废弃植物纤维的资源化利用

1．前言

随着经济的高速发展，人们生活水平的提高，城市废弃植物纤维材料的处理将会成为一个严重的问题，而农业生产中的废弃物种类繁多，数量巨大，而且随着农业生产水平和农民生产水平的提高，对原来用作燃料和肥料的农业废弃物的利用越来越少，农业废弃物越来越多。这些废弃物如不经妥善处理排入环境，将会严重污染环境。同时资源的再循环、再利用和再制造变得越来越重要。从保护自然资源、节省能源和保护环境，特别是从材料科学的角度来看，材料和环境有着密切联系和相互作用的关系，材料是否具有良好的“环境协调性”，具体表现在无污染、废物量减少、可循环使用、节约能源、节省资源等等。因此，如何充分有效地处理并利用废弃植物纤维，合理利用农业资源，防治农业污染，改善环境，使这一课题研究具有十分重要的意义。

近年来，国内外农业废弃物的资源化利用技术和相关的研究项目有了较大的发展，农业废弃物的资源化利用正在进入科学化的新阶段。合理利用和推广这些技术，必将产生良好的经济、生态和社会效益。

2．废弃植物纤维资源化利用现状

农业废弃物多种多样，但按其成份，主要包括植物纤维性废弃物（农作物秸秆、谷壳、果壳及甘蔗渣等农产品加工废弃物）和畜禽粪便两大类。城市废弃植物纤维材料包括废弃术质材料和废纸两大类。废弃木质材料(包括术质人造板)指从木材采伐开始，如第一次、第二次木材加工业产出的废术质材料，运输、包装等行业废弃的术质材料；建筑、土木工程等所产生的毁坏及无用术质材料；家庭更新换代的木制品(fq、窗、家具等)等等；废纸包括各类纸张和纸板。

目前，植物纤维在微波作用下司以有效地液化，反应时间也显著缩短，即使是结晶度较高的纤维素也可充分降解；固体酸催化剂有较高的催化活性和选择性，而且可以循环利用；离子液体能使液化反应在近似均相的反应体系中进行，能高效地溶解纤维素、木质素和半纤维素，提高液化效率。农业废弃植物纤维的资源化利用主要有废物还田、加工饲料、固化炭化、气化、制复合材料、制化学品等。

2.1植物纤维性废弃物资源化利用及相应的技术

2.1.1 植物纤维预处理方法

植物纤维的预处理主要作用就是对细胞壁包覆结构的破坏，同时降低纤维素、半纤维素以及木质素之间的结合力，增加其与降解过程中的化学试剂或者微生物

以及酶的接触面积，从而达到增大其降解效率的目的。根据不同的预处理手段，可以将预处理方法分为化学法、物理法和生物法。

2.1.1.1 化学法

化学法降解是指植物纤维在化学溶剂、催化剂等的存在下在一定温度、压力下降解为液态材料的降解方法，植物纤维的降解主要分为高压降解和常压降解两种。

(1)臭氧法。臭氧法是利用臭氧将植物纤维原料中的木质素和半纤维素氧化分解成小分子。小分子产有利于生物降解中的微生物繁殖，处理剩余产物相对较

纯，便于利用；不过臭氧的能耗较高，需防止泄露。

(2)酸处理。酸处理就是将纤维素原料用稀酸在106～110℃ 条件下处理几个小时，处理后半纤维素水解成单糖进入水溶液，木质素量不变，纤维素聚合度下降。由于半纤维素的主要组成是木糖，因此稀酸处理所得产物主要含有木糖。

(3)碱处理。碱处理是指用热的或者冷的碱液(NaOH 或液氨)对纤维素原料的处理。通过对植物纤维的特点分析可知，碱处理可以有效降低植物纤维中的半纤维素和木质素，并部分降解纤维素。

