一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法
阅读说明：本技术 一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法 (Method for preparing natural-color biomechanical pulp based on reeds and fully utilizing byproducts ) 是由 吉兴香 田中建 王瑞明 赵双双 于 2021-07-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法,属于造纸技术与新材料技术领域。本发明以芦苇为原料,在生物机械浆制备过程中,在生物机械浆制备过程中,通过合理优化制备过程和步骤,通过热水、水蒸气、微量KOH和生物酶等的组合使用,使得待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性,同时获得的生物机械浆得率较高(75～85％),从而极大提高了芦苇的利用率,与传统的化学机械浆相比较,可节省磨浆能耗40％以上,且经试验验证,制备得到的生物机械浆的各项物理指标达到了本色生产包装纸和纸基材料的要求。磨浆洗涤水进一步造粒做成生物质复合肥,整个生产过程绿色环保,实现芦苇的综合高值化全利用。(The invention relates to a method for preparing natural-color biomechanical pulp based on reeds and fully utilizing byproducts, belonging to the technical field of papermaking technology and new materials. According to the invention, the reed is used as a raw material, in the preparation process of the bio-mechanical pulp, the pH value of the bio-mechanical pulp is close to neutral when the pulp is grinded and is finished by reasonably optimizing the preparation process and steps and using the combination of hot water, water vapor, trace KOH, bio-enzyme and the like in the preparation process of the bio-mechanical pulp, and simultaneously, the obtained bio-mechanical pulp has high yield (75-85%), so that the utilization rate of the reed is greatly improved, compared with the traditional chemical mechanical pulp, the pulp grinding energy consumption can be saved by more than 40%, and through experimental verification, various physical indexes of the prepared bio-mechanical pulp meet the requirements of producing the packing paper base material and paper in the natural color. The pulping and washing water is further granulated to prepare the biomass compound fertilizer, the whole production process is green and environment-friendly, and the comprehensive high-valued full utilization of the reeds is realized.)
技术领域
本发明属于造纸技术与新材料技术领域，具体涉及一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法。
背景技术
公开该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。造纸产业是与国民经济和社会事业发展关系密切的重要基础原材料产业，纸及纸板的消费水平是衡量一个国家现代化水平和文明程度的标志。目前我国纸及纸板的产量和消费量均超过一亿吨，占全球的1/4以上，居世界第一位，但造纸纤维原料对外依存度较高，占45％以上，其中半数以上为进口废纸。2017年国务院发布了《关于禁止洋垃圾入境推进固体废物进口管理制度改革实施方案》，明确规定了到2019年底前，逐步停止进口国内资源可以替代的固体废物。由此，我国造纸业面临严峻挑战：①原料短缺问题进一步加剧；②进口废纸替代刻不容缓；③绿色造纸成为必然趋势。因此，尽快找到进口废纸替代的出路，实现清洁生产及固废源头减量，对于化解当前纤维原料危机，推动造纸行业绿色可持续发展具有重大意义。
在传统的制浆造纸中，芦苇也曾作为一种重要的造纸原料制备漂白化学浆，但是由于芦苇中含硅元素，因此传统的化学法制浆过程中容易结垢，导致芦苇碱回收困难且成本高，在2000年左右国家开始禁止芦苇化学浆的制备。随着造纸原料的严重短缺，研发一种清洁、高效的以来源较为丰富的芦苇为原料制浆工艺，同时对制浆中的副产物进行高值化利用的技术显然具有重要意义。
