CN112779803A - 一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法 - Google Patents

一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法，属于造纸技术与废弃物综合利用技术领域。本发明利用麦草秸秆作为制浆原料，采用汽蒸处理麦草秸秆，然后加微量KOH，对麦草秸秆进行热饱和软化后调节麦草秸秆的温度，加入碱性复合酶进行生物处理，最后对麦草秸秆进行磨浆，制备得到的机械浆能够满足生产本色包装类纸和纸基材料的要求，同时对其副产物进行回收制备生物质复合肥，使得固废变废为宝，实现了麦草秸秆的高值化全利用。因此具有良好的实际应用价值和广阔的应用前景。

Description

一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法
技术领域
本发明属于造纸技术与废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种麦草秸秆制备生物机械本色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，造纸纤维原料的进口依赖程度接近50％，废纸的大量进口弥补了我国纤维原料的缺口，支撑了造纸业的发展。2017年4月中央发布了《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》，明确规定从今年底起我国将禁止进口未经分选的废纸。2018年废纸进口总额为2017年的33％，到2020年，我国禁止进口废纸。我国正面临着每年的缺少2600万吨左右的造纸原料。传统造纸行业资源短缺的问题将进一步突显。研究开发新的造纸原料迫在眉睫，为此研究者，在可循环可再生的草类原料中挖掘发现，寻找新的造纸原料。
传统化学法制浆过程中，麦草秸秆的大部分半纤维素被降解后溶解在制浆黑液中。往往采用碱回收法处理黑液，回收热能和碱。由于黑液中的半纤维素燃烧热值很低，对其直接进行燃烧处理，不仅浪费能源，还耗用了很好的生物质资源。发展草类原料制备高得率的生物浆，研究开发适用于麦草秸秆的低污染、低耗能、高质量的制浆方法是中国造纸行业研究重点，也是迫切需要突破的行业发展瓶颈。为此，申请人提出一种麦草秸秆制备生物机械本色浆的方法，利用麦草秸秆作为制浆原料，采用汽蒸或热水处理麦草秸秆，然后加微量碱，对麦草秸秆进行热饱和软化后调节麦草秸秆的温度，加入碱性复合酶进行生物处理，最后对麦草秸秆进行磨浆，制备得到的机械浆能够满足生产本色包装类纸和纸基材料的要求(见CN 109577059 A)。然而，在制浆过程中产生的副产物问题没有得到很好解决，不利于农业秸秆的综合高值化利用。
发明内容
针对以上所述问题，本发明提供一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法。本发明利用麦草秸秆作为制浆原料，采用汽蒸处理麦草秸秆，然后加微量KOH，对麦草秸秆进行热饱和软化后调节麦草秸秆的温度，加入碱性复合酶进行生物处理，最后对麦草秸秆进行磨浆，制备得到的机械浆能够满足生产本色包装类纸和纸基材料的要求，同时对其副产物进行回收制备生物质复合肥，使得固废变废为宝，实现了麦草秸秆的高值化全利用。因此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，提供一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法，包括以下步骤：
(1)把物理挑选除尘后的风干禾草秸秆切成3-6cm长的备用原料；并将不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)进行收集；
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:4-1:8W/V的液比对禾草秸秆进行碱性复合酶作用处理，在处理过程，添加微量KOH，使得禾草秸秆的pH值在7-14，处理时间控制在30-90min；收集酶碱共处理阶段产生的废水；
(3)将步骤(2)处理的禾草秸秆取出，用温度80-120℃的热碱水蒸汽进一步处理；
(4)将步骤(3)处理后的禾秸秆进行一段或多段磨浆，使其打浆度在25-55°SR；
(5)磨浆后进行水洗，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；收集磨浆洗涤水；
将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(3)的热碱水蒸汽处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)混合调酸制肥。
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/或肥料。
本发明第三个方面，提供以上所述机械浆在制备本色包装纸、纸基材料中的应用和/或肥料在促进作物生长中的应用。
上述一个或多个技术方案的有益效果：
上述技术方案以禾草为原料，采用碱性生物酶进行处理，然后在热碱蒸汽加热处理后磨浆、洗涤，即得。本发明磨浆完成时生物机械浆的pH接近中性，且磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收固体残渣用于锅炉焚烧，回收热能在用于热蒸汽处理段，整个生产过程无需碱回收，从源头上避免了对环境的污染。该技术符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策。克服了现有技术中草浆碱废水难回收，污染严重的问题；这对于草浆的产业化生产及造纸行业的发展意义重大。
本发明方法简单，对设备要求较低，适用于广大中小型造纸企业的生产。
采用本发明方法制备得到的机械浆环压指数显著提高，用于制备瓦楞纸或箱板纸，可显著提高纸箱的抗压强度。副产物制备生物质复合肥，富含磷钾等营养元素，同时复合肥中还含有大量的易生物降解的半纤维素等而更利用作物的吸收和土壤的改善，从而有效促进作物的生长，同时，经优化筛选工艺条件，本申请制备得到的生物质复合肥料还具有肥效高、贮藏稳定性好等优点。因此，具有良好的实际应用之价值。
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。
针对，背景技术中提出的问题，本发明一个具体实施方式中，提供一种禾草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法，包括以下步骤：
(1)把物理挑选除尘后的风干禾草秸秆切成3-6cm长的备用原料；并将不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)进行收集；
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:4-1:8W/V的液比对禾草秸秆进行碱性复合酶作用处理，在处理过程，添加微量KOH，使得禾草秸秆的pH值在7-14，处理时间控制在30-90min；收集酶碱共处理阶段产生的废水；
(3)将步骤(2)处理的禾草秸秆取出，用温度80-120℃的热碱水蒸汽进一步处理；
(4)将步骤(3)处理后的禾秸秆进行一段或多段磨浆，使其打浆度在25-55°SR；
(5)磨浆后进行水洗，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；收集磨浆洗涤水；
将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(3)的热碱水蒸汽处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)混合调酸制肥。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(2)所用碱性生物复合酶为碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶三种酶的复配酶，总用量是30-120IU/mL；其中，碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例为0～12:0～5:0～3，各酶均不取0，进一步优选为8～10:3～4:2～3。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，还能与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。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(2)中KOH的用量为0.5％-3％。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(2)处理温度为45-60℃。在该温度范围内，酶解效率最高。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(3)热碱水蒸汽处理时间为10-60min。在该处理时间范围内，可使木素、半纤维素等成分溶出，同时避免了处理时间过长，造成纸浆得率的降低。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(3)所述热碱水pH值9-14。采用该pH值蒸汽进行处理，效果最佳。
本发明的又一具体实施方式中，步骤(5)中，酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比为2～5：5～10。
本发明的又一具体实施方式中，残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆的质量比为5～7:1～2。
本发明的又一具体实施方式中，调酸制肥具体工艺为：向其中加入磷酸调节pH至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磷等营养元素，从而更加经济环保。
本发明的又一具体实施方式中，所述禾草为麦草。