化学法能较为明显地提高植物纤维的反应活性，提高降解效率；但由于其处理过程中使用化学试剂，对设备防腐要求较高，并且脱除了植物纤维中的一部分组成，不利于材料的充分利用，酸碱的加入使其预处理产物的进一步降解方法受到了限制，只适合于化学法降解。

2.1.1.2 物理法

物理预处理法包括机械粉碎、微波、超声波、高能辐射、汽爆等方法。物理处理方法处理过程中不会造成原料损失，通常不用添加其他化学试剂，对环境没有污染，处理后产物能适用于各种降解方法；但物理处理方法也存在能耗高、设备费用高等缺点。

2.1.1.3生物法

生物法是通过白腐菌等微生物对植物纤维进行预处理，经过处理后，通常植物纤维中的木质素得到有效降解，同时纤维素和半纤维素也得到不同程度的降解。植物纤维主要是微生物在酶的作用下的降解 。产物可用作燃料以替代传统燃料，植物纤维的生物降解主要包括微生物种类和相应酶的筛选。生物法即酶水解由于其降解过程中不产生任何污染物，具有绿色环保的特点，被认为是很有前景的降解工艺。生物法水解中催化水解纤维素生成葡萄糖需要多种水解酶。酶解糖化工艺中酶的消耗量大，而纤维素酶的合成需要不溶性纤维素诱导，生产周期长，生产效率低。

纤维素酶水解工艺中几个关键的问题包括酶的解吸附、不同酶的协同作用、酶的产物抑制的消除、高产纤维素酶的菌种选育和高活力与热稳定性酶的生产及酶水解工艺，这些都是未来的研究重点。生物处理法具有能耗低、条件温和等优点；但由于微生物的作用周期长，造成生产周期长，不利于实现工业化生产。

2.2废弃植物纤维的资源化利用

2.2.1废物还田

秸秆等植物纤维性废弃物退还土壤后，可以大量补充和更新土壤有机质，提供丰富的氮、磷、钾、硅等元素。同时，农作物秸秆中含有大量的木质素和纤维素，腐烂分解后可使土壤腐殖质增加，孔隙度提高，通气透水，理化性状大为改善。秸秆等植物纤维性废弃物还田的方法主要有整株还田、根茬粉碎还田和传统沤肥还田三种方法。

2.2.2饲料化利用

植物纤维性废弃物往往因其营养价值低或可消化性低，不能直接用作饲料。但如果将它们适当处理，即可大大改善其营养价值和可消化性。具体处理方法一般有以下几种：

（1）微生物处理技术：农业植物纤维性废弃物中的成分一般都能被微生物分解作用，加到动物饲料中可大大提高饲料效果。微生物处理技术就是指应用微生物工业技术，采用生物工程手段，将秸秆、木屑等农业植物纤维性废弃物加工变为微生物蛋白产品，其应用的微生物包括细菌、酵母菌及微型藻类，发酵主要有液体发酵和固体发酵两种方式。

（2）青贮法：青贮主要是利用自然的乳酸在厌氧条件下对青绿秸秆进行发酵处理。通过青贮处理可以使原来粗硬的秸秆变软熟化，增加原料的营养价值和可消化率。青贮的形式主要有壕贮、窑贮和塔贮，目前普遍采用青贮壕，此种方法取料方便、造价低。

（3）氨化法：氨化法主要是用液氨或尿素、碳氨的水溶液对切碎的秸秆等废物进行氨化处理，改善原料适口性和营养价值。

（4）热喷法：热喷技术是年代兴起的一项新技术。农业废弃物经蒸汽处理后，进行增压、突然减压、热喷处理。原料受到热效应和喷放机械效应两个方面的作用后，改变了结构，提高了消化率。

2.2.3气化利用

气化是指含炭物质在有限供氧条件下产生可燃气体的热化学转化。气化后的可燃气体可作为锅炉燃料与煤混燃，也可作为 管道气为城乡居民集中供气；将气化后的可燃气经过净化除尘与内燃机连用，取代汽油或柴油，实现能量系统的高效利用；气化后的可燃气还可进行气化发电，气化发电技术可以在较小规模实现较高的利用率，并能提高能源的档次，所以，气化发电是一个重要的发展方向。

