一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法
阅读说明：本技术 一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法 (Method for preparing bio-mechanical pulp and biomass compound fertilizer from wheat straw leaves ) 是由 吉兴香 陈嘉川 田中建 王东兴 陈洪雷 葛银凯 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法,包括S1将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理并采用KOH调节溶液至碱性；S2向S1处理后的麦草叶进行搓丝处理；S3向S2处理后的麦草叶中加入碱性生物酶进行酶解处理；S4将S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆；S5将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水进行浓缩蒸发获得残渣,采用磷酸调节残渣pH,采用调节pH后的残渣制备生物质复合肥。本发明既能满足生产原色包装纸和纸基材料要求,又能对其副产物进行回收制备生物质复合肥,大大减少了固废的排放,实现了麦草叶的高值化全利用。(The invention provides a method for preparing bio-mechanical pulp and biomass compound fertilizer from wheat straw, comprising the steps of S1, adding water into pretreated wheat straw cut sections for hot water treatment, and adjusting the solution to be alkaline by using KOH; s2 performing thread rolling treatment on the wheat straw leaves treated in S1; s3, adding alkaline biological enzyme into the wheat straw leaves treated in S2 for enzymolysis; s4, grinding the wheat straw leaves subjected to the enzymolysis treatment of S3 to prepare bio-mechanical pulp; s5, concentrating and evaporating the waste water generated by hot water discharge, the waste water generated by thread rolling treatment, the waste water generated by enzymolysis treatment and the waste water generated by grinding treatment to obtain residues, adjusting the pH of the residues by adopting phosphoric acid, and preparing the biomass compound fertilizer by adopting the residues after the pH adjustment. The invention can meet the requirements of producing primary color packaging paper and paper base materials, and can also recover the byproducts thereof to prepare the biomass compound fertilizer, thereby greatly reducing the emission of solid waste and realizing the high-valued full utilization of wheat straw.)
技术领域
本发明属于造纸技术与制肥技术领域，涉及一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法。
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。
造纸工业既是消费品产业，也是重要的基础原材料产业，涉及生活、文教、工农业、国防和航空等诸多领域。2016年我国纸浆进口达2106万吨，废纸进口达2850万吨，我国的制浆造纸纤维原料的进口依赖程度接近50％，国外废纸的进口弥补了我国纤维原料的缺口，支撑了中国造纸业的发展。我国面临着造纸原料严重短缺的问题。为此，本项目组研发了利用农业秸秆制备生物机械浆替代废纸原料的新技术，为解决造纸原料的短缺和农业秸秆的高值化利用提供了一条重要途径。
在以往传统的造纸过程，麦草秸秆曾作为重要的造纸原料，而麦草秸秆中的麦草叶往往要求在备料过程中尽可能去除，这是由于尽管麦草叶中半纤维素含量较多，但不易打浆。具体的，由于麦草叶中的纤维短，而杂细胞含量多，次生壁外层较厚，且与次生壁中层粘结较紧，故在打浆过程中很难除掉，因此造成纤维的吸水润涨和细纤维化都非常困难。如果在打浆中过分要求其细纤维化，必然造成纤维的过度切断，不仅影响成纸的强度，而且在抄纸时滤水困难。但是去除麦草叶不仅造成了备料的成本增加，同时也极大降低了麦草原料的利用率。为此，CN 109629318 A公开了一种麦草叶制备生物机械浆的方法，以麦草叶为原料，采用热水协同碱性复合生物酶工艺制备高得率原色生物机械浆。然而，发明人经过研究发现，该方法产生的副产物难以实现高效利用，不利于农业秸秆的综合高值化利用。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，本发明提出以麦草叶为原料，采用热水协同碱性生物酶处理全麦草叶制备高强度本色生物机械浆的方法，从而满足生产原色包装纸和纸基材料要求，并对其副产物进行回收制备生物质复合肥，大大减少了固废的排放，实现了麦草叶的高值化全利用。本发明制备方法简便、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。
