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植物纤维预处理与降解方法
植物纤维预处理与降解方法【1】
摘要：指出了植物纤维含有大量纤维素,是世界上最大的可再生资源,但目前大部分作为废弃物处理造成了资源浪费。
探讨了植物纤维结构特点、植物纤维的预处理方法和降解的主要手段等,提出了预处理方法和降解方法的合理选择是有效地资源化利用植物纤维的关键。
关键词：植物纤维;预处理;降解
1引言
随着社会的进步与发展,对石油的需求量大增,使得能源需求矛盾激化,石油的价格激增,而且由于化石能源的不可再生性,迫切需要开发新的能源来替代。
作为生物质能的重要组成部分,植物纤维由于其所拥有的可再生性、来源广泛、价格低廉的特点,使其开发利用成为化石能源的理想替代品原料。
植物纤维中的纤维素等成分是当今世界上最丰富的可再生高聚物,是植物通过光合作用而合成得到的,广泛存在于大自然中,每年植物经光合作用产生的物质达上千亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10~20倍,远超每年的石油产量,但目前的利用率还不到3%[1]。
当前植物纤维的利用的主要瓶颈在于植物纤维的预处理技术和降解工艺的优化。
2植物纤维的特性
植物纤维是构成天然植物的重要组成部分,植物纤维中蕴含的能量属于生物质能,是一种可再生能源,同时也是唯一一种可再生的碳源。
纤维素工业主要的纤维素原料是棉花、木材、禾草类植物和韧皮类植物等[2]。
(1)植物纤维是由细胞壁包裹着的空心腔体。
植物纤维是由细胞壁组成,细胞壁上的主要化学成分就是纤维素。
植物细胞之间有纹孔对,纹孔是植物把水分、养料以及通过叶绿素进行光合作用后的产物不间断地输送到需要的部位的通道[3]。
可以认为一根成熟植物纤维就是一个由细胞壁包裹着由其上的纹孔对与其它纤维连同的空心腔体。
(2)植物纤维的主要成分之间互相缠结在一起。
根据纤维素化学的观点可知,植物纤维的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素[3]。
由于纤维素、半纤维素和木质素都存在大量氢键,使植物纤维中的纤维素被木质素和半木质素以及果胶等牢固的粘接在一起,木质素和半木质素将纤维素包覆在其编织的复杂网络中,溶剂不能顺利的浸入到植物纤维内部,与纤维素、半纤维素和木质素的有效接触面积有限。
(3)植物纤维的主要成分的反应活性不一。
纤维素是由葡萄糖单元通过β-1,4糖苷键连接而成的线性高分子化合物。
纤维素分子上含有大量的苷羟基和仲醇羟基,这为纤维素的降解提供了可能;纤维素分子内和纤维素分子之间都存在氢键结合,纤维素分子链中有一部分是以结晶形式存在的,是纤维素Ⅰ型,结晶的存在增加了纤维素降解的难度[4]。
半纤维素是植物纤维中除了纤维素和果胶之外的全部碳水化合物,是在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液,在酸性溶剂中的溶解度远大于纤维素的那部分多糖[5]。
半纤维素具有亲水性能,容易润胀,可赋予纤维弹性。
木质素是有苯丙烷类结构单元组成的复杂化合物,具有使细胞相连的作用,主要存在于木质化植物的细胞中,具有使细胞相连的作用,在植物组织中具有增强细胞壁及黏合纤维的作用,强化植物组织,在酸性溶剂中难以水解较易溶于碱液的相对分子质量较高的物质。
其化学结构中共有3种基本结构,即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构[6]。
3植物纤维的分解
通过以上分析可知,细胞壁的存在严重制约了植物纤维的降解效率,因此,为了提高植物纤维的降解效率,有效利用植物纤维,就需要对植物纤维进行预处理。
植物纤维的分解主要可以分为预处理和降解两个过程。
3.1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。
3.1.1化学法
(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。
小分子产物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。