植物纤维的转化和利用主要是酸水解、酶水解和微生物发酵。有研究表明，利用稻草等植物纤维水解、发酵制取乙醇等多羟基化合物具有广阔的发展前景。植物纤维还可用于发电，例如我国利用甘蔗渣发电能力已达170~10kW。利用植物纤维发电需要应用生物质可燃气发生装置，将传统棉秆、秸秆等植物纤维输送到燃气发生炉中，在高温缺氧环境下分解产生可燃气体，得到的气体经处理后直接输入燃气发电机中产生电能。如德国最早利用秸秆发电的Thuringian镇电站每年可处理3000吨秸秆，我国目前在海南建设了1.2MW示范电站，该电站是我国及亚洲最大的生物质气化发电系统，整体水平达到国际先进水平。

2.2.4固化、炭化利用

固化、炭化技术是将松散的植物纤维性废弃物原料压制成棒（块）状，放入炭化设备中炭化后制成生物质炭，其质量能可达3.16~3.36kJ/kg。如河北生产的DJ-A型秸秆粉碎、成型、炭化设备，每套年可处理900吨秸秆，可生产300吨成型炭、15吨焦油。

2.2.5制备复合材料

植物纤维复合材料是一种新型的绿色环保型复合材料。在国外，植物纤维复合材料己被广泛应用于汽车工业、建筑业、运输业、航空业。以椰纤维为例，该纤维是一种长纤维，具有多细胞附聚结构，除具有优良的力学性能外，耐湿、耐热和隔音性能也较好，既能作为增强体替代合成纤维用于结构材料中，也能作为热固性和热塑性树脂、橡胶、水泥等的增强材料。木纤维复合材料主要应用在建筑工程中，例如复合门窗框、扶梯、软质百叶窗。近年来，国外已把木纤维复合材料应用到铁路枕木上。

植物纤维填充改性塑料的原料，理论上任何植物纤维均可用于塑料的改性，但从实用角度来看主要是木纤维如废木屑、刨花、锯末，竹纤维如竹制品加工厂的下角料以及大量的农作物纤维如稻秆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、黄麻、芦苇等植物纤维。植物纤维填充改性聚氯乙烯，并且用经过处理的植物纤维填料来填充改性聚氯乙烯，大多数情况下材料的力学性能得到了提高。植物纤维填充改性聚乙烯。

利用农业植物纤维性废弃物可生产纸板、人造纤维板、轻质建材板等包装和建筑装饰复合材料。如以硅酸盐水泥为基体材料，玉米秆、麦秆等农业废弃物（经表面处理剂处理后）作为增强材料，再加入粉煤灰等填充料后可制成植物纤维水泥复合板，产品成本低，保温、隔音性能好：农作物秸秆纤维水泥基复合材料是一种新型的绿色环保建材产品，密肋复合墙结构是适应我国墙体改革及住宅产业化要求的产物；以石膏为基体材料，农业植物纤维性废弃物为增强材料，可生产出植物纤维增强石膏板，产品具有吸音、隔热、透气等特性，是一种较好的装饰材料。另外，以秸秆、稻壳、甘蔗渣等农业植物纤维性废弃物为原料，通过粉碎，加入适量无毒成型剂、粘合剂、耐水剂和填充料等助剂经搅拌捏合后成型制成可降解快餐具，以替代一次性泡沫塑料餐具；以农业植物纤维性废弃物为原料还可制成可降解植物纤维素薄膜，替代不可降解性塑料薄膜。植物纤维多层无钢建筑，其纤维建筑及建筑构件具有的低碳、生态、节能特。檀物纤维粪发泡材科

