造纸工业中生物酶在废纸脱墨中的应用与研究.docx
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造纸工业中生物酶在废纸脱墨中的应用与研究
造纸工业中生物酶在废纸脱墨中的应用与研究
[摘要]生物酶废纸脱墨具有活性高、用量小、脱墨效果好、反应快、作用时间短的特点,适用于各种废纸的脱墨。
油墨与纤维分离彻底,脱墨浆白度高,尘埃少。
脱墨废水污染小,有利于环境保护。
生物酶脱墨剂已在国内许多厂家得以成功应用。
关键词：
废纸生物酶脱墨
一、社会意义：
随着环境、资源和能源的日趋紧迫,二次纤维在世界范围内已经成为制浆造纸工业一种重要的纤维来源。
废纸的再生,被称之为"城市里的森林工程",利用1t废纸,可生产约0．8t再生浆,可替代约3～4m3的木材,可节省约1．2t媒,600KW．h电,100t水,同时减少了有毒废物的排放。
所以说,废纸的利用不仅可以保护森林资源,减少环境污染,降低水、能源和化学药品的消耗,而且还可以降低纸和纸板的生产成本。
[1]
为了除去废纸中的杂质,特别是油墨,提高废纸的品质。
研究废纸脱墨的机理并寻求有效的解决办法,做好促进废纸脱墨的发展,在造纸工业中有着非常重要的意义。
人们在对传统的机械、化学方法研究的同时,也开始了生物技术的应用的研究。
传统的化学脱墨法存在很多的弊端,如脱墨后的成浆细小纤维含量高,滤水性能差；纤维结合力低,导致成纸物理强度等主要指标下降。
近年来,造纸工作者一直在寻找一种脱墨效果更好的方法,生物酶脱墨是当今国内外废纸回用研究的热点之一。
[2]
酶法脱墨作为一种新的造纸生物技术,国内外大量的研究结果表明"。
和化学脱墨法相比,酶脱墨工艺在降低能耗、生产成本和水污染负荷具有明显的优势。
脱墨浆在获得理想脱墨效果的同时,比传统化学法脱墨浆具有更好的物理性能,良好的可漂性和滤水性。
[3]生物酶脱墨还有很多优势,如消除油墨障碍,提高脱墨浆的产品质量,降低生产成本,有利于环境保护,而且工艺简单。
酶脱墨过程是一种环境友好的废纸回用技术,可以改进制浆造纸的生产,在环保压力和造纸工业可持续性发展的空间里,进一步深入研究酶脱墨的机理,发展低污染的酶法脱墨,并使酶法脱墨工艺能够更快、更好的全面应用于生产,无疑会加快造纸业的技术进步,促进造纸工业的发展。
[4]
二、技术背景：
许多学者根据自己的实验结果提出了酶脱墨的一些推测性假说,有酶水解说、机械摩擦说、间接作用说等不下6种,但目前尚未有足够的证据能说明酶是如何作用于纸浆纤维的,以及它们通过作用于纤维网络的什么位点促进了脱墨的进行,因此在废纸的循环利用过程中,酶法脱墨机理尚不完全清楚。
学者们从不同的角度来考虑,选择并尝试了许多种不同的生物酶制剂用于废纸的脱墨过程,并对其脱墨效果作比较。
在脱墨工艺上取得了阶段性的成果。
1、什么是生物酶。
酶,或称生物酶,是具有四维结构的高分子活性物质,是活体生物细胞产生的具有催化活性的蛋白质。
不同于其它蛋白质,它有催化生物化学反应的活性,还与一般的催化剂不同,它的化学本质是蛋白质,主要由二十种氨基酸组成,主要特点有：
．易受到与酶接触的环境条件的影响,高温、过酸或过碱的条件都会使酶变性而失去活性；
．酶对所催化的物质具有高度专一性,一种酶只对一种或一类物质进行反应；
．酶催化效率高,可比一般催化剂高10～10-o,在体系中可以有效地降低反应的活化能,加快反应速度。
[5]
2、脱墨工艺上使用的生物酶种类
在脱墨工艺试验中常用的酶制剂有纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶、果胶酶和漆酶等。
