非金屬礦物纖維在造紙工業(yè)應用中的環(huán)境效應

劉淑鵬，魏 芳，張小偉

（（1.石家莊經(jīng)濟學院寶石與材料工藝學院，河北 石家莊 050031；2.河北省地礦局水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021）

1 引言

紙張主要是由草漿和木漿等植物纖維構成的，需要消耗大量的森林資源，生產(chǎn)過程中還排放大量的廢液污染環(huán)境。我國既是紙張消費大國，也是造紙纖維資源短缺的國家[1]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，尋求價格低廉、環(huán)境危害小甚至綠色無污染的造紙原料，替代部分植物纖維，成為現(xiàn)代造紙工業(yè)研究的重點。

礦物復合纖維是采用現(xiàn)代粉體制備技術，將天然產(chǎn)出的白色纖維狀礦物經(jīng)纖維化超細粉碎，表面復合改性后制備的活性造紙新材料。其物理特性介于傳統(tǒng)填料和植物短纖維之間。將礦物纖維和植物纖維交織在一起，可構成新型的“植物纖維—礦物纖維”網(wǎng)狀結構，在紙品生產(chǎn)中可以替代部分植物短纖維[2-3]，市場前景十分廣闊。

我國的非金屬礦產(chǎn)資源十分豐富，用非金屬礦物復合纖維代替大量的紙漿纖維造紙可降低造紙原料成本，減少植被資源的消耗，改善造紙過程中紙漿的濾水性能，并且可提高紙張的不透明度、白度、平滑度、透氣度、尺寸穩(wěn)定性、油墨吸收性、印刷適應性及書寫適應性等[4]，同時可以減緩對森林的過度開采，具有良好的環(huán)境效應。本文針對這些礦物填料在造紙行業(yè)應用中的環(huán)境效應進行了綜述。

2 非金屬礦物纖維

造紙中常用的非金屬礦物纖維主要有：硅灰石、海泡石、水鎂石、石膏晶須等。

2.1 硅灰石

硅灰石是一種天然產(chǎn)出的鏈狀偏硅酸鈣礦物，其分子式為CaSiO3或Ca3[Si3O9]，其中SiO2含量為40%～50%，CaO含量為45%～50%，Al2O3含量為2%～5%，MgO含量為2%～5%[5]。硅灰石分為α型和β型，α型通常為粒狀或粉狀，長徑比為5∶1，β型通常為纖維狀或針狀，纖維長徑比通常為20∶1，高的達30∶1。硅灰石進行加工破碎后仍能保持良好的纖維結構，有著與植物纖維相似的特性，因此可以用其代替部分植物纖維進行復合抄紙，以降低成本。

胡琉球[6]對硅灰石礦物纖維與植物纖維復合抄紙進行了研究，提出硅灰石的添加量可以達到30%。劉淑鵬[7]對改性硅灰石和水鎂石復合礦物纖維與植物纖維進行抄紙進行了研究，通過添加CPAM改性劑使三者形成良好的網(wǎng)絡交織結構，提高了紙張的留著率。劉焱等[8]將硅灰石在針葉木漿的添加量達到了35%時，成紙強度達到了一般包裝紙的要求。在闊葉木漿中的添加量達到30%時，能滿足一般類印刷用紙和文化用紙的要求。硅灰石的使用，減少了木材的使用，降低了森林資源的采伐，保護了生態(tài)環(huán)境。

聶永俊[9]做了用硅灰石制造金黃條牛皮紙的試驗，結果表明在添加礦物纖維5%時，對牛皮紙的施膠度沒有影響，但隨著分散劑和助留劑的加入，金黃條紋牛皮紙的濃、稀白水濃度降低，顏色變淡，SS、COD都大幅度下降，降低了廢水的污染負荷，對白水回用和終端廢水處理都具有重要意義。硅灰石復合纖維的使用，減少了污染源頭，降低了污水處理的成本，符合造紙業(yè)的清潔生產(chǎn)和污染源頭治理的原則。

2.2 海泡石

海泡石是一種層鏈狀的硅酸鹽礦物，化學式為Mg8Si12O30(OH)4·8H2O，海泡石以兩種形式出現(xiàn)：①α-海泡石，以大結晶纖維束產(chǎn)出；②β-海泡石，呈非晶質(zhì)集合體或細小扁圓顆粒產(chǎn)出。海泡石宏觀外貌呈致密狀或松軟多孔狀、纖維片狀、團塊狀,具土狀或臘狀光澤。

