互花米草纖維與造紙污泥混合制作污泥纖維板

覃佐東，金磊磊，王建華，陳集雙

(1 南京工業(yè)大學(xué) 生物資源工程研究所，南京 210009;2.浙江永泰紙業(yè)集團(tuán)股份有限公司，富陽(yáng) 311421)

纖維污泥(1種富含纖維的工業(yè)污泥)是常見(jiàn)的生物固體廢棄物，主要在造紙、紡織、皮革等生產(chǎn)與加工的過(guò)程中產(chǎn)生，纖維污泥任意排放將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。造紙纖維污泥主要是制漿和造紙中段的廢水先除去較大的雜質(zhì)與漂浮物后，再進(jìn)一步除去懸浮物，而產(chǎn)生的沉淀物［1］，其主要組分為細(xì)小纖維、木質(zhì)素及其衍生物和一些有機(jī)物［2］。為了解決污泥處置過(guò)程中的污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員在污泥資源化方面做了許多研究，如土地化利用、焚燒產(chǎn)物利用、回收制備各種材料等，總體顯示出較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［1］。用造紙污泥作為建筑原料，可以用來(lái)制造如磚、水泥、陶粒和纖維板材等［2－4］。

活性污泥中蛋白質(zhì)經(jīng)變性作用而形成活性污泥樹(shù)脂(又稱蛋白膠)，利用這一特性，污泥經(jīng)過(guò)脫水、加熱、干燥，再通過(guò)與漂白和脫脂處理過(guò)的廢纖維等復(fù)合、添加膠黏劑和增塑劑等處理，壓制成纖維板材。劉賢淼［5］、王傳貴［6］等利用脫墨污泥為原料，發(fā)現(xiàn)以脲醛樹(shù)脂或酚醛樹(shù)脂為膠黏劑制造造紙脫墨污泥纖維板，纖維板的性能與污泥原料的顆粒大小、纖維板密度、時(shí)間、溫度和施膠量(脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂)等工藝參數(shù)有關(guān)。進(jìn)一步利用木纖維作為增強(qiáng)材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)木纖維在分層中含量達(dá)到50%時(shí)，脫墨污泥酚醛樹(shù)脂纖維板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求［7］。菲律賓科研人員開(kāi)發(fā)出利用制漿和造紙廢水中沉淀下來(lái)的含纖維污泥生產(chǎn)木質(zhì)水泥板的技術(shù)，降低了生產(chǎn)成本［2］。丹麥FullCirdep Roducts公司開(kāi)發(fā)了脫墨污泥制高質(zhì)量建筑板材的方法，直接用于建筑和裝修工業(yè)，在這個(gè)過(guò)程中不需要用膠黏劑［8］。

秸稈生物質(zhì)資源包括農(nóng)作物秸稈和農(nóng)業(yè)加工剩余物、互花米草屬類外來(lái)入侵植物及林業(yè)加工剩余物等，具有可再生性、低污染性及廣泛分布性等特點(diǎn)。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，稻谷、小麥和玉米等農(nóng)作物秸稈資源極其豐富。2010年全國(guó)秸稈理論資源量為8.4億t，可收集資源量約為7.0億t，秸稈綜合利用率達(dá)到70.6%，其中作為人造板、造紙等工業(yè)原料量約0.18億t，占秸稈綜合利用中的2.6%，尚有較大綜合利用空間［9］。

互花米草(Spartina alterniflora)廣泛分布在我國(guó)沿海灘涂，是我國(guó)最早公布的16種入侵植物之一。雖然它在沿海促淤造陸方面的作用功不可沒(méi)，但由于其“瘋狂生長(zhǎng)”，已經(jīng)嚴(yán)重影響了沿海生態(tài)環(huán)境。筆者利用互花米草長(zhǎng)纖維、紡織纖維與造紙污泥復(fù)合生產(chǎn)工業(yè)用板材，并進(jìn)行板材的性能檢測(cè)，比較分析植物秸稈纖維、紡織纖維等長(zhǎng)纖維對(duì)造紙污泥纖維板性能影響，以期探求含纖維污泥、植物秸稈纖維資源的綜合低碳工業(yè)化加工利用方法。

1 材料與方法

1.1 材料

造紙污泥取自浙江永泰紙業(yè)集團(tuán)股份有限公司(pH 6.5，污泥質(zhì)量濃度150 g/L)，紡織纖維和互花米草纖維由筆者所在實(shí)驗(yàn)室保存。

1.2 設(shè)備

碎漿機(jī)(山東省諸城市旭日東機(jī)械有限公司，60 kW)，造紙機(jī)(浙江省富陽(yáng)市廣銘造紙機(jī)械有限公司，120#)，整形烘干機(jī)(浙江省富陽(yáng)市廣銘造紙機(jī)械有限公司，350#)，切邊機(jī)(浙江省富陽(yáng)市廣銘造紙機(jī)械有限公司，100#)，YT-N-135型耐破度測(cè)定儀(杭州研特科技有限公司)，PRT型硬挺度測(cè)定儀(杭州輕通博科自動(dòng)化技術(shù)有限公司)和BSA224S電子天平(Sartorius公司)。

1.3 纖維板加工工藝流程

將互花米草長(zhǎng)纖維、紡織纖維、廢紙漿分別與污泥漿混合制漿，混合比例按照2∶3(干質(zhì)量比)進(jìn)行添加，其中紡織長(zhǎng)纖維與互花米草長(zhǎng)纖維的長(zhǎng)度選擇0.5 mm～3.5 cm。水力碎漿機(jī)碎漿，漿料經(jīng)流漿箱過(guò)圓網(wǎng)，在高效120污泥紙機(jī)上進(jìn)行壓濾抄板，經(jīng)液壓烘干，切紙打包即可制成3種纖維板:互花米草纖維板、紡織纖維板和廢紙漿纖維板。污泥纖維板生產(chǎn)的具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 污泥纖維板生產(chǎn)流程示意Fig.1 Production process of sludge fiberboard