纤维素酶、半纤维素酶、漆酶、果胶酶和淀粉酶都是从回收纤维中所含成分出发,目的是利用酶的高效专一性来直接作用于纤维中的某些具体成分,以减弱纤维与油墨之间的连接,达到分离净化纤维的目的,而脂肪酶则是与纸张中印刷的油墨直接发生作用,使其润湿、分解退色而脱落,与纤维分离。
[4]
纤维素酶和半纤维素酶
目前,在所有酶法脱墨研究中,纤维素酶和半纤维素酶使用最多,经比较脱墨效果也最好,还能改善废纸浆的滤水性能,提高其游离度。
很多微生物可以生产纤维素酶,是利用微生物发酵而得,主要来源于细菌、放线菌和真菌。
目前的脱墨研究中,纤维素酶已大量应用于废新闻纸、彩色胶印新闻纸、废旧书刊杂志纸、办公废纸、激光和静电复印纸等的脱墨,生产高质量的浆。
半纤维素酶主要使用聚木糖酶,很少使用聚甘露糖酶。
半纤维素和纤维素不同,它不是一种物质,而是一群物质的统称,每种半纤维素又由多种单糖组成。
半纤维素酶与纤维素酶的混合体系,可用于不同类型废纸的脱墨,如旧报纸、混合办公废纸,与化学法脱墨相比,酶脱墨浆可改进纸的光学性能和强度性能。
淀粉酶、漆酶Laccase>和果胶酶
酶法脱墨的研究中,淀粉酶、漆酶、果胶酶使用较少。
淀粉酶主要可以分解废纸体系中含有的表面施胶剂和湿部添加剂,改进静电复印纸和激光打印纸等的脱墨效果,果胶酶的应用是为了消除废纸回收体系中大量存在的胶粘物,改善生产设备的运行性。
漆酶主要用于纸浆的漂白生产,用于废纸的脱墨过程的研究较少。
脂肪酶
脂肪酶主要来自放线菌,其作用是使植物油基印刷油墨中含有的连结料或树脂部分水解,即水解油基油墨载体,促使油墨自纤维上分离,从而提高废纸脱墨效率,有一定的可行性昀。
[5]
用生物酶脱墨剂能有效促进油墨从纤维上分离,提高碎后浆、浮选后浆料白度。
同时在一定程度上减少纤维流失,提高制浆得率。
3、生物酶脱墨与其它化学法脱墨剂脱墨的比较
从脱墨剂综合成本来看,生物酶脱墨剂为3O元／t废纸,现用脱墨剂为54．5元／t废纸,使用生物酶脱墨剂综合成本净省24．5元／t废纸。
使用生物酶脱墨剂不需添加大量的NaSiO。
和NaOH,制浆整个系统更为清洁,可以有效地防止设备和管道的严重结垢,延长设备和管道的使用寿命,减少设备和管道的维修保养费用。
脱墨的最佳工艺条件为：
浆浓10,温度5O。
C,pH为7,碎浆时间为40min,酶用量为7g。
通过实验对比,可以得出混合酶脱墨效果在相同的条件下比单一酶的脱墨效果有较大的脱墨优势。
化学法脱墨的优化工艺条件为：
浆浓1O,NaOH用量为lOmL,Na2Si03用量1Oml,两者的浓度都是2。
用量10mL,EkaRF4060CH脱墨剂用量为5mL,EkaRF4283脱墨剂用量也为5mI,同时混合使用时为1：
1,用量都为5mI,温度均为45℃,碎浆时间40min。
通过实验对比,可以得出酶脱墨效果要优于化学法脱墨效果,纸张的物理和光学性能都有一定的提高,这样不仅为工业生产降低了成本而且降低了能量的消耗及废纸污水处理的排放,减少对环境造成的污染。
这样新型的废纸酶法脱墨工艺为绿色环保生产提供了一种更高效的技术途径。
[6]
4、现今酶在废纸脱墨中的技术应用
不同的废纸可选用不同生物酶,可以用一种酶,也可以用几种酶。
〔1酶在废旧新闻纸脱墨中的应用
对废旧新闻纸,可选用纤维素酶脱墨,也可用纤维素酶和聚木糖酶脱型；其作用机理为剪切纤维束表面的细小纤维,改变纤维分子的侧链结构,剥离表面油型。
所用的酶有酸性酶、中性酶和碱性酶。
一般的工艺过程为：
碎浆<浆浓3％,10min>一酶脱墨30rain>一酶失活<100℃,5min>一浮选<浆浓0．6％,20rain>。
