Study on Clean and High-value Utilization of Cotton Straw Resource Transformed into Pulp and Fertili

Abstract

我国每年产生大量的棉秆废弃物，大部分被遗弃和焚烧，造成环境污染。同时我国造纸行业制浆黑液污染严重，传统的黑液治理方法成本高。肥料行业存在养分利用率低和肥料品种单一等问题。本文针对这一系列资源和环境问题，基于秸秆化学多组分的特点，提出对棉秆采用钾碱进行制浆得到纸制品，同时将含钾黑液低成本转化为腐植酸肥料和缓释肥料的新技术体系。该技术彻底消除了黑液污染，改善了肥料结构，实现了棉秆的清洁高值化利用。本文进一步又提出了棉秆资源的循环经济利用模式，并从技术、经济、环境、行业和社会等多层面对其进行详细而综合的评价。本文对深入研究秸秆资源的清洁利用具有重要的研究价值，为其他秸秆的高效利用提供了新思路。 本文主要得出如下结论： 1. 通过对全棉秆KOH制浆工艺参数的优化，确定最佳工艺条件为：KOH 25%，亚硫酸铵2%，液固比6:1，最高温度170℃，保温时间120 min，蒽醌0.1%。最终纸浆得率为48.7%，kappa值为16.4，制得的瓦楞原纸符合国家标准的要求。棉秆KOH制浆过程中木质素的脱除可分为初期脱木素阶段、大量脱木素阶段和补充脱木素阶段等三个阶段，钾碱可有效地降解木质素中愈创木基和对羟基木基等基团。通过对全棉秆KOH制浆体系的反应动力学研究，得到动力学方程。棉秆的活化能为60.42 kJ/mol。 2. 通过对黑液转化为腐植酸肥料各种影响因素的研究，确定了以尿素、磷酸二铵和氯化钾为氮磷钾原料，硫酸为中和酸，微量元素1‰，柠檬酸作为螯合剂，总养分含量为24%的最佳配方。制备得到的腐植酸肥料符合行标《含腐植酸水溶肥料》的要求。棉花盆栽和小区试验表明，腐植酸肥料可促进棉株生长和发育，提高棉花产量14.8％，肥料的最适施用量是1800 kg/hm2。腐植酸肥料可以使养分在土壤深层较均匀地分布，并能降低叶片的蒸腾速率，提高叶片的保水力和CAT活力，从而明显增强棉株的抗旱能力。 3. 提出“多膜控释”制备技术，以钾碱木质素为主要包膜材料来制备木质素缓释肥料，确定最优工艺参数为木质素15%，棕榈蜡5%，大豆油1.5%，PAM 0.03‰。制得的肥料达到国标《缓释肥料》的要求。由最佳参数制得的木质素缓释肥料的养分释放曲线为典型的“S”型，与植物对养分的需求规律一致，其养分释放率随温度和pH值的升高而增大。缓释机理研究表明，包膜量较低的缓释肥料养分释放呈现“崩溃”机制，而包膜量较高的缓释肥料养分释放表现为“扩散”机制。棉花试验结果表明，与复合肥相比，木质素缓释肥料可明显促进棉花在各生育期的生长，棉花可增产16.7%。木质素缓释肥料的氮和磷的利用率分别达到52.1％和39.5％，通过减缓养分释放有效提高了养分利用率。木质素缓释肥料具有包裹材料廉价、可完全降解、养分利用率高等优点。 4. 通过对棉秆钾碱制浆工艺参数的放大实验，确定了液固比、升温程序等中试最优参数。建成了日处理棉秆5吨并联产纸浆和腐植酸肥料的中试生产线。中试研究表明，全棉秆制得的瓦楞原纸符合国标要求，腐植酸肥料符合农业部行标要求。腐植酸肥料经3.3 hm2棉花大田应用后，可促进植株生长，棉花增产13.4%。研究结果说明棉杆转化为肥料和纸浆的清洁生产技术是成熟可行的