廢紙的資源化利用研究

卞瓊劉明華★

（1.福州大學環(huán)境與資源學院，福建 福州 350108；2.福建省生物質資源化技術開發(fā)基地，福建 福州 350108）

廢紙的資源化利用研究

卞瓊1,2劉明華1,2★

（1.福州大學環(huán)境與資源學院，福建 福州 350108；2.福建省生物質資源化技術開發(fā)基地，福建 福州 350108）

論述了國內外為保護環(huán)境、變廢為寶、探索研究廢紙資源化利用的新途徑。詳細介紹了廢紙在生產包裝及建筑材料、生產家具和文具、生產復合材料、改善農牧業(yè)生產、生產生物質燃料等方面的應用。最后對廢紙的資源化利用前景作了展望。

廢紙 再生利用 資源化

廢紙的資源化利用是解決原料短缺、能源緊張和環(huán)境污染問題的有效途徑之一。目前，世界各國關于廢紙資源化技術的研究已經(jīng)取得很大進展。因為原料易得，且工藝過程簡單，更重要的是既節(jié)約資源，又保護環(huán)境，因此，可以取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。我國廢紙資源化技術單一，主要用于造紙業(yè)。為了更好地節(jié)約森林資源，保護生態(tài)環(huán)境，有必要探索廢紙資源化利用的新技術。

1 廢紙在造紙行業(yè)的利用

改革開放以來，在國民經(jīng)濟快速發(fā)展的帶動下，造紙行業(yè)取得了長足的發(fā)展。2007年，造紙行業(yè)實現(xiàn)產需基本平衡的歷史性突破，一舉解決了長期以來依賴進口的難題。由中國造紙工業(yè)2012年度報告可知，2003—2012年，我國紙和紙板生產量年均增長10.13%，消費量年均增長8.54%，2012年，我國紙和紙板生產量為10 250 萬t，消費量為10 048 萬t。然而作為造紙主要原料的木材資源在我國卻十分匱乏，使得我國造紙工業(yè)對非木材纖維和廢紙的利用十分重視[1]。廢紙再生即提高廢紙的回收率，提高二次纖維在造紙原料中的比重已是國內外造紙原料發(fā)展的主要方向[2]。

如表1所示，2001年中國廢紙回收量1 013 萬t，2006年為2 263 萬t，2011年為4 348 萬t，比2001年提高4倍；比2006年提高近1倍。2001年國內廢紙漿產量占紙漿總消耗量的27.18%，2006年為30.21%，2011年為38.46%。21世紀以來，我國廢紙回收率大幅度提高，加上通過進口廢紙的補充，利用廢紙造紙，有效地改變了中國造紙工業(yè)的原料結構。目前國內廢紙已是中國造紙工業(yè)的最大原料來源[3]。

表1 2001—2011年我國廢紙回收利用情況匯總

廢紙的再生，國外稱之為“城市里的森林工程”，利用1 t廢紙，可生產約0.8 t再生漿，可替代節(jié)約3～4 m3的木材，減少了森林資源的消耗，可節(jié)省約煤1.2 t，電600 kW·h，水100 t，同時減少了有毒廢物的排放，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，是實現(xiàn)造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及社會可持續(xù)發(fā)展的一個非常重要的手段[4]。

2 廢紙在其他行業(yè)中的利用

廢紙的資源化利用雖然主要用于生產再生紙的紙漿原料，但各國都在為了更有效地利用廢紙，積極探索研究廢紙資源化利用的新途徑，如生產包裝及建筑材料、改善農牧業(yè)生產、制造鉛筆桿的方法等。

2.1 制造包裝材料

以廢紙為原料生產高強度理紗包裝紙袋，夾在紙中的紗線可在90 ℃水中溶解，可以完全回收利用。山東華林紙業(yè)有限公司以牛皮紙、箱板紙及瓦楞等廢紙為原料，在生產過程中將紗線大面積埋入紙漿中，一次成型為包裝紙袋。此產品透氣性好、強度高、無毒無污染、可回收利用，主要用于粉粒狀物料的包裝及制作購物袋和小郵政袋等[5]。