与化学脱墨法相比,废报纸酶脱墨疏鳃时间短、耗能少、脱墨浆易于漂白、纸浆白度高。
〔2酶在彩色印刷废旧报纸上脱墨的应用
现在发行的报纸有许多版面是彩色胶印的,特别是广告版面这些彩色胶印报纸的油墨中含有大量的颜料填充剂、干燥剂等成分．印刷密度高,用常规的化学法脱墨难以达到理想的脱墨效果和成浆质量．并对环境造成较为严重的污染,而用纤维素酶和淀粉酶的混合酶液对彩色印刷废报纸进行脱墨处理,可得到理想的脱墨效某其脱墨工艺流程如下：
ONP<彩色胶印废报纸>一碎浆一酶处<30min．50℃,浆浓6％,pH7．5>一浮选。
也有用白腐菌直接脱墨。
〔3酶在混合办公废纸脱墨中的应用
对混合办公废纸,特别是非接触印刷的办公废纸．包括静电复印纸和激光打印纸、照相打印纸,常用淀粉作为表面施胶剂或湿部添加剂。
因此,单用纤维素酶或半纤维素酶不能取得很好的脱墨效果,这时考虑纤维素酶与淀粉酶混合,可以取得较好的脱墨效果。
一般工艺过程为：
碎浆一酶处理一浮选一洗涤不同的办公废纸工艺会略有调整。
实验结果表明,淀粉酶辅助脱墨可使脱墨率提高25％～30％,可省去第二段浮选,因而可提高纤维回收率,减少用水量,节省设备投资,减少污泥及处理费用。
〔4脂肪酶在废纸脱墨上的应用
随着环境保护和印刷质量要求的提高,植物油基印刷油墨迅速发展,与矿物油基油墨相比,植物油基油墨可降解和再生,符合环境要求。
用这类油墨印刷的废纸,可以用脂肪酶来脱墨]．能够取得很好的脱墨效果。
一般工艺流程为：
碎浆一脂肪酶处理<0．1IU／g～5．0IU／g绝干浆>一浮选<浆浓一般为7．5％,在合适的pH值和温度下酶处理,再行浮选>。
废纸酶脱墨是2O世纪9O年代发展起来的一种新型脱墨方法,与化学脱墨法相比具有明显的优势：
降能耗、减污染、脱墨浆的物理强度好、白度高、尘埃度低、油墨残留少、滤水性好经实验室和工业化生产证实是一个对环境无污染、效果好、经济可行的脱墨方法。
[7]
5、影响生物酶法脱墨的因素
影响纤维素酶对废纸脱墨效果的因素有pH值、浆浓、反应温度、脱墨时间和加酶量等。
〔1pH值的影响
pH值是酶进行催化反应的主要环境条件,酶在最适pH值时其作用效果最佳。
韩国某厂进行的旧报纸酶法脱墨试验表明．酶的最佳pH值为6．0～7．0。
静电复印纸和激光打印纸脱墨用的几种酶的最佳pH值在5．0至7．5之间,且多数为5．5。
非接触印刷废纸脱墨宜在中性条件下进行。
现在,适应广泛pH值的生物酶脱墨剂已经研制成功,如格林费尔的E1600-E1690,可适应3-11的酸碱范围。
〔2浆浓的影响
美国的森林产品实验室在研究酶促脱墨时比较了碎浆浓度分别为3％、6％、12％时的脱墨效果．表明碎浆浓度越大,脱墨效果越好。
在高的碎浆浓度下,小粒径的油墨粒子增多,大粒径的油墨粒子减少,这是高浓碎浆效果好的原因所在。
〔3温度的影响
酶是具有生物活性的蛋白质,只有在一定的温度下才能发生催化反应。
温度对酶的作用有两面性,它既可以加速酶的催化反应,也可以引起酶的失活。
因此,正确控制反应温度是保证有效脱墨的重要因素。
根据应用酶法脱墨的厂家的实际运行结果,酶促反应的温度一般控制在40℃～70。
〔4酶量的影响
实验中,无论是以白度为指标,还是以残留油墨量<即尘埃度>为指标,均有一个最佳的酶用量,当加酶量小于最佳值时,随着酶用量增加,白度增加,尘埃度下降；当酶用量大于最佳值时,随着酶用量增加,白度降低,尘埃度上升。
因此．酶的最佳用量是实际生产运行中一个很重要的参数。
〔5时间的影响
随着反应时间的延长,脱墨率不断增加,与加酶量的影响类似。
反应时间在I小时左右,延长时间脱墨率增加较少,裂断长反而呈下降趋势。
对旧新闻纸生物酶脱墨剂的实验发现。
