互花米草纤维与造纸污泥混合制作污泥纤维板

覃佐东，金磊磊，王建华，陈集双

(1 南京工业大学 生物资源工程研究所，南京 210009;2.浙江永泰纸业集团股份有限公司，富阳 311421)

纤维污泥(1种富含纤维的工业污泥)是常见的生物固体废弃物，主要在造纸、纺织、皮革等生产与加工的过程中产生，纤维污泥任意排放将会带来严重的环境污染问题。造纸纤维污泥主要是制浆和造纸中段的废水先除去较大的杂质与漂浮物后，再进一步除去悬浮物，而产生的沉淀物［1］，其主要组分为细小纤维、木质素及其衍生物和一些有机物［2］。为了解决污泥处置过程中的污染问题，国内外研究人员在污泥资源化方面做了许多研究，如土地化利用、焚烧产物利用、回收制备各种材料等，总体显示出较好的经济价值［1］。用造纸污泥作为建筑原料，可以用来制造如砖、水泥、陶粒和纤维板材等［2－4］。

活性污泥中蛋白质经变性作用而形成活性污泥树脂(又称蛋白胶)，利用这一特性，污泥经过脱水、加热、干燥，再通过与漂白和脱脂处理过的废纤维等复合、添加胶黏剂和增塑剂等处理，压制成纤维板材。刘贤淼［5］、王传贵［6］等利用脱墨污泥为原料，发现以脲醛树脂或酚醛树脂为胶黏剂制造造纸脱墨污泥纤维板，纤维板的性能与污泥原料的颗粒大小、纤维板密度、时间、温度和施胶量(脲醛树脂、酚醛树脂)等工艺参数有关。进一步利用木纤维作为增强材料，发现当木纤维在分层中含量达到50%时，脱墨污泥酚醛树脂纤维板的各项力学性能指标都能符合国家标准的要求［7］。菲律宾科研人员开发出利用制浆和造纸废水中沉淀下来的含纤维污泥生产木质水泥板的技术，降低了生产成本［2］。丹麦FullCirdep Roducts公司开发了脱墨污泥制高质量建筑板材的方法，直接用于建筑和装修工业，在这个过程中不需要用胶黏剂［8］。

秸秆生物质资源包括农作物秸秆和农业加工剩余物、互花米草属类外来入侵植物及林业加工剩余物等，具有可再生性、低污染性及广泛分布性等特点。我国作为农业大国，稻谷、小麦和玉米等农作物秸秆资源极其丰富。2010年全国秸秆理论资源量为8.4亿t，可收集资源量约为7.0亿t，秸秆综合利用率达到70.6%，其中作为人造板、造纸等工业原料量约0.18亿t，占秸秆综合利用中的2.6%，尚有较大综合利用空间［9］。

互花米草(Spartina alterniflora)广泛分布在我国沿海滩涂，是我国最早公布的16种入侵植物之一。虽然它在沿海促淤造陆方面的作用功不可没，但由于其“疯狂生长”，已经严重影响了沿海生态环境。笔者利用互花米草长纤维、纺织纤维与造纸污泥复合生产工业用板材，并进行板材的性能检测，比较分析植物秸秆纤维、纺织纤维等长纤维对造纸污泥纤维板性能影响，以期探求含纤维污泥、植物秸秆纤维资源的综合低碳工业化加工利用方法。

1 材料与方法

1.1 材料

造纸污泥取自浙江永泰纸业集团股份有限公司(pH 6.5，污泥质量浓度150 g/L)，纺织纤维和互花米草纤维由笔者所在实验室保存。

1.2 设备

碎浆机(山东省诸城市旭日东机械有限公司，60 kW)，造纸机(浙江省富阳市广铭造纸机械有限公司，120#)，整形烘干机(浙江省富阳市广铭造纸机械有限公司，350#)，切边机(浙江省富阳市广铭造纸机械有限公司，100#)，YT-N-135型耐破度测定仪(杭州研特科技有限公司)，PRT型硬挺度测定仪(杭州轻通博科自动化技术有限公司)和BSA224S电子天平(Sartorius公司)。

1.3 纤维板加工工艺流程

将互花米草长纤维、纺织纤维、废纸浆分别与污泥浆混合制浆，混合比例按照2∶3(干质量比)进行添加，其中纺织长纤维与互花米草长纤维的长度选择0.5 mm～3.5 cm。水力碎浆机碎浆，浆料经流浆箱过圆网，在高效120污泥纸机上进行压滤抄板，经液压烘干，切纸打包即可制成3种纤维板:互花米草纤维板、纺织纤维板和废纸浆纤维板。污泥纤维板生产的具体流程见图1。

图1 污泥纤维板生产流程示意Fig.1 Production process of sludge fiberboard

1.4 不同纤维板的性能测定

对相同工艺参数下，对制得的3种污泥纤维板进行硬挺度、耐破度、密度、含水率和吸水性能测定。

1.5 不同纤维板的扫描电镜(SEM)表征

对相同工艺参数下，制得的3种污泥纤维板表面和内部纤维构成进行扫描电镜表征。

2 结果与讨论

2.1 利用长纤维与污泥复合制作纤维板

成浆池中测得 pH为6.5，浆浓度2.5%，打浆度为26°SR。抄板湿坯按照130 cm×100 cm×2.8 cm的规格进行生产，制成湿坯产品单质量为4.58 kg/只，经烘干整形后获得产品干质量为2.10 kg，产品厚度为1.5 mm，计算得到湿坯含水率为45% ±5%。