海泡石在造紙中用于制造特種紙、印刷紙；用于涂料及抗凝聚劑以及處理廢水等。胡琉球[6]對海泡石與植物纖維復合造紙進行了研究，將分散好的海泡石和硅灰石添加到植物纖維中制造印刷紙，在保證各種性能變化不大的前提下，其添加量可達40%，大大節(jié)約了木材，保護了森林，具有較好的環(huán)境效益。

在造紙工業(yè)中排放的廢水含有大量的有害物質(zhì)，對環(huán)境危害極大[10-11]，海泡石優(yōu)越的吸附能力使其在造紙工業(yè)廢水處理中效果顯著[12-13]。Balci等[14]研究發(fā)現(xiàn)，海泡石纖維在室溫下即可通過結構孔道內(nèi)的沸石來吸附氮氧化合物、氨氣以及水蒸氣，且效果顯著。王春智等[15]對海泡石處理脫墨廢水進行了初步研究，結果表明，經(jīng)高溫或酸活化后的海泡石處理脫墨廢水，可使廢水中的CODcr去除率達80%以上。謝治民等[16]制備了TiO2/海泡石催化劑，并且用其處理印染廢水，活性艷蘭的去除率達到90%以上，海泡石用于造紙印染脫墨廢水研究具有很好的發(fā)展前景。武蘭芳等[17]通過對海泡石纖維和針葉木纖維配抄食用油濾紙進行研究后表明，食用油濾紙強度在海泡石與針葉木漿配比為3∶7 時最高，用食用油濾紙過濾豆油后發(fā)現(xiàn)，過濾后的豆油清澈透明，脫色率達45.7%；紅外光譜分析結果表明，過濾前后的豆油紅外光譜譜圖基本吻合，這說明過濾時豆油中的營養(yǎng)成分沒有被海泡石吸附，海泡石不會造成豆油營養(yǎng)物質(zhì)的流失。因此海泡石在造紙工業(yè)中的應用，其環(huán)境效益非常顯著，今后可以加大開發(fā)利用。

2.3 纖維水鎂石

纖維水鎂石是一種罕見的天然水鎂石礦，它具有優(yōu)良的力學性能、抗剪性能、水分散性能和環(huán)境安全性能。水鎂石是一種新型的并且具有很高經(jīng)濟價值的高鎂礦物資源，已經(jīng)受到國內(nèi)外的廣泛關注。

董發(fā)勤等[18]首次對纖維水鎂石進行了抄紙試驗，取得了良好效果，為水鎂石今后的研究奠定了基礎。由于纖維水鎂石帶有正電荷，與帶有負電荷的植物纖維復合抄紙時，將會提高紙張的留著率，減少了對水環(huán)境的污染。劉淑鵬[7]對水鎂石的分散性能進行了研究，并將水鎂石與植物纖維復合，在紙張性能影響不大的情況下使其添加量達到30%，其留著率為85%。因此，纖維水鎂石用于造紙，可減少對水的污染，并且可節(jié)約大量的植物纖維，降低森林的損耗，在保護生態(tài)環(huán)境方面具有重大意義。

根據(jù)水鎂石的特性，還可用其制造防火紙、防水紙、耐高溫紙等特種紙，因此，纖維水鎂石用于阻燃紙的前景十分廣闊。

2.4 石膏晶須

石膏晶須又稱石膏纖維、纖維硫酸鈣，化學式分子式為CaSO4[19]。石膏晶須是以天然石膏礦物為原材料，經(jīng)過人工控制轉(zhuǎn)晶、干燥、改性等工藝制成的二水硫酸鈣，半水硫酸鈣和無水硫酸鈣纖維狀單晶體[20]。

石膏纖維廣泛應用于造紙原料，不但可以取代填料，也可以部分或全部代替紙漿，用于生產(chǎn)各類工業(yè)紙張。劉焱等[21]提出了石膏晶須可改善工業(yè)包裝紙強度性能，其石膏晶須的加填量為35%時紙頁各項強度指標最佳。不僅提高了工業(yè)包裝紙的強度，又節(jié)省了植物纖維，解決了工業(yè)包裝紙難以降低漿耗的問題。

