需要消耗大量的森林資源，生產(chǎn)過(guò)程中還排放大量的廢液污染環(huán)境。我國(guó)既是紙張消費(fèi)大國(guó)，也是造紙纖維資源短缺的國(guó)家[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尋求價(jià)格低廉、環(huán)境危害小甚至綠色無(wú)污染的造紙?jiān)?，替代部分植物纖維，成為現(xiàn)代造紙工業(yè)研究的重點(diǎn)。

礦物復(fù)合纖維是采用現(xiàn)代粉體制備技術(shù)，將天然產(chǎn)出的白色纖維狀礦物經(jīng)纖維化超細(xì)粉碎，表面復(fù)合改性后制備的活性造紙新材料。其物理特性介于傳統(tǒng)填料和植物短纖維之間。將礦物纖維和植物纖維交織在一起，可構(gòu)成新型的“植物纖維—礦物纖維”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在紙品生產(chǎn)中可以替代部分植物短纖維[2-3]，市場(chǎng)前景十分廣闊。

我國(guó)的非金屬礦產(chǎn)資源十分豐富，用非金屬礦物復(fù)合纖維代替大量的紙漿纖維造紙可降低造紙?jiān)铣杀?，減少植被資源的消耗，改善造紙過(guò)程中紙漿的濾水性能，并且可提高紙張的不透明度、白度、平滑度、透氣度、尺寸穩(wěn)定性、油墨吸收性、印刷適應(yīng)性及書(shū)寫(xiě)適應(yīng)性等[4]，同時(shí)可以減緩對(duì)森林的過(guò)度開(kāi)采，具有良好的環(huán)境效應(yīng)。本文針對(duì)這些礦物填料在造紙行業(yè)應(yīng)用中的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了綜述。

2 非金屬礦物纖維

造紙中常用的非金屬礦物纖維主要有：硅灰石、海泡石、水鎂石、石膏晶須等。

2.1 硅灰石

硅灰石是一種天然產(chǎn)出的鏈狀偏硅酸鈣礦物，其分子式為CaSiO3或Ca3[Si3O9]，其中SiO2含量為40%～50%，CaO含量為45%～50%，Al2O3含量為2%～5%，MgO含量為2%～5%[5]。硅灰石分為α型和β型，α型通常為粒狀或粉狀，長(zhǎng)徑比為5∶1，β型通常為纖維狀或針狀，纖維長(zhǎng)徑比通常為20∶1，高的達(dá)30∶1。硅灰石進(jìn)行加工破碎后仍能保持良好的纖維結(jié)構(gòu)，有著與植物纖維相似的特性，因此可以用其代替部分植物纖維進(jìn)行復(fù)合抄紙，以降低成本。

胡琉球[6]對(duì)硅灰石礦物纖維與植物纖維復(fù)合抄紙進(jìn)行了研究，提出硅灰石的添加量可以達(dá)到30%。劉淑鵬[7]對(duì)改性硅灰石和水鎂石復(fù)合礦物纖維與植物纖維進(jìn)行抄紙進(jìn)行了研究，通過(guò)添加CPAM改性劑使三者形成良好的網(wǎng)絡(luò)交織結(jié)構(gòu)，提高了紙張的留著率。劉焱等[8]將硅灰石在針葉木漿的添加量達(dá)到了35%時(shí)，成紙強(qiáng)度達(dá)到了一般包裝紙的要求。在闊葉木漿中的添加量達(dá)到30%時(shí)，能滿足一般類(lèi)印刷用紙和文化用紙的要求。硅灰石的使用，減少了木材的使用，降低了森林資源的采伐，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

聶永俊[9]做了用硅灰石制造金黃條牛皮紙的試驗(yàn)，結(jié)果表明在添加礦物纖維5%時(shí)，對(duì)牛皮紙的施膠度沒(méi)有影響，但隨著分散劑和助留劑的加入，金黃條紋牛皮紙的濃、稀白水濃度降低，顏色變淡，SS、COD都大幅度下降，降低了廢水的污染負(fù)荷，對(duì)白水回用和終端廢水處理都具有重要意義。硅灰石復(fù)合纖維的使用，減少了污染源頭，降低了污水處理的成本，符合造紙業(yè)的清潔生產(chǎn)和污染源頭治理的原則。

2.2 海泡石

海泡石是一種層鏈狀的硅酸鹽礦物，化學(xué)式為Mg8Si12O30(OH)4·8H2O，海泡石以?xún)煞N形式出現(xiàn)：①α-海泡石，以大結(jié)晶纖維束產(chǎn)出；②β-海泡石，呈非晶質(zhì)集合體或細(xì)小扁圓顆粒產(chǎn)出。海泡石宏觀外貌呈致密狀或松軟多孔狀、纖維片狀、團(tuán)塊狀,具土狀或臘狀光澤。

海泡石在造紙中用于制造特種紙、印刷紙；用于涂料及抗凝聚劑以及處理廢水等。胡琉球[6]對(duì)海泡石與植物纖維復(fù)合造紙進(jìn)行了研究，將分散好的海泡石和硅灰石添加到植物纖維中制造印刷紙，在保證各種性能變化不大的前提下，其添加量可達(dá)40%，大大節(jié)約了木材，保護(hù)了森林，具有較好的環(huán)境效益。