在廢紙包裝材料的利用上，我國目前應用比較成熟的主要是紙漿模塑制品、瓦楞紙、蜂窩紙板等方面；仍處于實驗室的研究階段的是關于廢紙纖維發(fā)泡材料的研究[6]。在一些工業(yè)發(fā)達國家，紙漿模塑制品在工業(yè)產品包裝領域所占比重已高達70%，其中絕大部分使用的原料為廢紙漿。日本佳能公司和本州制紙公司共同推出能取代發(fā)泡苯乙烯的高強度包裝材料——紙漿模塑制品，用作部分復印機用包裝盒的包裝材料。這種模制品是把紙漿做成商品形狀后固化的，使用的原料為100%的廢紙，容易回收利用[7]。

前捷克斯洛伐克的科技人員，在溫度80 ℃條件下，采用5層廢紙和合成樹脂，共同壓制成一種膠合硬紙板，其抗壓強度比普通板高2倍以上。用這種膠合硬紙板制成的包裝箱，能使用釘子和螺絲釘，并能安裝軸承滾輪，其牢固性幾乎與用膠合板制成的包裝箱一樣。

2.2 制造家具和文具

（1）制作紙質家具與其他家具材料：金屬、塑料、原木木材等相比，紙質材料具有無毒、污染少、易于回收、可重復使用、易降解等眾多優(yōu)點。用紙作為家具材料，可以節(jié)約木材、拯救森林、保護自然生態(tài)環(huán)境，使用廢舊紙張作為家具原材料，不需再生、節(jié)約資源、減少污染，可以提高資源利用率。此外，紙質家具形式摩登，價格低廉，而且耐用度可達幾年之久，很受低收入家庭的歡迎，具有很好的發(fā)展前途。南京林業(yè)大學的邱孔教授將辦公廢紙經(jīng)過打碎，再加上一種膠合劑，在壓力作用下做成板材；印度浦兩位印刷業(yè)者用廢紙制造了一系列環(huán)保家具；蔣忠彪等人利用新型的廢紙板材，裁切與拼裝后，涂飾上油漆，成為一款多功能的組合式家具：既可以作為一張凳子，也可以作為一張桌子，并且經(jīng)過拼裝之后還能成為一個書架[8]。

（2）制作文具。日本于20世紀90年代初發(fā)明了一種利用舊報紙，把廢紙再制成鉛筆。它既可每年節(jié)省10 萬m3的木材，又可達到保護環(huán)境的目的。這種紙質鉛筆成本低，容易刨削，輕巧耐用，很受使用者的歡迎。北京中科創(chuàng)新科技發(fā)展中心在調查研究的基礎上，歷時兩年研制出廢紙制鉛筆技術，并把廢紙為原料的新型環(huán)保紙制鉛筆成型機設備申報國家專利，投放市場。該項技術的問世，不僅節(jié)約了森林資源，保護了生態(tài)環(huán)境，而且有效地利用了廢舊報紙，進一步拓寬了鉛筆制造業(yè)的領域，同時也為鉛筆制造帶來了新的機遇。英國設計師Duncan Shotton近期設計了一種彩虹鉛筆，這些鉛筆是由六層回收再利用的廢紙制作，使用者在削鉛筆的同時都會鉆出一片又一片彩虹。

2.3 制造復合材料

美國專家研究出利用廢紙制造復合材料的新技術。其方法是：將廢報紙用渦輪機研磨成粉末，再將廢紙、聚乙烯、高密度聚乙烯樹脂、乙丙橡膠、2, 6一二丁基一4一甲基苯酚等投入攪拌機中，預熱到75～78 ℃，以100 r/min轉速攪拌大約25 min，摩擦使溫度上升，當溫度達到162 ℃時，混合料中熱塑性物質開始熔融，繼續(xù)攪拌使熱塑性物質完全熔融，同時廢紙被進一步打碎，繼而發(fā)生揉和作用，隨后降低攪拌速度，混合料中的小顆粒開始聚結，溫度為180～190 ℃，最后溫度達225 ℃，把混合料移到攪拌機內，慢速攪拌，使混合料粒化，并注入開孔注入式成型機中成型。利用廢紙生產的這種復合材料，熱穩(wěn)定性及防火性優(yōu)于一般樹脂材料，成型能力較好，并且收縮小，在空氣中不吸潮，外形穩(wěn)定性好。這種復合材料適合制造汽車零件[9]。

