[发明专利]用于从含纤维素的废料中制备纤维素纳米晶体的方法

说明书

发明背景

每年总计数千吨的固体造纸厂废渣，通常在垃圾填埋场进行处置，产 生全球性的环境问题。此外，再生纸及其废弃副产品的使用增加了造纸过 程的环境影响。从废纸中除去油墨、粘土、涂料和污染物以便回收可再用 的纤维素纤维，从而生产再生纸，产生脱墨污泥，这又产生处置问题。此 外，在造纸过程中获得的其它非纤维素副产品，如涂料、粘合剂、染料和 填料如碳酸钙和粘土，缠结于污泥中，产生环境问题并且降低从造纸厂废 弃物中生产纤维素的收率。

仅在欧洲，每年由造纸和木材工业(纸浆和纸污泥)产生1100万吨 的废弃物，其中70％来源于脱墨再生纸的生产。废弃物在组成上极不同， 并且由不同类型的污泥构成。一般地，纸污泥含有极高水平的干固体，因 为它富含纤维并因此脱水十分容易。所有的纸和木材废料(纸浆，纸污泥， 纸白和废水)是纤维素纤维(40％-60％的干固体)、印刷油墨和矿物组分 (40％-60％干固体：高岭土，滑石和碳酸钙)的混合物。来自工艺用水澄 清的污泥从白水在纤维回收工艺和物理废水处理工艺中产生。它由大部分 地细料和填料(二者约50％)构成，这取决于所加工的回收纸[1，2]。关于 废水特性的更宽泛综述由Pokhrel和Viraraghavan[3]提供。

因此，纸污泥处置在造纸工业中日益受到关注，这进行了深入研究以 开发废纸污泥的备选用途。

由于立法和增加的税金，填埋场作为废弃物的最终终点被淘汰，并且 具有能量回收的焚烧正成为主要的废弃物回收方法。尽管仍然需要研究和 经济评估以优化工艺，但正在应用其它选择如热解、气化、陆地铺展、堆 肥和作为建筑材料再利用[1]。由于产生的大量废弃物、该废弃物的高水分 含量以及作为工艺条件的结果的变化的废弃物组成，回收方法通常是昂贵 的，并且它们的环境影响仍然是不确定的。为此，需要找到替代方案和废 弃物的不同应用，同时考虑到这些废弃物处理的环境和经济因素。第二个 障碍是所述工艺需要大量的酸。

纤维素晶须也称为纳米结晶纤维素(NCC)，是在导致形成高纯度单 晶的受控条件下从纤维素生产的纤维。它们构成一大类材料，该材料具有 相当于相邻原子的结合力的机械强度。所得到的高度有序结构，不仅产生 异常高的强度，而且在电性能、光性能、磁性能、铁磁性能、介电性能、 导电性能和甚至超导性能方面也产生显著变化。

NCC的拉伸强度性能远高于目前高体积含量强化物，并允许加工最高 可达到的复合强度。关于NCC、其性能和其在纳米复合材料应用中作为强 化相的可能用途的文献综述由Azizi等人[4]提供。

在工业应用中利用NCC的主要障碍之一是其相对高的价格，这主要 归因于将相对较大的纤维素纤维和木质纤维素组织转化成纳米级纤维所 需的高能量。

参考文献

[1]Monte，M.C.，Fuente，E.，Blanco，A.，Negro，C.，Wastemanagement frompulpandpaperproductionintheEuropeanUnion(欧盟对纸浆和造纸的 废弃物管理).WasteManagement(废弃物管理)2009，29，293-308.

[2]Nemerow，N.，Agardy，F.，Strategiesofindustrialandhazardouswaste management(工业和有害废弃物管理策略)，Wiley1998.

[3]Pokhrel，D.，Viraraghavan，T.，Treatmentofpulpandpapermill wastewater--areview(纸浆和造纸厂废水处理-综述).ScienceoftheTotal Environment(总环境科学)2004，333，37-58.

[4]AziziSamir，M.A.S.，Alloin，F.，Dufresne，A.，ReviewofRecentResearch intoCellulosicWhiskers，TheirPropertiesandTheirApplicationin NanocompositeField(关于纤维素晶须、其性能和其在纳米复合材料领域中 的应用的最新研究综述).Biomacromolecules(生物大分子)2005，6， 612-626.