发明内容
针对以上所述问题，本发明提供一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法。本发明以芦苇为原料，通过热蒸汽以及生物酶等方式综合处理芦苇原材料，制备出高强度本色生物机械浆，满足生产本色包装纸和纸基材料要求，基于制备方法对其副产物进行回收制备生物质复合肥料，无需废液和固体废弃物排放，实现了芦苇的绿色综合全利用。本发明制备方法简单、绿色清洁高效，具有良好的实际应用价值和广阔的应用前景。
本发明采用以下技术方案：
本发明第一个方面，提供一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括以下步骤：
(1)把经预处理的芦苇分段，加热水清洗后脱水；
(2)将脱水后的芦苇加碱调节pH后进行热蒸汽处理；
(3)经将热蒸汽处理的芦苇进行螺旋挤压或分丝处理，调节pH至中性后加入复合生物酶进行酶解软化处理，得到芦苇粗浆；
(4)将芦苇粗浆进行一段或多段磨浆处理；
(5)对磨浆后浆料进行高浓洗涤，得生物机械浆；所得生物机械浆经纤维疏解器疏解、混合均匀，即得芦苇本色生物机械浆；收集高浓洗涤废水；
(6)将高浓洗涤废水蒸发浓缩得固形物，将所述固形物调酸造粒制成生物质复合肥。
该肥料含有适量的K、P元素和大量的易降解、颗粒小的秸秆组分，整个生产过程绿色环保，实现了芦苇的综合高值化全利用。
本发明第二个方面，提供以上所述方法制备得到的机械浆和/或生物质复合肥。
本发明第三个方面，提供上述机械浆在制备本色包装纸、纸基材料中的应用和/或生物质复合肥在作为肥料中的应用。
上述一个或多个技术方案的有益效果：
上述技术方案以芦苇为原料，在生物机械浆制备过程中，通过合理优化制备过程和步骤，通过热水、水蒸气、微量KOH和生物酶等的组合使用，使得待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性，同时获得的生物机械浆得率较高(75～85％)，从而极大提高了芦苇的利用率，与传统的化学机械浆相比较，可节省磨浆能耗40％以上，且经试验验证，制备得到的生物机械浆的各项物理指标达到了本色生产包装纸和纸基材料的要求。
上述技术方案中，磨浆洗涤水采用MVR多效蒸发器进行浓缩回收，可有效收集到15-25％的固体废弃物，通过对其使用微量磷酸进行pH值的调节，然后造粒做成生物质复合肥，该肥料含有适量的K、P元素和大量的易降解、颗粒小的秸秆组分，其整个生产过程绿色环保，从而实现了芦苇的综合高值化全利用。
总之，上述技术方案符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的经济社会效益和生态效益，实用性强，易于推广，因此具有良好的实际应用和工业化生产之价值。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
本发明的一个典型具体实施方式中，提供一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括以下步骤：
(1)把芦苇分段，加热水清洗后脱水；
(2)将步骤(1)中脱水后的芦苇加碱调节pH后进行热蒸汽处理；
(3)经将步骤(2)处理的芦苇进行螺旋挤压或分丝处理，调节pH至中性后加入复合生物酶进行酶解软化处理，得到芦苇粗浆；
(4)将步骤(3)处理后的芦苇粗浆进行一段或多段磨浆处理；
(5)将步骤(4)磨浆后浆料进行高浓洗涤，得生物机械浆；所得生物机械浆经纤维疏解器疏解、混合均匀，即得芦苇本色生物机械浆；收集高浓洗涤废水；
(6)将步骤(5)中收集高浓洗涤废水蒸发浓缩得固形物，将所述固形物调酸造粒制成生物质复合肥。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(1)中，对芦苇分段前进行预处理，所述预处理方法包括：去除芦苇的芦苇花穗和大部分叶子，优选的，去除质量分数为70-80％的叶子。
分段处理具体为控制芦苇切分为3-6cm小段，加入50-80℃水进行清洗5-10分钟；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(2)中，加入碱为氢氧化钾，pH为11-12。
进行热蒸汽处理具体方法为：采用90-105℃的热蒸汽处理15-20分钟。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(3)中，搓丝压缩比控制为1:1～4，从而使芦苇达到均匀良好的挤压分丝效果，从而有利于后续的酶解等处理，同时还能减少能源的消耗。
所述复合生物酶为木聚糖酶、纤维素酶和脂肪酶中的任意两种或三种，优选为其中任意两种，如木聚糖酶和脂肪酶、纤维素酶和脂肪酶，以及纤维素酶和木聚糖酶。
本发明的又一具体实施方式中，复合酶总用量控制为20-40U/g，复配比例(酶活)为1:3～3:1；处理温度45-60℃，pH 6.0-8.0，液比控制为1:3.5-5；复合酶处理时间控制为20-80min。通过采用上述复合酶协同处理，并优化相关工艺参数条件，能够有效改善浆料性能，同时也有利于降低磨浆能耗。而且，通过优化酶活比例，使得产生的废水中肥料的肥效成分更为丰富，有利于生物质肥的使用。
本发明的又一具体实施方式中，复合酶处理过程中进行均匀间隔式搅拌；从而使芦苇与复合生物酶充分作用，用于进一步软化芦苇原料。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(4)中，磨浆处理工艺具体为：进行高浓磨浆，主轴转速2800-3200r/min(优选为3000r/min)，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.5mm；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤(6)中，将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩得固形物，将所述固形物用微量磷酸进行调节pH值至中性，然后造粒做成生物质复合肥，该肥料含有适量的K、P元素和大量的易降解、颗粒小的芦苇秸秆组分，整个生产过程绿色环保，实现了芦苇的综合高值化全利用。