为实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理，热水处理过程中，采用 KOH调节溶液至碱性；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶进行搓丝处理；
S3、向经步骤S2处理后的麦草叶中加入碱性生物酶进行酶解处理；
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆；
S5、将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水进行浓缩蒸发获得残渣，采用磷酸调节残渣pH，采用调节pH后的残渣制备生物质复合肥。
本发明通过对原方法的研究发现，采用原方法产生的废水制备的生物质复合肥贮藏稳定性较差，对此，本发明采用热水联合搓丝处理的方法改变酶解处理的原料的物理状态，再经过酶解处理、磨浆处理后，其产生的废水配合，从而改变废水中固态物质的组成，当采用该固态物质制肥时，防结块性能更好，从而增加生物质复合肥贮藏稳定性。
本发明的第二个方面，提供上述方法制备得到的生物机械浆和/或生物质复合肥。
本发明的第三个方面，提供上述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用和/或生物质复合肥在促进作物生长中的应用。
本发明的有益效果为：本发明以全麦草叶为原料，在整个生物机械浆的制备过程中，通过合理优化制备过程和步骤，仅仅采用了热水、KOH和碱性生物酶，待磨浆完成时生物机械浆的pH值呈弱碱性，获得的生物机械浆得率较高(60～85％)，打破了以往通常仅使用麦草叶秸秆制浆的做法，极大了提高了麦草叶利用率，且与传统的机械浆相比较，可节省磨浆能耗40％以上，且各项物理指标达到了生产包装纸和纸基材料的要求。
在本发明中，磨浆洗涤水采用浓缩蒸发处理，回收到15～35％固体残渣的同时，对其用磷酸进行调节pH值，然后造粒做成生物质复合肥，该肥料含有适量的N、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，实现了麦草叶的高值化全利用。需要说明的是，与传统的基于化学浆 (化学浆需要高温高碱，一般温度在160℃以上，20％左右的用碱量)副产物制备肥料不同，本发明由于采用低温少碱方式，加之其中利用的麦草叶本身就是天然钾肥的好材料，因此本发明在肥料制备上天然具有“先天优势”，同时，经优化筛选工艺条件，本发明制备得到的生物质复合肥料还具有肥效高、贮藏稳定性好等优势。
本发明制备方法简单，节能环保，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的社会效益、经济效益和生态效益，因此具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。
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、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，在以往传统的造纸过程，麦草秸秆曾作为重要的造纸原料，而麦草秸秆中的麦草叶往往要求在备料过程中尽可能去除，这是由于尽管麦草叶中半纤维素含量较多，但非常不易打浆。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理，热水处理过程中，采用 KOH调节溶液至碱性；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶进行搓丝处理；
S3、向经步骤S2处理后的麦草叶中加入碱性生物酶进行酶解处理；
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆；
S5、将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水进行浓缩蒸发获得残渣，采用磷酸调节残渣pH，采用调节pH后的残渣制备生物质复合肥。
本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，预处理方式为物理筛选除尘；麦草叶切成3-8cm小段；液比控制为1kg：4～8L；温度控制为80-100℃，处理时间控制为15～60min；本发明将麦草叶切段，同时通过控制液比、蒸煮温度和时间先行蒸煮一段时间，能够有利于麦草叶达到饱水软化程度。
本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，调节热水pH为10-14；使麦草叶中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶热水饱和软化的同时，在处理结束的时候麦草叶的pH值达到7-9。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，搓丝压缩比控制为1：1-4，从而使麦草叶达到均匀良好的分丝效果；有利于后续进行酶解和磨浆处理，同时降低能耗；本发明前两步骤中，使用热水联合搓丝处理，对麦草叶纤维损伤较小，增大原料比表面积，使得后续酶解处理过程中，生物酶更容易进入细胞壁内部和胞间层，作用于木素、纤维素、半纤维素之间的化学连接，以及未溶出的果胶等大分子物质，从而进一步促进酶促磨浆作用。
