12-汉麻生物质综合利用-郝新敏

1汉麻生物质综合开发与利用郝新敏1，高明斋2，杨元2（1总后勤部军需装备研究所，北京，100082；2汉麻产业投资控股有限公司，云南，666200）摘要：汉麻是一种古老而又新兴的生物质资源，重新审视并合理开发利用汉麻生物质资源，将为农民开辟一个新的增收渠道，为我国新农村建设提供一个良好机遇。同时对保障能源安全、保护环境、促进社会经济可持续发展也有着非常重要的意义。本文介绍了汉麻生物质资源的低碳环保特性，重点介绍了汉麻纤维低碳环保加工技术和汉麻在低碳环保纺织品、原生态汉麻秆芯人造板材以及生物制药等领域的综合利用现状。关键词：汉麻，生物质，低碳环保，综合利用1汉麻的低碳环保性汉麻是一种生命力很旺盛的作物，除极地和热带雨林外，在世界各地几乎都可以生长。我国是世界上最早栽培和使用汉麻的国家之一，距今已超过6000年。通过深入研究表明，汉麻是一种具有突出“低碳品质”的高值生物质资源，并且是可以在多个行业利用的工业原材料，具有以下特点：1.1生态性汉麻与其他植物有良好的可共性，不与粮、棉、油争地，对土质要求不高，山坡地、荒地和盐碱地等都能种植，根系使土壤中氧含量和肥力得到提高,土壤不板结。汉麻是速生植物，其叶子更新快，对虫害的耐受力较强。与其它农作物间作，汉麻田附近的害虫会被汉麻大量的绿叶吸引过来。种植汉麻使适应并危害常见农作物的病原体及害虫的生物周期被打破，因此这些病/虫害由于汉麻的轮作被迫远离。可减少农药、杀虫剂等易造成温室气体高排放的化学药剂的使用。叶子回田后降解，养分被土壤吸收。1.2资源性汉麻生物产量高，特别适合于和其他作物轮作间作。一季汉麻生长期仅为120天左右，但其生物产量高，一季杆芯的产量相当于一年速生林，每亩汉麻韧皮纤维常量可达100kg以上，最高可达200kg。汉麻的韧皮、秆芯、花、叶和根均具有很高的利用价值，是一种高值特种生物资源。1.3低碳性（1）汉麻种植的碳汇效应汉麻种植具有显著的低碳性，从种植到收获，每吨汉麻排放的CO2仅为544kg，而棉花为1680kg，而合成纤维生产CO2排放量比天然纤维高10～20倍。同时汉麻也是一种优秀的“碳汇”植物，在生长过程中通过光合作用吸收空气中的CO2，并以有机物的形式固定于植物体内，具有明显的固碳效应，是一种很好的低碳环保经济作物。据测算，种植1公顷汉麻在100天的生长周期内可以在纤维素碳中隔离并储存（螯合作用）20吨的CO2，并且在土壤中隔离并贮存另外500kgCO2。采用汉麻制造的产品也称为“碳汇产品（CO2SinkProducts）”。汉麻、黄红麻、棉花种植的碳汇效应如表1和图2所示。表1汉麻种植的碳汇效应种名参数（吨/公顷）汉麻黄红麻棉花生物量17.3716.016.43固碳量7.826.42.57吸收CO2量28.6723.489.43若种植1000万亩(67万公顷)汉麻，每年可以吸附约0.14亿吨CO2，人均10.5kg，可使我国CO2人均排放减少0.42%。2图2汉麻种植的碳汇效应（说明：以上数据均是各品种单个生长周期的估算数据；棉花、黄红麻的生物量值均来源于2008年国家统计局发布的全国平均数值。汉麻生物量测量地在云南省西双版纳州勐海县。）（2）生长过程中原料碳排放汉麻、棉花等经济作物生长过程中，均需要施加一定的化肥量，有的甚至还需喷洒农药、杀虫剂才能达到高产的效果，但这些化学原料均属于高耗能产品，对温室气体排放构成直接影响。表2是各品种每亩均产量所用化学品量值。