本发明的又一具体实施方式中，提供以上所述方法制备得到的机械浆和/或生物质复合肥。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述机械浆在制备本色包装纸、纸基材料中的应用和/或生物质复合肥在作为肥料中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件进行。
本发明实施例中采用的生物酶来自山东隆科特酶制剂有限公司和诺维信生物酶制剂中国公司。
实施例1一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法
所述方法，包括以下步骤：
1、将经预处理的芦苇除去芦苇花穗和质量分数为70％的叶子、切成3-6cm小段；加60℃水进行清洗10分钟，然后进行脱水；
2、向1中脱水洗涤的芦苇段加氢氧化钾调节pH值至12左右，然后通入105℃的热蒸汽处理15分钟；
3、向经步骤2处理后的芦苇进行分丝处理，搓丝压缩比控制为1:3，调节pH值中性；
4、向经步骤3的芦苇原料加入复合生物酶进行处理，两种生物酶(木聚糖酶和脂肪酶)总用量40U/g(1g料液中加入40U生物酶)，复配比例(酶活)为3:1，复合酶处理的条件为液比1:4(g/mL)；处理温度50℃，pH 7.0，处理时间在50min。
5、对经步骤4的软化芦苇粗浆进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.2mm；
6、将对5获得的浆料进行高浓洗涤，将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩得固形物，将所述固形物用微量磷酸进行调节pH值至中性，然后造粒做成生物质复合肥。
同时，设置对照组，其区别仅在于：对照组步骤4中不使用复合生物酶对经步骤3的芦苇进行处理，仅通过添加水调节液比至1:4(g/mL)。
表1一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法成浆物理性能指标比较一览表(木聚糖酶：脂肪酶＝3:1)
实施例2一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法
所述方法，包括以下步骤：
1、将经预处理的芦苇除去芦苇花穗和质量分数为70％的叶子、切成3-6cm小段；加80℃水进行清洗10分钟，然后脱水；
2、向1中脱水洗涤的芦苇段加氢氧化钾调节pH值至12左右，随后通100℃的热蒸汽处理15分钟；
3、向经步骤2处理后的芦苇进行分丝处理，搓丝压缩比控制为1:2，调节pH值约中性；
4、向经步骤3的芦苇原料加入复合生物酶进行处理，两种生物酶(木聚糖酶：纤维素酶)总用量30U/g(1g料液中加入30U生物酶)，复配比例(酶活)为2:1，复合酶处理的条件为液比1:4(g/mL)；处理温度55℃，pH 7.0，处理时间在40min。
5、向经步骤4的软化芦苇粗浆进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.3mm；
6、将对5获得的浆料进行高浓洗涤，将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩得固形物，将所述固形物用微量磷酸进行调节pH值至中性，然后造粒做成生物质复合肥。
同时，设置对照组，其区别仅在于：对照组步骤4中不使用复合生物酶对经步骤3的芦苇进行处理，仅通过添加水调节液比至1:4(g/mL)。
表2一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法成浆物理性能指标比较一览表(木聚糖酶：纤维素酶＝2:1)
实施例3一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法
所述方法，包括以下步骤：
1、将经预处理的芦苇除去芦苇花穗和质量分数为80％的叶子、切成3-6cm小段；加80℃水进行清洗10分钟，然后脱水；
2、向1中脱水洗涤的芦苇段加氢氧化钾调节pH值至12左右，随后通95℃的热蒸汽处理20分钟；
3、向经步骤2处理后的芦苇进行分丝处理，搓丝压缩比控制为1:3，调节pH值约中性；
4、向经步骤3的芦苇原料加入复合生物酶进行处理，两种生物酶(脂肪酶：纤维素酶＝2:1)总用量30U/g(1g料液中加入30U生物酶)，复配比例(酶活)为2:1，复合酶处理的条件为液比1:5(g/mL)；处理温度50℃，pH 7.0，处理时间在60min。
5、向经步骤4的软化芦苇粗浆进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.2mm；
6、将对5获得的浆料进行高浓洗涤，将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩得固形物，将所述固形物用微量磷酸进行调节pH值至中性，然后造粒做成生物质复合肥。
同时，设置对照组，其区别仅在于：对照组步骤4中不使用复合生物酶对经步骤3的芦苇进行处理，仅通过添加水调节液比至1:5。
表3一种基于芦苇制备本色生物机械浆及副产物全利用的方法成浆物理性能指标比较一览表(脂肪酶：纤维素酶＝2:1)
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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