2.4 制造建筑材料

印度中央建筑研究院的科技人員，利用廢紙、棉紗頭、椰子纖維和瀝青等作為原料，模壓出新型建筑材料瀝青瓦楞板。用這種瀝青瓦楞板蓋房屋，隔熱性能好、不透水、輕便、成本低，還具有不易燃燒和耐腐蝕等特點。

美國一家紙業(yè)公司最近開發(fā)出一種利用廢紙作原料制造新型建筑材料的技術，其目的是將大量的廢紙變?yōu)橛杏弥?，為每天產生的廢紙尋找一條有益于環(huán)保的用途。用這項技術處理蓋房用的廢紙，不需要制成紙漿，所以無廢液，不污染環(huán)境，只需把廢紙粉碎，加入高分子樹脂和玻璃纖維，然后將其壓制成不同大小、厚薄和規(guī)格的板材。經(jīng)測試，這種紙粉、樹脂、玻璃纖維“三合體”的板材，其抗壓強度為13.7 Pa，并能耐100℃的高溫，具備防水、防蛀、防火等功能，是一種十分理想的新型材料。試驗表明，一間38 m2的房間只需要200 kg紙質板材[10]。

意大利人設計和制造了世界上第一個生態(tài)廚房，其組裝材料主要是再加工的廢紙制成的雙層或三層瓦楞紙板，廚房的支架是4根紙管。這些材料全部經(jīng)過特殊的防火處理，廚房材料的總重量相當于70張報紙，各部件之間由黏合劑和金屬連接。

2.5 改善農牧業(yè)生產

（1）制作農用育苗盒。胡琳娜等人利用廢紙纖維特別是一些低檔次的廢紙纖維與玄武巖纖維或礦渣纖維制成農用育苗盒。產品可自然降解，玄武巖纖維或礦渣纖維直徑3～5 μm降解后即成為土壤的母質，因此不對環(huán)境造成二次污染。由于加入了玄武巖纖維或礦渣纖維，使得產品的挺度高。既便于使用，又可節(jié)約部分植物纖維。此技術的優(yōu)越之處還在于：所使用的廢紙纖維不必經(jīng)過脫墨等處理，避免由此產生大量廢液，有利于節(jié)約寶貴的水資源并保護生態(tài)環(huán)境[11]。

（2）改善土壤土質。美國阿拉巴馬州的廣大地區(qū)因土質過硬而成了寸草不生和不毛之地。該州土壤專家詹姆斯·愛德沃茲根據(jù)廢紙設計出一種用粉碎的廢報紙改造土壤的好方法。由于廢報紙在途中不會很快腐爛變質，愛德沃茲采用紙屑加雞糞（比例為碎紙40%，雞糞10%，原土壤50%）的混合法。試驗證實，紙屑在雞糞中的基肥細菌作用下迅速腐爛變質，土壤在三個月內即變得松軟異常。據(jù)悉，這種土壤不僅適合牧草的生長，也適合種植大豆、棉花和蔬菜等多種作物，且產量頗高，對土地也不會產生任何副作用，如果2年后再補充施入新的廢報紙屑和雞糞，土質會變得更肥沃、更松軟[12]。

（3）生產動物飼料。美國伊利諾大學動物營養(yǎng)學教授賴端·柏格用廢紙打成漿作牛羊的飼料。他將無毒性油墨印制的報紙，切碎后用2%的鹽酸溶液處理，再煮沸2 h，熱力和鹽酸會導致纖維素分裂，便于動物胃中的微生物消化吸收。經(jīng)試驗，用這種紙漿取代20%～40%的正常苜蓿飼料喂牛，效果很好[13]。英國的養(yǎng)牛場和養(yǎng)羊場，把廢紙稍加處理后，切成細條和揉成小紙團，再添加少量的營養(yǎng)物，即可用來喂牛羊。牛羊吃后可比吃普通飼料增重1/3。澳大利亞科學家則將廢紙粉碎后，摻人適量的亞麻油和蜂蜜，制成顆粒飼料喂養(yǎng)牛羊，使牛羊長得膘肥體壯。

2.6 生產葡萄糖、乳酸、可降解塑料

日本馬斯生物開發(fā)研究所開發(fā)出用舊廢紙生產葡萄糖的技術。研究人員首先將切碎了的廢紙放入磷酸溶液內，使纖維素分解，接著加水分解，然后用活性炭或離子交換樹脂進行過濾，生產出結晶葡萄糖。