在造紙工業(yè)中排放的廢水含有大量的有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境危害極大[10-11]，海泡石優(yōu)越的吸附能力使其在造紙工業(yè)廢水處理中效果顯著[12-13]。Balci等[14]研究發(fā)現(xiàn)，海泡石纖維在室溫下即可通過(guò)結(jié)構(gòu)孔道內(nèi)的沸石來(lái)吸附氮氧化合物、氨氣以及水蒸氣，且效果顯著。王春智等[15]對(duì)海泡石處理脫墨廢水進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明，經(jīng)高溫或酸活化后的海泡石處理脫墨廢水，可使廢水中的CODcr去除率達(dá)80%以上。謝治民等[16]制備了TiO2/海泡石催化劑，并且用其處理印染廢水，活性艷蘭的去除率達(dá)到90%以上，海泡石用于造紙印染脫墨廢水研究具有很好的發(fā)展前景。武蘭芳等[17]通過(guò)對(duì)海泡石纖維和針葉木纖維配抄食用油濾紙進(jìn)行研究后表明，食用油濾紙強(qiáng)度在海泡石與針葉木漿配比為3∶7 時(shí)最高，用食用油濾紙過(guò)濾豆油后發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾后的豆油清澈透明，脫色率達(dá)45.7%；紅外光譜分析結(jié)果表明，過(guò)濾前后的豆油紅外光譜譜圖基本吻合，這說(shuō)明過(guò)濾時(shí)豆油中的營(yíng)養(yǎng)成分沒(méi)有被海泡石吸附，海泡石不會(huì)造成豆油營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失。因此海泡石在造紙工業(yè)中的應(yīng)用，其環(huán)境效益非常顯著，今后可以加大開(kāi)發(fā)利用。

2.3 纖維水鎂石

纖維水鎂石是一種罕見(jiàn)的天然水鎂石礦，它具有優(yōu)良的力學(xué)性能、抗剪性能、水分散性能和環(huán)境安全性能。水鎂石是一種新型的并且具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的高鎂礦物資源，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

董發(fā)勤等[18]首次對(duì)纖維水鎂石進(jìn)行了抄紙?jiān)囼?yàn)，取得了良好效果，為水鎂石今后的研究奠定了基礎(chǔ)。由于纖維水鎂石帶有正電荷，與帶有負(fù)電荷的植物纖維復(fù)合抄紙時(shí)，將會(huì)提高紙張的留著率，減少了對(duì)水環(huán)境的污染。劉淑鵬[7]對(duì)水鎂石的分散性能進(jìn)行了研究，并將水鎂石與植物纖維復(fù)合，在紙張性能影響不大的情況下使其添加量達(dá)到30%，其留著率為85%。因此，纖維水鎂石用于造紙，可減少對(duì)水的污染，并且可節(jié)約大量的植物纖維，降低森林的損耗，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面具有重大意義。

根據(jù)水鎂石的特性，還可用其制造防火紙、防水紙、耐高溫紙等特種紙，因此，纖維水鎂石用于阻燃紙的前景十分廣闊。

2.4 石膏晶須

石膏晶須又稱(chēng)石膏纖維、纖維硫酸鈣，化學(xué)式分子式為CaSO4[19]。石膏晶須是以天然石膏礦物為原材料，經(jīng)過(guò)人工控制轉(zhuǎn)晶、干燥、改性等工藝制成的二水硫酸鈣，半水硫酸鈣和無(wú)水硫酸鈣纖維狀單晶體[20]。

石膏纖維廣泛應(yīng)用于造紙?jiān)?，不但可以取代填料，也可以部分或全部代替紙漿，用于生產(chǎn)各類(lèi)工業(yè)紙張。劉焱等[21]提出了石膏晶須可改善工業(yè)包裝紙強(qiáng)度性能，其石膏晶須的加填量為35%時(shí)紙頁(yè)各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)最佳。不僅提高了工業(yè)包裝紙的強(qiáng)度，又節(jié)省了植物纖維，解決了工業(yè)包裝紙難以降低漿耗的問(wèn)題。

盧振華等[22]針對(duì)磷石膏晶須的特性，將其添加到針葉木漿和漂白麥草漿中進(jìn)行紙張抄造。研究發(fā)現(xiàn)，加填磷石膏晶須可有效提高紙張的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)等，尤其是添加量為30%時(shí)，紙張的物理強(qiáng)度性能和填料留著率最高。因此，白度高、成本低的磷石膏晶須作為填料應(yīng)用于造紙，在造紙行業(yè)和環(huán)境保護(hù)方面將具有很大的市場(chǎng)潛力。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)擁有豐富的非金屬礦物資源，非金屬礦物纖維用于造紙工業(yè)，不僅會(huì)降低造紙業(yè)的生產(chǎn)成本，減少對(duì)進(jìn)口紙漿的依賴(lài)，而且可以減少我國(guó)木材的用量，從而減少森林的砍伐面積，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。非金屬礦物纖維在處理造紙廢水方面也具有較好的發(fā)展前景，因此，對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大。

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