一种麦草叶鞘制备生物机械浆及生物质复合肥的方法
阅读说明：本技术 一种麦草叶鞘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 sheaths ) 是由 吉兴香 田中建 陈嘉川 王东兴 马浩 王强 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种麦草叶鞘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鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；S2、向S1处理后的麦草叶鞘加热水,并加入KOH调节pH,进行饱和软化处理；S3将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆；S4将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水采用多效蒸发器进行蒸发浓缩处理得残渣,回收热能用于S2的饱和软化处理；将残渣与S1中不能进行加工使用的腐烂叶混合调酸制肥。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,同时实现了麦草叶鞘的高值化全利用。(The invention discloses a method for preparing bio-mechanical pulp and biomass compound fertilizer from wheat straw sheaths, which comprises the following steps: s1, performing warm water and alkaline complex enzyme action treatment on the pretreated sheath segments; s2, adding hot water into the wheat straw sheath treated in the S1, adding KOH for adjusting the pH value, and performing saturated softening treatment; s3, grinding the wheat straw sheath softened in the step S2 into pulp to prepare bio-mechanical pulp; s4, carrying out evaporation concentration treatment on the wastewater treated by the action of warm water and alkaline complex enzyme, the wastewater treated by saturation softening and the washing water treated by grinding to obtain residues by using a multi-effect evaporator, and recovering heat energy for the saturation softening treatment of S2; mixing the residue with rotten leaves which can not be processed in S1 to prepare acid fertilizer. The invention can meet the requirements of producing primary color packaging paper and paper base materials, can also recover byproducts to prepare the biomass compound fertilizer, greatly reduces the emission of solid waste, and simultaneously realizes the high-valued full utilization of wheat straw sheaths.)
技术领域
本发明属于造纸技术与制肥技术领域，涉及一种麦草叶鞘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。
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鞘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虽然也含有较多的综纤维素和半纤维素，但非常不易打浆。具体的，由于麦草叶鞘中的纤维短，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。但是去除麦草叶鞘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 109457532 A公开了一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，以麦草叶鞘为原料，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鞘制备生物机械浆及生物质复合肥的方法，本发明首次提出以麦草叶鞘为原料，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，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，同时实现了麦草叶鞘的高值化全利用。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。
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，提供一种麦草叶鞘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鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶鞘加热水，并加入KOH调节pH，进行饱和软化处理；
S3、将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆；
S4、将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水采用多效蒸发器进行蒸发浓缩处理得残渣，回收热能用于步骤S2 的饱和软化处理；将残渣与步骤S1中不能进行加工使用的腐烂叶混合调酸制肥。
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。
进一步的，所述应用具体为：将麦草叶鞘生物机械浆经抄制成型，得瓦楞纸原纸和/或箱板纸非面层。
本发明的有益效果为：本发明以麦草叶鞘为原料，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、微量碱和碱性生物复合酶，待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性，且获得的生物机械浆得率较高(55～65％)，打破了以往麦草叶鞘不适合成浆的而在备料过程中除去的做法，极大了提高了麦草利用率，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，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收到15～35％固体残渣的同时，对其用微量磷酸进行调节pH值，然后造粒做成生物质复合肥，该肥料含有适量的K、P元素和大量的易降解、颗粒小的麦草叶鞘组分，整个生产过程绿色环保，实现了麦草叶鞘的高值化全利用。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，加之其中利用的秸秆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。
本发明的一种具体实施方式中，提供一种麦草叶鞘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鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶鞘加热水，并加入KOH调节pH，进行饱和软化处理；
S3、将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆；
S4、将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水采用多效蒸发器进行蒸发浓缩处理得残渣，回收热能用于步骤S2 的饱和软化处理；将残渣与步骤S1中不能进行加工使用的腐烂叶混合调酸制肥。
本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，预处理步骤为物理筛选除尘；麦草叶鞘切成3-6cm小段；液比控制为1kg：4～8L；温度控制为45～60℃，处理时间控制在30-90min。
本发明的一些实施例中，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(0～5)：(0～5)：(0～3)，各种酶的添加量均不为0；加碱处理控制麦草叶鞘的pH值在7-10。优选地，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～3)：(1～2)：1。优选的，酶总用量为50～55IU/mL。发明人进一步研究意外发现，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有效提高肥料的肥效和贮藏稳定性。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，饱和软化处理过程中，pH控制为9-12，温度控制为80～100℃；采用上述方法进一步处理软化麦草叶鞘，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质；