本发明的一些实施例中，所述步骤S3中，酶解处理条件具体为：温度控制40～60℃，所述碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(0～4)： (0～3)：(0～1.5)，各种酶的添加量均不为0；液比控制在1kg：3-8L；酶解处理时间为30-90min；采用上述各种生物酶协同作用，能够改善浆料的纤维特性和磨浆能耗。优选的，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2.5～3.5)： (1.5～2.5)：1；优选的，酶总用量为30-40IU/mL。经过进一步研究发现，通过优化生物复合酶的酶活比例，在保证成浆高性能的同时，还能通过与后续各废水添加量的配合从而进一步提高肥料的肥效和贮藏稳定性。
同时进行间隔式搅拌处理；从而使麦草叶与生物酶充分作用，用于进一步软化麦草叶纤维原料。
本发明的一些实施例中，所述步骤S4中，磨浆处理工艺具体为：使用KPF 高浓盘磨机进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.15-0.5mm；利用磨浆过程中产生的热量和高温，使生物酶失活防止影响后续纸浆的强度。
本发明的一些实施例中，所述步骤S5中，采用多效蒸发器进行浓缩蒸发；回收热能用于步骤S1的热水处理。
本发明的一些实施例中，所述步骤S5中，热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水的质量比为 2～5:2～4:1～5:5～20。
本发明的一些实施例中，所述步骤S5中，采用磷酸调节残渣pH至7，干燥、粉碎、造粒即得。
本发明的又一具体实施方式中，提供了上述方法制备得到的生物机械浆和 /或生物质复合肥。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用和/或生物质复合肥在促进作物生长中的应用。
本发明的本色生物机械浆可广泛应用于生产原色包装纸和纸基材料中的应用。将本色生物机械浆经疏解、抄制成型，得瓦楞纸原纸和/或箱板纸的非面层。其耐破指数、撕裂指数和环压指数均较高。同时，本发明制得的肥料为生物质复合肥，经试验验证，其具有较好的肥效和贮藏稳定性。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。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。本发明中采用的生物酶来自山东隆科特酶制剂有限公司、诺维信生物酶制剂中国公司。
实施例1
一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，步骤如下：
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成4cm的小段原料，放入常温处理器或反应釜中，按照1：4的液比对麦草叶进行热水处理，温度在100℃，处理时间30min。对反应釜或处理器中的热水和麦草叶混合物中加入微量的KOH，调节热水的pH值在14，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(2)把步骤(1)的麦草置于TSP360搓丝机上进行搓丝，调整搓丝机的压力，使麦草达到均匀良好的分丝效果；
搓丝的工艺条件：搓丝时的压力1：3。
(3)把软化分丝后的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理60min，温度控制在55℃，液比控制在1kg:5L，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：40IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3：2：1。
(4)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到40°SR。
(5)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型60g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
(6)将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水按照质量比5:4:5:15，采用多效蒸发器进行蒸发浓缩获得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水处理的热水加热；采用磷酸调节残渣pH至6，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实施例2
一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，步骤如下：
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成3cm的小段原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:5的液比对麦草叶进行热水处理，温度在100℃，处理时间 40min。对反应釜或处理器中的热水和麦草叶混合物中加入微量的KOH，调节热水的pH值在13，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(2)把步骤(1)的麦草置于TSP360搓丝机上进行搓丝，调整搓丝机的压力，使麦草达到均匀良好的分丝效果；
搓丝的工艺条件：搓丝时的压力1：3。
(3)把软化分丝后的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理50min,温度控制在50℃，液比控制在1:6，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：30IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为2.5：1.6：1。
(4)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到38°SR。