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/或肥料。本发明所得机械浆，不仅得率高，而且抗张强度、环压强度等均显著提高。同时，制得肥料富含磷钾等营养元素，从而有利于作物生长。
本发明的又一具体实施方式中，提供以上所述机械浆在制备原色包装纸、纸基材料中的应用和/或肥料在促进作物生长中的应用。
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。
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1一种麦草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法
所述方法，包括以下步骤：
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草秸秆切成3cm长的备用原料，将不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)收集起来。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:5kg/L的液比对麦草秸秆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，使得麦草秸秆含水的pH值为8，处理时间控制在90min，温度在50℃，酶用量为100IU/mL，碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例为8:3:2；收集酶碱共处理阶段产生的废水。
(3)将步骤(2)处理的麦草秸秆取出，然后用pH值14，温度110℃的热碱(KOH)水蒸汽进一步处理软化麦草秸秆，时间60min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)将步骤(3)处理后的麦草秸秆进行一段或多段磨浆，使其打浆度在41°SR。
(5)磨浆后进行水洗，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；收集磨浆洗涤水；
将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水按质量比2:5混合，采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(3)的热碱水蒸汽处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)按6:1质量比混合，采用磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒即得生物质复合肥。
实施例2一种麦草秸秆制备生物机械本色浆的方法
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草秸秆切成4cm长的备用原料，将不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)收集起来。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:4kg/L的液比对麦草秸秆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，使得麦草秸秆含水的pH值在9，处理时间控制在60min，温度55℃，酶用量为30IU/mL，碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例为10:4:3，收集酶碱共处理阶段产生的废水；
(3)将步骤(2)处理的麦草秸秆取出，然后用pH值13，温度120℃的热碱(KOH)水蒸汽进一步处理软化麦草秸秆，时间10min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)将步骤(3)处理后的麦草秸秆进行一段或多段磨浆，使其打浆度为40°SR。
(5)磨浆后进行水洗，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；收集磨浆洗涤水；
将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水按质量比2:3混合，采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(3)的热碱水蒸汽处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)按3:1质量比混合，采用磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒即得生物质复合肥。
实施例3一种麦草秸秆制备生物机械本色浆的方法
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草秸秆切成5cm长的备用原料，将不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)收集起来。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:6kg/L的液比对麦草秸秆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，使得麦草秸秆含水的pH值在8，处理时间控制在60min，温度50℃,酶用量为80IU/mL，碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例为10:4:3；收集酶碱共处理阶段产生的废水。
(3)将步骤(2)处理的麦草秸秆取出，然后用pH值12，温度100℃的热碱(KOH)水蒸汽进一步处理软化麦草秸秆，时间30min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)将步骤(3)处理后的麦草秸秆进行一段或多段磨浆，使其打浆度为38°SR。
(5)磨浆后进行水洗，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；收集磨浆洗涤水；
将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水按质量比2:5混合，采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(3)的热碱水蒸汽处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆(如腐烂秸秆)按2:7质量比混合，采用磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒即得生物质复合肥。
实验例1：方法同实施例1，区别点在于调整碱性复配酶用量比例，具体为将碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例控制为12:5:2，总用量是100IU/mL。
实验例2：方法同实施例1，区别点在于调整碱性复配酶用量比例，具体为将碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例控制为11:4:1.5，总用量是100IU/mL。
实验例3：方法同实施例1，区别点在于将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比控制为2：1。
实验例4：方法同实施例1，区别点在于将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比控制为1：6。
实验例5：方法同实施例1，区别点在于将残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆的质量比控制为2:1。
实验例6：方法同实施例1，区别点在于将残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆的质量比控制为1:3。
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3-6成浆物理性能同实施例1。
表1不同方法生物机械浆的性能测定
Figure BDA0002877788010000101
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制备生物质复合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均使得玉米生物量增加，其中以实施例1效果最佳。
表2
Figure BDA0002877788010000102
Figure BDA0002877788010000111
(2)小麦盆栽试验
将实施例1、实验例1-6制备生物质复合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 8.69 -
实施例1 10.52 21.1
实验例1 9.47 9.0
实验例2 9.32 7.2
实验例3 9.86 13.5
实验例4 9.79 12.7
实验例5 9.59 10.4
实验例6 9.21 6.0
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，本申请实施例1制备的生物质复合肥其贮藏稳定性最高，优于实验例1-6制备的生物质复合肥。
表4
实例 剪切力(N) 防结块率(％)
实施例1 27.51 63.1
实验例1 38.57 48.3
实验例2 41.72 44.1
实验例3 49.34 33.9
实验例4 45.29 39.3
实验例5 35.25 52.8
实验例6 42.83 42.6
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74.62N。
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。