該公司試生產的結晶葡萄糖，經(jīng)日本食品分析中心采用色譜分析，葡萄糖純度達97.4%，與用玉米和馬鈴薯生產的葡萄搪幾乎沒有區(qū)別，而用廢紙生產1 kg葡萄糖的成本為109日元。

由廢紙生產的葡萄糖經(jīng)發(fā)酵變?yōu)槿樗?，乳酸合成聚乳酸，進而可以生產出可降解塑料[14]。

3 生產生物質燃料

隨著世界人口的增加和各國工業(yè)化程度的提高，人類對能源的需求也急劇增加。石油是滿足人類生產、生活的能源需求的主要資源，但是石油資源是有限的，據(jù)預測到2050年原油的生產將由現(xiàn)在的每年250億桶下降到50億桶[15]。隨著能源危機和環(huán)境問題日益突出，世界能源結構正經(jīng)歷由化石能源為主向可再生能源為主的變革，開發(fā)新的可再生清潔能源已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。生物質能源作為可再生能源的重要組成部分受到各國研究者的關注。近年來，美國、日本、歐盟、巴西、印度等國家也紛紛制訂生物燃料計劃，大力發(fā)展生物質產氣、產油、產乙醇等技術。

廢紙的主要成分是纖維素和半纖維素，占到主要成分的60%以上[16]，作為可再生纖維素資源，我國廢紙的產生量大且價格低廉。2011年我國廢紙產生量高達9 700多萬t，且逐年增加，這就為生物質能源提供了一個很好的原料來源。由于廢紙在造紙過程已經(jīng)脫除大部分的木質素和半纖維素，同時由于目前廢紙纖維回收主要是將其重復應用于造紙生產，纖維在造紙循環(huán)回用過程中會產生纖維細小化和纖維結構性衰變，對紙產品的品質造成很大影響，因此很難將其永久的作為造紙原料應用于造紙生產，在造紙生產過程中產生的大量細小纖維也會不斷流失形成造紙污泥。這些污泥目前主要采用填埋方式進行處理[17-18]，不僅對纖維素資源造成極大的浪費，同時對環(huán)境造成很大污染，利用廢棄木質纖維作為一種潛在的低成本原料；通過回收和利用廢棄廢紙纖維生產生物燃料，不僅可以降低其對環(huán)境造的污染，還可以實現(xiàn)廢棄廢紙纖維的高值資源化利用。

3.1 生產甲烷、氫氣

瑞典倫道大學的專家將廢紙打成漿，在漿液中添加能分解有機物的厭氧微生物和鋁的水溶液；然后移入反應爐，把在爐中的廢紙漿液里的纖維素、甲醇和碳水化合物等轉變?yōu)榧淄?；再用酶將木材抽出物除掉，即可得到燃料甲烷。Xiao等人先用35%的乙酸和2%的硝酸處理廢棄的新聞用紙去除其中大約80%的木質素，然后再通過生物技術將處理后的廢紙轉化為甲烷，甲烷產量與未經(jīng)酸處理的廢紙相比提高了3倍[19]。Yen等人利用50%的廢紙和藻污泥聯(lián)合厭氧消化生產甲烷，甲烷產量為1 170±75 mL/（L·d），而藻污泥單獨厭氧消化所產生的甲烷量僅為573±28 mL/（L·d）[20]。Li等人以食物垃圾和廢紙為原料，通過批試中溫聯(lián)合厭氧消化產甲烷試驗，考察了原料比例和酸化階段pH對消化穩(wěn)定性及消化性能的影響。試驗結果表明，與單獨利用食物垃圾以及未調節(jié)酸化階段pH的厭氧消化相比,調節(jié)酸化階段pH=7.2的食物垃圾與廢紙聯(lián)合厭氧消化能夠避免揮發(fā)性脂肪酸抑制現(xiàn)象,提高厭氧消化性能；食物垃圾和廢紙的最佳產甲烷條件為：原料比例為83∶17，酸化階段調節(jié)pH=7.2[21]。