本发明的一些实施例中，所述步骤S3中，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆处理，控制打浆度为25～55°SR；磨浆处理工艺具体为：使用KPF系列高浓盘磨机进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1～0.6mm。
本发明的一些实施例中，温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水的质量比为5～6:1～2:2～10。
本发明的一些实施例中，残渣与步骤S1中不能进行加工使用的腐烂叶质量比为4～6:1～2。
本发明的一些实施例中，调酸制肥具体工艺为：向其中加入磷酸调节pH 至6～7，干燥、粉碎、造粒即得。通过采用磷酸处理，在中和碱性的同时也引入营养元素，更加经济环保。
本发明的又一具体实施方式中，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。
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
一种麦草叶鞘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风干麦草叶鞘切成3cm长的备用原料。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:5的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用KOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值为8，处理时间控制在90min，温度在50℃,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：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3：1：1。
(3)待麦草叶鞘达到一定软化程度，取出麦草叶鞘，然后用pH值12，温度100℃的热水进一步处理软化麦草叶鞘，液比1:4，时间40min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)待麦草叶鞘热水饱和软化后，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度在42°SR。
(5)把磨好的浆抄制成定量70g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，各项物理指标可满足一般瓦楞原纸的要求。
(6)采用多效蒸发器将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水按照质量比5:2:10进行蒸发浓缩处理得残渣，回收热能用于步骤(3)的饱和软化处理；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶按照5:1混合加入磷酸调节pH至6，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实施例2
一种麦草叶鞘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风干麦草叶鞘切成4cm长的备用原料。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:4的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用KOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值在9，处理时间控制在70min，温度55℃，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。
(3)待麦草叶鞘达到一定软化程度，取出麦草叶鞘，然后用pH值12，温度90℃的热水进一步处理软化麦草叶鞘，液比1:5，时间60min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)待麦草叶鞘热饱和软化后，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度为40°SR。
(5)把磨好的浆抄制成定量60g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，各项物理指标可满足一般瓦楞原纸的要求。
(6)采用多效蒸发器将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水按照质量比6:1:8进行蒸发浓缩处理得残渣，回收热能用于步骤(3)的饱和软化处理；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶按照5:2混合加入磷酸调节pH至6，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实施例3
一种麦草叶鞘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风干麦草叶鞘切成5cm长的备用原料。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:6的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用KOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值在8，处理时间控制在60min，温度50℃；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2：1：1。
(3)待麦草叶鞘达到一定软化程度，取出麦草叶鞘，然后用pH值12，温度100℃的热水进一步处理软化麦草叶鞘，液比1:6，时间50min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)待麦草叶鞘热饱和软化后，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度为38°SR。
(5)把磨好的浆抄制成定量80g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，各项物理指标可满足一般瓦楞原纸的要求。
(6)采用多效蒸发器将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水按照质量比5:1:10进行蒸发浓缩处理得残渣，回收热能用于步骤(3)的饱和软化处理；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶按照4:2混合加入磷酸调节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4：2：1。
实验例2：方法同实施例1，区别点在于木聚糖酶、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5：2：1。
实验例3：方法同实施例1，区别点在于将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水按照质量比的质量比控制为 4:1:10。
实验例4：方法同实施例1，区别点在于将温水与碱性复合酶作用处理的废水、饱和软化处理的废水、磨浆处理的洗涤水按照质量比控制为5:2:15。
实验例5：方法同实施例1，区别点在于将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶的质量比控制为1:2。
实验例6：方法同实施例1，区别点在于将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶的质量比控制为7:1。
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2～6成浆物理性能同实施例1。
表1一种麦草热蒸汽协同生物酶处理制备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1-6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1-6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1-6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
(2)小麦盆栽试验
将实施例1、实验例1-6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1-6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
9.93
-
实施例1
12.12
22.1
实验例1
11.86
19.4
实验例2
11.52
16.0
实验例3
10.87
9.5
实验例4
11.78
18.6
实验例5
11.62
17.0
实验例6
11.51
15.9
3、实施例1、实验例1-6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，因此本申请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，本申请制备的生物质复合肥贮藏稳定性远高于实验例1-6。
表4
实例
剪切力(N)
防结块率(％)
实施例1
31.23
58.3
实验例1
43.75
41.7
实验例2
47.51
36.6
实验例3
53.12
29.2
实验例4
49.45
34.0
实验例5
60.13
19.8
实验例6
60.11
19.8
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74.98N。
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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