(5)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型70g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
(6)将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水按照质量比5:2:5:20，采用多效蒸发器进行蒸发浓缩获得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水处理的热水加热；采用磷酸调节残渣pH至6，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实施例3
一种麦草叶制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，步骤如下：
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成5cm的小段原料，放入常温处理器或反应釜中，按照1:4的液比对麦草叶进行热水处理，温度在95℃，处理时间 60min。对反应釜或处理器中的热水和麦草叶混合物中加入微量的KOH，调节热水的pH值在14，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(2)把步骤(1)的麦草置于TSP360搓丝机上进行搓丝，调整搓丝机的压力，使麦草达到均匀良好的分丝效果；
搓丝的工艺条件：搓丝时的压力1：3。
(3)把软化分丝后的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理70min,温度控制在55℃，液比控制在1:5，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：30IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3.5：2.5：1。
(4)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到42°SR。
(5)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型60g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
(6)将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水按照质量比4:4:2:20，采用多效蒸发器进行蒸发浓缩获得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水处理的热水加热；采用磷酸调节残渣pH至6，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实验例1：方法同实施例1，区别点在于省略步骤(2)，总用量是50IU/mL，酶活比例为2：2：1。
实验例2：方法同实施例1，区别点在于将TSP360搓丝机上进行搓丝后的生物酶调整为使用木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是 50IU/mL，酶活比例为2：2：1。
实验例3：方法同实施例1，区别点在于将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水的质量比控制为 1:4:2:20。
实验例4：方法同实施例1，区别点在于将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水的质量比控制为 8:3:5:20。
实验例5：方法同实施例1，区别点在于将热水出来产生的废水、搓丝处理产生的废水、酶解处理产生的废水及磨浆处理产生的废水的质量比控制为 4:3:2:10。
效果验证：
1、表1为实施例1、实验例1和2制备生物机械浆的成浆物理性能比较，可以看到，各组成浆物理性能均较佳，达到了生产本色包装纸和纸基材料的要求。实验例2-5成浆物理性能同实施例1。
表1生物机械浆的成浆物理性能指标比较一览表
2、实施例1、实验例1-5制备生物质复合肥肥效检测
(1)玉米盆栽试验
将实施例1、实验例1-5制备生物有机肥施用于盆栽玉米进行试验，在玉米苗期施用生物质复合肥(3g/kg土)，结果如表2所示，表明与不施肥对照组CK相比，实施例1和实验例1-5均使得玉米生物量显著增加，其中以实施例1效果最佳。
表2
生物量(g/盆)
增加(％)
CK
6.09
-
实施例1
8.45
38.8
实验例1
8.25
35.5
实验例2
7.63
25.3
实验例3
7.86
29.1
实验例4
7.52
23.5
实验例5
7.73
26.9
(2)小麦盆栽试验
将实施例1、实验例1-5制备生物有机肥施用于盆栽小麦进行试验，在小麦苗期施用生物质复合肥(5g/kg土)，结果如表3所示，表明与不施肥对照组CK相比，实施例1和实验例1-5均使得小麦生物量增加，其中以实施例1 效果最佳。
表3
实例
生物量(g/盆)
增加(％)
CK
10.75
-
实施例1
13.23
23.1
实验例1
13.02
21.1
实验例2
12.54
16.7
实验例3
12.73
18.4
实验例4
12.32
14.6
实验例5
12.62
17.4
3、实施例1、实验例1-5制备生物质复合肥贮藏稳定性检测
一直以来，结块问题影响复合肥外观质量，给复合肥运输和施用带来不便，因此本发明对制备的生物质复合肥的贮藏稳定性(防结块性能)采用压块法进行试验，按温度50℃，压力147N，15天的条件控制，在圆环内装入50g复合肥样品，对圆柱状复合肥压块测定剪切力数据，试验结果见表4。可以看到，实施例1制备的生物质复合肥贮藏稳定性远高于实验例1-5。
表4
注：防结块率＝(空白剪切力-样品剪切力)/空白剪切力×100％，空白剪切力为75.41N。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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