盧振華等[22]針對磷石膏晶須的特性，將其添加到針葉木漿和漂白麥草漿中進行紙張抄造。研究發(fā)現(xiàn)，加填磷石膏晶須可有效提高紙張的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)等，尤其是添加量為30%時，紙張的物理強度性能和填料留著率最高。因此，白度高、成本低的磷石膏晶須作為填料應用于造紙，在造紙行業(yè)和環(huán)境保護方面將具有很大的市場潛力。

3 結語

我國擁有豐富的非金屬礦物資源，非金屬礦物纖維用于造紙工業(yè)，不僅會降低造紙業(yè)的生產(chǎn)成本，減少對進口紙漿的依賴，而且可以減少我國木材的用量，從而減少森林的砍伐面積，保護生態(tài)環(huán)境。非金屬礦物纖維在處理造紙廢水方面也具有較好的發(fā)展前景，因此，對我國的生態(tài)環(huán)境保護意義重大。

[1]黃斌潤.我國廢紙回收利用現(xiàn)狀與展望[C]∥中國造紙年鑒,北京:中國輕工業(yè)出版社,2005:220.

[2]ASKIN A, TOPALOGLU D, YAZIC I. Surface characterization of sepiolite by inverse gas chromatography[J]. Original, 2005,61: 625-631.

[3]孫立金,黃繼嬌,劉娟娟,等.礦物復合纖維和碳酸鈣與植物纖維的抄紙性能對比研究[J].造紙科學與技術,2009,28(5):57-61.

[4]沈靜,宋湛謙,錢學仁.造紙?zhí)盍瞎こ碳靶滦吞盍系难芯窟M展[J].中國造紙學報,2007,22(4):113-119.

[5]李靜,高玉杰,任繼春.造紙工業(yè)中可利用的非金屬礦物[J].國際造紙,2003,22(4):41-44.

[6]胡琉球.造紙用非金屬礦物與植物復合纖維制備與性能研究[D].武漢:武漢理工大學,2004.

[7]劉淑鵬.纖維水鎂石與硅灰石在造紙工業(yè)中的應用試驗研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.

[8]劉焱,于鋼.木漿添加硅灰石的效果[J].紙和造紙,2009,28(6):10-12.

[9]聶永俊.礦物復合纖維在造紙中的應用研究[D].南京:南京林業(yè)大學,2005.

[10]ALI M, SREEKRISHNAN T R. Aquatic toxicity from pulp and paper mill, effluents: A review[J]. Advances in Environmental Research, 2001(5):175-196.

[11]DIEZ M C, MORA M L, VIDEALA S. Adsorption of phenolic compounds, and colour from bleached kraft mill effluent using allophonic, compounds[J]. Water Research, 1999, 33(1): 125-130.

[12]BAJPAI P, BAJPAI P K. Mini review: Biological color removal of pulp and paper mill wastewaters[J]. J Biotechnol,1994, 33: 211-220.

[13]JAIN C K, SHARMA M K. Adsorption of cadmium on bed sediments of river hindon: adsorption models and kinetics[J].Water Air and Soil Pollution, 2002, 137: 119.

[14]BALCI S, DINC Y. Ammonium ion adsorption with sepiolite:use of transient uptake method[J]. Chem Eng Process, 2002,41: 127-133.

[15]王春智,高玉杰,李魁偉.海泡石處理脫墨廢水的初步研究[J].中國造紙學報,2007,22(2):39-42.

[16]謝治民,陳鎮(zhèn),戴友芝.TiO2/海泡石催化劑的制備及其對印染廢水的處理[J].環(huán)境科學與技術,2009,32(5):123-127.

[17]武蘭芳,王春智,高玉杰.海泡石配抄食用油濾紙的研究[J].上海造紙,2008,39(2):35-40.

[18]董發(fā)勤,萬樸,盼兆槽,等.纖維水鎂石(FB)應用礦物學研究[M].四川:科學技術出版社,1997:115-143.

[19]李鴻魁,李新平,王惠琴,等.紙漿打漿度對石膏微纖維紙增強效果的影響[J].中華紙業(yè),2005,26(8):35-37.

[20]劉焱.硅灰石與石膏晶須用于工業(yè)包裝紙的加填研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學,2010.

[21]劉焱,于鋼.利用石膏晶須改善工業(yè)包裝紙品質(zhì)的研究[J].中華紙業(yè),2010,31(16):27-32.

[22]盧振華,高玉杰,劉紅娟,等.磷石膏晶須在造紙中應用的初步研究[J].天津科技大學學報,2010,25(5):35-44.