3.1.2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。
机械粉碎是指通过机械方法(如球磨、振动磨等)将植物纤维原料进行粉碎处理。
通过机械能使植物纤维发生断裂,并使纤维素与木质素之间的结合变弱,乃至分离。
超声波、高能辐射等方法是通过超声波或者高能射线辐射对植物纤维进行处理,使纤维素分子中的氢键得到破坏,有效降低纤维素的结晶度,同时使纤维素、半纤维素以及木质素之间的结合力下降,变成松散的结构。
微波法、汽爆法等是指在微波或者高温高压的条件下使植物纤维细胞壁内的水分汽化[7],并与细胞壁内的空气形成高压冲出细胞壁上的纹孔对,由于纹孔对的微细,来不及瞬间完全释放,造成细胞壁的爆裂,使纤维素、半纤维素以及木质素之间的连结变得疏松,降低纤维素的结晶度。
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。
3.1.3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[8]。
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。
3.2植物纤维的降解方法
植物纤维降解的方法主要有生物降解、化学降解等。
3.2.1生物降解
植物纤维的生物降解主要是微生物在酶的作用下的降解[7]。
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。
植物纤维中纤维素的生物降解大部分都是微生物作用的结果,主要降解途径为基于水解酶的作用,大多为内葡聚糖酶或外葡聚糖酶或类似的酶,主要有外切酶、内切酶和β-糖苷酶,有些酶可能也会裂解成不同种类的多聚碳氢化合物。
降解纤维素的主要参与者是纤维素酶类型的水解酶复合物。
这些酶主要由真菌形成。
半纤维素的降解酶的种类主要有木聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶、阿拉伯半乳糖酶和木葡聚糖酶等多种酶,参与木质素降解有关的酶主要有木植物过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等。
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。
3.2.2化学降解
植物纤维化学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)植物纤维高压降解技术是指在溶剂的存在下,反应条件为:温度200~400℃、压力为5~25 MPa的条件下降解2min至数小时的工艺[9]。
其中包括超临界降解,超临界降解技术是用超临界流体(苯酚、水、酒精等)降解植物纤维,使其降解成低分子化合物的工艺。
高压降解具有反应迅速,反应容易控制等优点;但对设备要求较高,而且能耗高,限制了其工业应用。
(2)植物纤维常压降解是在降解剂(通常包括溶剂和催化剂)中,在常压条件下使植物纤维降低分子量,使之与降解剂反应转化为分子量分布广泛的液态混合物的过程。
常压降解具有反应条件温和、设备简单的特点。
影响植物纤维常压降解效率的因素包括反应条件(温度、时间)、降解剂的选择(种类以及用量)[10~15]。
目前各种实验常用的降解溶剂主要有苯酚、环碳酸盐和多元醇等,但各自存在不同的问题,如环碳酸盐具有成本高、回收困难等缺点,苯酚具有毒气大、回收困难等缺点。
相对而言多元醇是较为可靠的降解溶剂。
常压降解过程通常使用的催化剂是强酸,对生产设备的腐蚀性较高,增加了生产成本。
4结语
目前世界各国对植物纤维的降解做了大量研究,其降解机理已经研究得较为成熟。
通过分析植物纤维的特点,根据需要以及用途采用合适的降解方法,并相对应的选择适合的预处理方法,有助于改变当前植物纤维低利用率的现状,有利于提高植物纤维的高附加值利用。
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植物纤维发泡缓冲材料的应用【2】
摘要： 石油资源紧张、环境保护要求越来越高，植物纤维缓冲包装材料受到了越来越多的重视。
本文概述了植物纤维缓冲包装材料与EPS类发泡缓冲包装材料比较原料的资源优势、绿色环保优势，制作理论基础研究，制品的性能特点以及国内外目前的开发利用现状。