也有研究者采用生物處理方法將廢紙轉化成氫燃料[22]。美國科學家開發(fā)出酶催化制氫技術，能把廢紙內富含的葡萄糖轉化為氫。如果能成功采用這項制氫新技術，那么單用美國回收的廢舊報紙就能獲取供37座中小城市全部能源需要的氫。Ntaikou I等人研究了利用白色瘤胃球菌將五種不同種類廢紙生物轉化為氫氣，結果表明，1 kg廢紙可生產46～280 L氫氣，說明廢紙作為生產氫燃料的原料是很有前途的[23]。

3.2 生產纖維素乙醇

早在20世紀70年代，美國已經(jīng)廣泛地以糧食為原料生產乙醇作為石油的替代品，但由于以玉米、甜菜等糧食作物為原料的糧食燃料乙醇會引發(fā)全球糧食危機，同時并不能減少溫室氣體的排放，從而不具有環(huán)境效益[24]。2006年，美國總統(tǒng)布什又發(fā)布了生物燃料指令，要求利用非糧作物生產纖維素乙醇，加大科研投入與政策扶持。以廢棄生物質為原料的纖維素乙醇是目前研究最多的領域之一，綜合考慮環(huán)境效益及經(jīng)濟價值，廢紙是較好的乙醇化原料。

Brooks T.A.等人利用同步糖化發(fā)酵，接種K.oxytoca P2到廢紙漿中，發(fā)現(xiàn)廢紙比甘蔗渣更易消化發(fā)酵產生乙醇；廢紙中包含10%的惰性組分，能夠改善紙漿的混合性能，但對乙醇產量影響較小，100 g/L(干重)的漿液加入1000 FPU/L的纖維素酶，經(jīng)72 h發(fā)酵，可得乙醇濃度接近40 g/L[25]。Lark等人采用纖維素酶和酵母真菌對含水率為60%和50%的廢紙纖維進行同步糖化發(fā)酵，試驗證明，72%的纖維素轉化可轉化為乙醇，180 g/L和190 g/ L的絕干廢紙可分別產生32 g/L和35 g/L的乙醇[26]。

丹麥諾維信公司與生物燃料制造商——Fiberight公司合作，將廢紙和廢紙板經(jīng)制漿、預處理和洗滌后，利用其特有的酶轉化成糖類，然后再發(fā)酵制成生物燃料乙醇，并將其加工成E85乙醇汽油，成功進行了汽車運行試驗。該公司已經(jīng)開始工業(yè)化生產酶，以用于大規(guī)模生產先進生物燃料[27]。

3.3 其他生物質燃料

廢紙除了可以用來生產甲烷、氫氣以及纖維素乙醇，還可以用來生產生物噴氣燃料、生物質油以及生物質型煤等。

以纖維素、木質素等生物質為原料，先氣化生成合成氣，合成氣經(jīng)F-T合成得到合成油，合成油再經(jīng)加氫裂化、加氫異構化生產生物噴氣燃料[28]。

以纖維素、木質素等生物質（如樹枝、植物秸稈、廢木材、廢紙）為原料，在常壓循環(huán)流化床反應器中，在無氧存在的條件下，用熱砂快速將生物質加熱到500 ℃左右，生物質在反應器中被熱裂解，生成含有機分子的蒸汽，蒸汽被迅速移出反應器進行快速冷凝，可以獲得65%～75%的生物質油[29]。

德國等國研究用糖漿作粘結劑，同時摻鋸末和造紙廠廢紙生產型煤[30]。

4 結束語

在研究廢紙資源化技術過程中，應避免產生廢氣、廢液、廢渣，以減少治理污染費用，降低生產成本；而且需要根據(jù)不同用途選擇不同原料，形成梯級利用，做到物盡其用。

總之，廢紙資源化利用的途徑很多，無論從資源開發(fā)，還是從環(huán)境保護的角度上看，我們都應該重視廢紙資源化新途徑的探討及開發(fā)應用。相信在不久的將來，會有更多的新技術、新工藝應用于廢紙的回收與利用中，為人類的生存環(huán)境與資源利用創(chuàng)造更好的條件。

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作者介紹：

卞瓊（1989—） 女 在讀研究生 研究方向為環(huán)境友好材料.

聯(lián)系郵箱：BQ19891220@163.com.

更 正 啟 事

2013年《華東紙業(yè)》第六期19頁“赴日研修”文章作者何迪華現(xiàn)已退休，不再使用“阿波制紙有限公司”名稱。

特此聲明

劉明華 mhliu2000@fzu.edu.cn.