最佳反应时间为10min～30min。
[8]
6、新脱墨酶生产工艺流程
[2]
三、总结
通过查找文献资料,对当前使用生物酶法脱墨的技术研究和应用进行分析,结合其社会意义,从而确定本次课题的研究思路。
造纸工业中废纸生物酶法脱墨技术是当今热门的研究课题之一,符合当今社会可持续发展的要求。
且该方面的技术已经有部分投入实际生产中。
酶法的脱墨效果与废纸、油墨的特性、酶的类型和性质及酶法脱墨的操作条件,如酶用量、温度、时间、pH值、搅拌强度和表面活性剂等,均是酶法脱墨的影响因素。
酶用量是影响酶法脱墨的一个重要因素,考虑到脱墨的效果及酶对纤维素的降解作用,有一最佳的酶用量。
酶对pH值的变化很敏感,每种酶只能在一定限度的pH值范围内发生作用。
酶的催化作用与温度有密切的关系,超过酶的最适温度会引起酶的失活,因而引起反应速率的降低。
施胶和其它添加剂会阻碍酶和纤维的直接接触,影响酶作用的有效发挥。
酶法脱墨的机理研究较少,其机理尚未完全清楚。
但可以肯定它与纤维组成、油墨种类、印刷方式和酶的组分有关。
[9]
因此本次课题研究,主要通过生物酶法脱墨的影响因素,对酶的脱墨效果进行一个深入研究,从而确定最佳脱墨效果时的生物酶的外界条件。
同时通过平行对照试验,对酶的脱墨机理进行初步研究。
四、查找过程
首先查找资料及相关了解确定本次研究的课题为造纸工业中生物酶在废纸脱墨中的应用与研究。
通过对课题的分析,确定关键词有以下几个：
生物酶,废纸,脱墨和造纸,造纸工艺和制浆工艺是密不可分的所以将制浆也定为关键词,关键词制浆和造纸是OR关系,和其他关键词都是AND关系。
之后选择数据库,本次使用的中文数据库有CNKI、维普和万方三个数据库,外文数据库选择的是WebofScience数据库。
然后用关键词输入,通过高级检索,查找相关文献.由于本次课题比较切题,且研究范围相对比较专一,检索结果符合要求的文献每个数据库都只有十个左右。
之后对检索出来的文献进行结果分析,分别对其按照出版日期排序、被引频次排序和相关度排序,从中筛选符合要求的文献。
下载文献并阅读,根据筛选后最终的文献资料完成报告。
中文数据库
[1]生物酶脱墨的应用及其研究进展万金泉李晓敏马邕文万方数据库
[2]生物酶在脱墨生产中的应用甘毅维普数据库
[3]旧新闻纸生物酶脱墨浆用于生产涂布白纸板的研究武书彬秦涛谢国辉刘焕彬万方数据库
[4]废纸脱墨过程中生物酶制剂的选择和应用张素风维普数据库
[5]浅谈废纸回收剥用的肮墨接木胡俊王XX维普数据库
[6]生物酶脱墨剂在废纸碎浆与浮选工艺中的应用李海军王海毅邓凤伟维普数据库
[7]生物酶在废纸脱墨上的应用干均江CNKI数据库
[8]生物酶在废纸脱墨中的应用范振林CNKI数据库
[9]废纸碱性酶法脱墨研究朱凯王亮王传槐万方数据库
[10]生物酶技术在造纸工业中的应用前景广阔黄莉CNKI数据库
外文数据库
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[12]Enzymaticdeinkingoflaserprintedofficewastepapers:
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[13]LaboratoryScaleComparisonofEnzymaticVersusChemicalDeinkingofInkjetPrintedPaperMalikSuman;KansalAjay;MandhanRishipal来源出版物:
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