关键词： 植物纤维;环境保护;发泡缓冲材料
0引言
目前，在日常家用电器、精密仪器、电子计算机、电子元器件等包装材料中大量使用的是聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯(PU)类发泡缓冲包装材料，它是一种高分子化学合成材料，主要来源于石油，并且其包装废弃物，不能自然降解和完全回收，因此资源浪费现象非常普遍。
根据“蒙特利尔议定书”规定，要求全面禁止采用氟利昂生产EPS，但是很多国家没有落实[1]。
随着能源短缺问题、环境问题的加剧，这些不能自然降解和回收利用的EPS类缓冲包装材料的应用将受到越来越大的限制，开发环保、可降解的绿色的植物纤维发泡缓冲材料成为近年来的研究热点。
绿色的植物纤维发泡缓冲材料是指使用可回收利用、可降解的植物纤维、黏合剂和发泡剂为原材料制成缓冲性能较好的发泡纸制品[2]。
1植物纤维发泡缓冲材料可行性制备基础工艺
植物纤维是天然高分子材料，含有多个羟基，纤维素分子间具有极强的氢键作用。
这些羟基不仅缔合成分子内氢键，而且缔合成分子间氢键，增强了纤维素分子链的线型完整性和刚性，但仅靠植物纤维本身的强度和韧度不足以抵抗外界的压力以及冲击，而造成包装变形。
为保证植物纤维发泡缓冲材料具有良好的强度和缓冲作用，需要添加增强剂、发泡剂等其它化学物质以提高其强度，以达到工业应用的目的。
目前的发泡工艺有以下两种[3]：
①蒸气发泡法。
通过水蒸气向外散发时的疏散作用发泡，形成颗粒型发泡植物纤维纸浆的制作工艺，这种方法制作发泡制品不污染环境是最佳的绿色发泡方法，但抄造的设备和成本较使用化学发泡剂发泡的高，希望通过实验研究降低蒸气发泡法的成本。
②化学发泡法。
化学发泡剂添加至植物纤维纸浆中，加热至一定的温度，发泡剂热分解产生气体而发泡。
发泡剂分为有机发泡剂和无机发泡剂。
2环境保护及资源开发
植物纤维的化学结构是1，4-β-D-呋喃式失水聚葡萄糖，因此由植物纤维制备的缓冲包装材料具有很好的生物降解性、环境保护性。
它主要来源于木材及植物秸秆等可再生的有机资源，每年地球上植物纤维的产量大约1500亿吨，来源十分广泛[4]。
3开发利用现状
植物纤维发泡缓冲材料，最早使用的是瓦楞纸衬垫、隔板以及废纸条等。
这些纤维制品缓冲性能并不理想，与EPS发泡塑料比较优势不大。
但是，因为能源问题、环保问题，EPS泡沫塑料制品被淘汰和禁止势在必行。
目前，可替代EPS泡沫塑料的替代品有以下几类。
3.1 植物纤维发泡缓冲材料
目前常用的原料有：农作物秸秆纤维，废纸纤维、棉纤维、麻纤维等。
这种材料在低应力条件下，具有比聚苯乙烯泡沫塑料更好的缓冲性能，而且可降解、原料价廉易得。
3.2 二次纤维和淀粉为原料制成的包装缓冲材料
把回收的废纸纤维粉碎成细末状，再加入一定的量的淀粉混合均匀，然后用蒸汽发泡的方法使其形成多孔的小球。
用这种小球作包装缓冲填料，能承受的冲撞优于苯乙烯而且价钱便宜。
3.3 木材纤维热压发泡缓冲包装材料
利用聚合物发泡技术与人造板工艺技术相结合，采用碳酸氢钠为发泡剂，采用中密度纤维板厂的人造纤维板粉碎后，加入黏胶、发泡剂等，在160℃左右热压发泡。
植物纤维发泡缓冲材料防静电、防腐蚀性能优于EPS发泡材料，抗震性能则优于纸浆模塑产品，与木材纤维热压发泡缓冲包装材料的抗震缓冲性能基本相当，但不需要热塑成型，降低了制品的制作难度。
4结论
目前，由于石油资源日趋紧张、环境保护问题日益突出，聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯(PU)类发泡缓冲包装材料势必会被植物纤维发泡缓冲包装材料所代替。
植物纤维发泡缓冲包装材料采用非化学发泡剂法发泡对环境友好，在保障使用效果的前提下也会取代化学发泡法，相信经过不懈的研究植物纤维发泡缓冲包装材料的成本及缓冲性能会达到满意的效果。
参考文献：
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[4]李新平，索晓红.纤维素纤维发泡缓冲包装材料概述[J].包装工程，2007，28(4)：182-184.
[5]骆光林，郭彦峰，徐筱.绿色缓冲包装材料的现状及发展[J].中国环保产业.