互花米草纤维板、纺织纤维板和废纸浆纤维板，如图2所示。

图2 3种污泥纤维板产品示意Fig.2 Schematic diagram of three sludge fiberboards

2.2 污泥纤维板的检测与分析

对互花米草纤维板、纺织纤维板和废纸浆纤维板的密度、硬挺度、耐破度、吸水性、含水率理化性能检测结果如表1所示。

表1 3种污泥纤维板的性能指标Table 1 Performance indicators of three sludge fiberboards

由表1可知:互花米草纤维板的密度为976.4 kg/m3，硬挺度为 134.5 mN·m，耐破度为 0.79～0.82 MPa，3项指标与其他2类比较数值最高。同时，互花米草纤维板的吸水性为31 g/(m2·min)，能相比最低，仅含水率比纺织纤维板略高;废纸浆纤维板的各项性能指标最差。综合可知:在本制板工艺流程下，互花米草纤维板的性能指标优势明显，废纸浆纤维板的性能最差。

造纸污泥所含的纤维较为细小，而互花米草纤维、纺织纤维的纤维较长，纤维比表面积相对较高，将其与造纸污泥混浆复配达到了“钢筋+水泥”的效果，起到骨架的作用，从而较好地将造纸污泥浆平面化成型。植物纤维相较纺织纤维的长度长，且硬挺度高，因而可使得互花米草纤维板的性能较之纺织纤维更好。废纸浆经过制浆后纤维大部分已经破碎变短，比表面积变小，与造纸污泥复配后，复配效果没有其他两者好，制成的纤维板性能最低。

2.3 纤维污泥板的扫描电镜观察结果

对互花米草纤维板、纺织纤维板和废纸浆纤维板进行TM-1000型扫描电镜(日立公司)分析，结果如图3所示。

由图3可知:废纸纤维板表面可见压扁的杆状物，在100倍下可见许多不规则颗粒物和杆状物组成，结构酥松，有空隙，其内部可见许多长条杆状物和不规则颗粒物，结构较表面酥松。纺织纤维板表面可见明显压扁的杆状物，结构酥松，有空隙，其板内部多为杆状物，较表面无大差异。互花米草纤维板表面可见明显压扁的杆状物，在100倍下观察，较纺织纤维板表面致密，其板内部多为杆状物，表面较酥松。

图3 3种纤维污泥板的SEM照片Fig.3 SEM images of three fibers sludge plates

3 结论

本研究创造性地利用互花米草纤维(“钢筋”)、纺织长纤维(“钢筋”)对造纸污泥(“水泥”)进行复配改性，利用纤维成型过程中羟基与羧基脱水缩合，再经过抄板/压滤/烘干整型工艺制成环保污泥纤维板，生产过程无需添加任何胶粘剂等助剂，是对含纤维污泥制造纤维板的可行性应用，具有一定的实践指导性。检测分析，利用互花米草纤维与造纸污泥复配加工的纤维板，与纺织纤维和废纸浆复配造纸污泥的纤维板在硬挺度、耐破度、密度和吸水性能指标上具有明显的优势。同时利用扫描电镜观察了3种板材的表面与内部结构，发现互花米草纤维板在100倍下，较纺织纤维板、废纸浆纤维板表面更致密，进一步证实互花米草纤维板的机械性能更优。

秸秆生物质在本研究中得到了综合利用，解决了当前秸秆生物质单一成分使用、效率不高、易造成环境污染的国际难题，为农业秸秆的工业化利用提供了示范作用。

［1］ 韩卿，李清林.造纸污泥处理及其资源化利用技术［J］.天津造纸，2011，2:59-63.

［2］ 张淑玲，柳桐，王磊.造纸污泥资源化利用［J］.天津造纸，2009(3):14-17.

［3］ 刘贤淼，江泽慧，费本华.造纸脱墨污泥制造纤维板研究［J］.应用基础与工程科学学报，2011，19(1):104-111.

［4］ 张伟.浅谈污泥的综合利用［J］.技术与市场，2012，19(3):86-87.

［5］ 刘贤淼，江泽慧，费本华.造纸污泥材料资源化利用研究进展［J］.世界林业研究，2009，22(2):50-55.

［6］ 王传贵，江泽慧，刘贤淼，等.造纸污泥制造纤维板研究［J］.中国造纸，2009，28(6):76-77.

［7］ 刘贤淼，江泽慧，费本华，等.木纤维增强造纸污泥板的研究［J］.材料导报，2010，24(15):418-420.

［8］ 吴香波，谢益民.废纸造纸污泥处理与处置技术［J］.江苏造纸，2008(3):40-44.

［9］ 国家发展改革委，农业部，财政部.关于印发“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案的通知(发改环资［2011］2615号)［EB/OL］.［2012-09-12］.http:∥www.gov.cn/zwgk/2011-12/20/content_202427%htm.