Claims (10)

1.一种禾草秸秆制备生物机械本色浆及副产物全利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)把物理挑选除尘后的风干禾草秸秆切成3-6cm长的备用原料；并将不能作为备用原料的秸秆进行收集；
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:4-1:8W/V的液比对禾草秸秆进行碱性复合酶作用处理，在处理过程，添加KOH，使得禾草秸秆的pH值在7-14，处理时间控制在30-90min；收集酶碱共处理阶段产生的废水；
(3)将步骤(2)处理的禾草秸秆取出，用温度80-120℃的热碱(KOH)水蒸汽进一步处理；
(4)将步骤(3)处理后的禾秸秆进行一段或多段磨浆，使其打浆度在25-55°SR；
(5)磨浆后进行水洗，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；收集磨浆洗涤水；
将酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(3)的热碱水蒸汽处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆混合调酸制肥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所用碱性生物复合酶为碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶三种酶的复配酶，总用量是30-120IU/mL；其中，碱性木聚糖酶、碱性纤维素酶、碱性果胶酶的酶活比例为0～12:0-5:0～3，酶均不取0，进一步优选为8～10:3～4:2～3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)添加KOH的用量为0.5％-3％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)处理温度为45-60℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)热碱蒸汽处理时间为10-60min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述热碱水pH值9-14。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，酶碱共处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比为2～5：5～10；
所述残渣与步骤(1)中不能作为备用原料的秸秆的质量比为5～7:1～2；
调酸制肥具体工艺为：向其中加入磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒即得。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述禾草为麦草。
9.权利要求1-8任一项所述方法制备得到的机械浆和/或肥料。
10.权利要求9所述机械浆在制备原色包装纸、纸基材料中的应用和/或肥料在促进作物生长中的应用。
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