植物纤维全降解地膜的田间实验【3】
【摘 要】通过地膜在田间的应用实验，本文研究和分析了植物纤维全降解地膜和塑料地膜在定量、抗张强度、温度、湿度等表征指标的变化规律，运用收集的田间实验数据客观地进行植物纤维全降解地膜和塑料地膜的性能比对，阐述了植物纤维全降解地膜的应用，以期对保护环境起到重要作用。
【关键词】植物纤维全降解地膜;田间试验;定量;抗张强度;温度;湿度
1 塑料地膜的使用情况
农用地膜覆盖技术是20世纪80年代引入我国的一项高产栽培技术。
由于地膜在使用过程中具有保温、保湿、保土、保肥、防虫、防寒等显著优点，加上我国处于季风地带，80%以上的耕地存在干旱、低洼或盐碱等障碍因素，使得地膜的需求量日益增长，使用量一直位居世界第一。
目前，我国农田中应用最广泛的地膜多数为超薄型塑料地膜，超薄型塑料地膜在使用周期过后会形成大量的地膜碎片，使土壤清理变得十分困难，加之塑料是单体聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有分子量大、性能稳定、在土壤中难以分解的特性，这样年复一年地使用，塑料地膜的残留将严重降低土壤的通透性、阻碍水分和养分的运移，对农作物根系的生长有很大影响，给耕作、播种和作物的生长带来困难，将影响我国农业的可持续发展。
而更令人担忧的是，除了对农业的影响之外，土壤中裹含着大量的塑料残膜也会对环境、水土造成危害，产生更加深远的影响，也就是我们所说是“白色污染”。
2 植物纤维全降解纸地膜使用的意义
解决塑料地膜残膜造成的“白色污染”成了近年来研究的热点，解决办法总结起来有2条：一是把地里的塑料膜都拣出来，将其进行回收;二是使用无污染可降解的地膜，让它源于自然再回归自然。
事实证明，被广泛使用的超薄型塑料地膜在回收时很容易被扯破，进而碎成指甲盖大小，很难捡拾。
即使是使用厚一些的便于捡拾回收的塑料地膜，但我国这么大的使用量，不仅单位成本较高、回收工作强度极大，而且做起来也很不容易。
植物纤维全降解地膜是以二次植物纤维作为原料，采用多元结合的制浆、造纸工艺加工生产的农用纸地膜，所用的原料是天然纤维素材料，纤维素是由葡萄糖基构成的链状化合物，具有很好的生物相容性和生物活性，无毒且易于生物降解，可通过自然界微生物、酶降解，最终形成CO2和H2O回归自然，因此属绿色环保产品，采用二次植物纤维为原料能有效地降低纸地膜的成本，有利于推广应用。
3 实验材料
3.1 实验所用的材料
(1)本色植物纤维全降解地膜：定量40g/m2，厚度0.05mm，辽宁省轻工科学研究院生产。
(2)黑色植物纤维全降解地膜：定量40g/m2 ，厚度0.05mm，辽宁省轻工科学研究院生产。
(3)塑料地膜：定量25g/m2，厚度0.008mm，吉林省白山市喜丰塑料股份有限公司生产。
3.2 实验地点
辽宁省阜新县中科院生态研究所863节水实验基地中心实验田。
3.3 实验条件
4月中下旬开始，在自然气候条件下，仿效实际地膜铺设和播种深度。
4 植物纤维全降解地膜和塑料地膜表征指标的数据分析
4.1 定量的变化
4.2 抗张强度的变化
4.3 温湿度的变化
温湿度是能为农业生产提供物质和能量的主要气候条件，适宜的温度、湿度能使酶的活性和催化能力达到最强，这就是种子萌发的最理想条件，能改变植物根系的生长、呼吸作用与养分的吸收。
在自然环境不具备这一温湿度条件时，地膜就能起到这样的作用。
实验方法：在地表面覆膜，测定膜下20cm处的温湿度，采用日本ISUZU温湿度记录仪，测定图表如图1、图2(图1、图2为随机的同一天24h的温湿度走向)。
5 结论
综上所述，植物纤维全降解地膜在铺设、作物出苗过程中，无论是在温湿度的保持，还是在铺设工作上，都同塑料地膜有着同样的作用;而在降解方面，植物纤维全降解地膜在地下70d内能全部降解结束，回归自然，这无论是对环境还是人类生存安全都有深远的意义，将会解决“白色污染”问题，有利于保护环境、保持生态平衡和推进可持续发展。
参考文献
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[2]贾珊珊等.植物纤维地膜的研究现状与发展趋势[].山东纺织科技，2011，5.
[3]中央电视台《农田里的“白色污染”》《焦点访谈》2013年5月8日.
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