对农作物秸秆进行加工处理．制成植物纤维增强石膏墙体材料．可得到经济和环保的双重收益ll2]随着我国墙体材料革新工作的不断深入．人们已普遍认识到节能、节土、利废、环保工作的重要性。因此．各种以节能利废为出发点的新型墙体材料应运而生 植物纤维增强石膏复合板就是其中之一．植物纤维增强石膏复合板是以半水石膏、农作物纤维秸秆、工业废渣为原料．经半干法压制成型的新型墙体板材，玉米秸秆纤维发泡材料、农业废弃植物纤维衬垫等。

2.2.6制备化学品技术

以农业植物纤维性废弃物为原料制取化学制品，也是综合利用农业废弃物、提高其附加值的有效方法。如甘蔗渣、玉米芯、稻壳等含有1/3～1/4的多缩戊糖，经水解可制得木糖；甘糖醇渣、木糖醇渣、玉米芯、稻壳、果壳等经过炭化、活化后可制成性能很好的活性炭；稻壳可作为生产白碳黑、炭化硅陶瓷、氮化硅陶瓷的原料；秸秆、稻壳经炭化后可作为钢铁冶金行业金属液面的新型保温材料；麦草经常压水解、溶剂萃取反应后可制得糖醛，水解后的固相残渣还可造纸。另外，用甘蔗渣、玉米渣皮等可以制取膳食纤维。

2.2.7其他

根据植物纤维资源的种类，其在纺织、制浆造纸、化工、食品开发、绿色包装、农业等方面都可以合理利用。

利用农作物秸秆、棉籽皮、树枝叶等废弃物按一定比例粉碎混合可用来栽培食用菌，栽培效果好，栽培出的食用菌营养价值高。

植物纤维原料液化是一种高效的植物资源综合利用的方法。它是在适当的溶剂和催化剂作用下，将植物纤维原料转化为液体的热化学过程。液化产物可作为燃料，也可用于制造胶粘剂、模塑材料、发泡体等高分子材料。这些材料通常具有生物降解性能，具有广泛的应用前景。

农业植物纤维性废弃物还可作为治理污染的材料，如美国密西西比州的一家叫ERT的公司开发了利用棉籽加工废弃物清洁油污地面的方法；甘蔗渣经化学改性后可迅速吸附废水中的酸性物质；利用棉秆皮、棉铃壳等含有酚式羟基化学成分的废弃物经过简单的化学处理后，可制成聚合阳离子交换树脂，对重金属有明显的吸收作用。

以作物秸秆和瓦楞纸(回收纸箱)作为纤维素的主要来源，采用自由基聚合反应，将纤维素与丙烯酸及其钠盐进行接枝共聚，所得接枝共聚物用氨水中和，得到含氮的吸水保水剂

此外，以畜禽粪便、秸秆等农业废物为原料，经厌氧发酵可以产生以CH4为重要成分的沼气，可作为燃料；沼液可以直接肥田，沼渣可以用来养鱼，形成养殖与种植和渔业紧密结合的物质循环的生态模式。

3.结束语

相比发达国家，我国对于废弃物的在利用的研究以及进展还有很大的距离，但总的来说我国植物纤维资源的开发利用目前呈现良好势头。当今全球石油资源面临枯竭，原油价格波动剧烈，导致化学纤维价格过度波动。在这种形势下，必须加快我国新型植物纤维的开发与应用，推动植物纤维多功能利用和技术更新换代，实现资源可回收，再利用，多次利用的资源节约型社会。

目前整个外部环境对废弃物的资源化利用技术的研究和推广非常有利。本着“珍惜资源，有用勿弃”的原则，今后应开展更深入的控制和研究，从环保的角度出发，开发出更经济、简便的工艺技术，并且考虑有机地组合几种方法，形成一种多层次多途径的综合利用方式，以实现“零排放”利用，使经济效益、环境效益和社会效益最大限度地统一，促进农业经济持续稳定协调地发展。