1.4 不同纖維板的性能測(cè)定

對(duì)相同工藝參數(shù)下，對(duì)制得的3種污泥纖維板進(jìn)行硬挺度、耐破度、密度、含水率和吸水性能測(cè)定。

1.5 不同纖維板的掃描電鏡(SEM)表征

對(duì)相同工藝參數(shù)下，制得的3種污泥纖維板表面和內(nèi)部纖維構(gòu)成進(jìn)行掃描電鏡表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 利用長(zhǎng)纖維與污泥復(fù)合制作纖維板

成漿池中測(cè)得 pH為6.5，漿濃度2.5%，打漿度為26°SR。抄板濕坯按照130 cm×100 cm×2.8 cm的規(guī)格進(jìn)行生產(chǎn)，制成濕坯產(chǎn)品單質(zhì)量為4.58 kg/只，經(jīng)烘干整形后獲得產(chǎn)品干質(zhì)量為2.10 kg，產(chǎn)品厚度為1.5 mm，計(jì)算得到濕坯含水率為45% ±5%。

互花米草纖維板、紡織纖維板和廢紙漿纖維板，如圖2所示。

圖2 3種污泥纖維板產(chǎn)品示意Fig.2 Schematic diagram of three sludge fiberboards

2.2 污泥纖維板的檢測(cè)與分析

對(duì)互花米草纖維板、紡織纖維板和廢紙漿纖維板的密度、硬挺度、耐破度、吸水性、含水率理化性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 3種污泥纖維板的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of three sludge fiberboards

由表1可知:互花米草纖維板的密度為976.4 kg/m3，硬挺度為 134.5 mN·m，耐破度為 0.79～0.82 MPa，3項(xiàng)指標(biāo)與其他2類比較數(shù)值最高。同時(shí)，互花米草纖維板的吸水性為31 g/(m2·min)，能相比最低，僅含水率比紡織纖維板略高;廢紙漿纖維板的各項(xiàng)性能指標(biāo)最差。綜合可知:在本制板工藝流程下，互花米草纖維板的性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯，廢紙漿纖維板的性能最差。

造紙污泥所含的纖維較為細(xì)小，而互花米草纖維、紡織纖維的纖維較長(zhǎng)，纖維比表面積相對(duì)較高，將其與造紙污泥混漿復(fù)配達(dá)到了“鋼筋+水泥”的效果，起到骨架的作用，從而較好地將造紙污泥漿平面化成型。植物纖維相較紡織纖維的長(zhǎng)度長(zhǎng)，且硬挺度高，因而可使得互花米草纖維板的性能較之紡織纖維更好。廢紙漿經(jīng)過(guò)制漿后纖維大部分已經(jīng)破碎變短，比表面積變小，與造紙污泥復(fù)配后，復(fù)配效果沒(méi)有其他兩者好，制成的纖維板性能最低。

2.3 纖維污泥板的掃描電鏡觀察結(jié)果

對(duì)互花米草纖維板、紡織纖維板和廢紙漿纖維板進(jìn)行TM-1000型掃描電鏡(日立公司)分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知:廢紙纖維板表面可見(jiàn)壓扁的桿狀物，在100倍下可見(jiàn)許多不規(guī)則顆粒物和桿狀物組成，結(jié)構(gòu)酥松，有空隙，其內(nèi)部可見(jiàn)許多長(zhǎng)條桿狀物和不規(guī)則顆粒物，結(jié)構(gòu)較表面酥松。紡織纖維板表面可見(jiàn)明顯壓扁的桿狀物，結(jié)構(gòu)酥松，有空隙，其板內(nèi)部多為桿狀物，較表面無(wú)大差異?；セ撞堇w維板表面可見(jiàn)明顯壓扁的桿狀物，在100倍下觀察，較紡織纖維板表面致密，其板內(nèi)部多為桿狀物，表面較酥松。

圖3 3種纖維污泥板的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of three fibers sludge plates

3 結(jié)論

本研究創(chuàng)造性地利用互花米草纖維(“鋼筋”)、紡織長(zhǎng)纖維(“鋼筋”)對(duì)造紙污泥(“水泥”)進(jìn)行復(fù)配改性，利用纖維成型過(guò)程中羥基與羧基脫水縮合，再經(jīng)過(guò)抄板/壓濾/烘干整型工藝制成環(huán)保污泥纖維板，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需添加任何膠粘劑等助劑，是對(duì)含纖維污泥制造纖維板的可行性應(yīng)用，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)性。檢測(cè)分析，利用互花米草纖維與造紙污泥復(fù)配加工的纖維板，與紡織纖維和廢紙漿復(fù)配造紙污泥的纖維板在硬挺度、耐破度、密度和吸水性能指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)利用掃描電鏡觀察了3種板材的表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)互花米草纖維板在100倍下，較紡織纖維板、廢紙漿纖維板表面更致密，進(jìn)一步證實(shí)互花米草纖維板的機(jī)械性能更優(yōu)。

秸稈生物質(zhì)在本研究中得到了綜合利用，解決了當(dāng)前秸稈生物質(zhì)單一成分使用、效率不高、易造成環(huán)境污染的國(guó)際難題，為農(nóng)業(yè)秸稈的工業(yè)化利用提供了示范作用。

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