表2各品种每亩均产量所用化学品量值化学品品名有机肥（kg/亩）杀虫剂（kg/亩）化肥（kg/亩）氯化钾尿素过磷酸钙硫酸钾汉麻00020-35≈9≈4.5黄红麻50—100≈20≈3530—450棉花50—100≈1.6≈1520—3545—500图3各品种所用化肥农药量的二氧化碳排放当量（汉麻：2.5—4.1吨/公顷；黄红麻：6—9.96吨/公顷；棉花：8.08—15吨/公顷）根据FootprintExpertModelFrameworkv3.0提供的数据排放因子，可分别估算以上品种所用化肥农药量的二氧化碳排放当量，如图3所示（由于国内部分原料碳排放因子仍不完善，故暂且采用GBR标准3进行估算得出）。2、汉麻纤维加工技术的低碳环保性汉麻的低碳性不仅体现在其种植与收获上,在整个汉麻纺织品的生产过程中也是本着低碳、环保、可持续的原则，不断加大技术创新力度，引进先进设备，使产品的绿色、低碳源于原料，始于生产过程。做到了低能耗、低排放。在汉麻纤维的初始加工阶段，研制出生物脱胶技术，最大限度地避免了因化工料的使用，给环境和产品带来的污染；实施了污水处理等一系列节能减排项目；在纺纱、织造过程中，不断加大技术创新，引进新设备、开发新技术，不仅提高了产品科技含量，而且实现了低能耗、高产出。2.1韧皮纤维提取技术-鲜茎皮秆分离技术研究了汉麻韧皮纤维鲜茎皮秆分离的提取方法，利用鲜茎皮秆分离设备，具有韧皮纤维产量高，损失小；韧皮纤维质量稳定，木质素含量低，长度长；加工工艺简单，生产效率高，用人少，产生成本低，满足了田间山头生产需要，解决了传统干茎加工时收割、去叶、晒干等工序用人多、效率低、运输费高等难题；加工过程无污染产生，副产物秆茎和叶子便于直接利用，有效避免了传统汉麻韧皮纤维提取时沤麻所产生的大量污水，同时解决了沤麻对秆茎性能的负面影响。表3是手剥和皮杆分离对麻皮成分的影响。从表中可看出通过皮杆分离可有效改善麻皮质量，提高各部位纤维素含量，降低果胶，木质素，半纤维素等含量。减少后续加工的压力。表3手剥与先进皮秆分离成分对比品种部位Position果胶/%Pectin半纤维素/%hemicelluloses木质素/%Lignin纤维素/%Cellulose手剥梢部Top19.5527.647.9144.90中部Middle17.1327.559.6645.66根部Bottom16.6625.069.8148.47皮秆分离梢部Top24.922.93.548.7中部Middle26.121.14.548.3根部Bottom21.916.55.755.92.2“机械+生物+高效漂洗”三位一体脱胶新工艺采用挤压、揉搓、振荡、拍打等物理作用方式对汉麻韧皮纤维进行机械脱胶处理，使韧皮纤维分裂度提高50%以上，确保了脱胶的高效、快速和均匀。通过筛选、育种、脱胶试验，优选了汉麻韧皮纤维生物脱胶菌种——嗜碱性革兰阳性菌种HXM—09,具有生长及繁殖能力旺盛、抗污染、适应能力强、可重复使用、易灭活脱、胶效率高等特点，菌株在14～18h内脱胶率可达60～80%。以此为基础发明了韧皮纤维液下生物——高温漂洗联合脱胶新工艺和新设备，实现了温控简单、湿度恒定、给氧均匀、循环使用的目标，克服了传统生物脱胶由于在空气中温度、湿度、供氧难以控制而引起的脱胶不均匀的难题。，采用高温漂洗，可有效脱出半纤维素、木质素等杂质，所处理纤维更均匀，所用碱浓度仅为常规化学脱胶的10%，取代了传统的浸酸——碱煮化学脱胶方式。机械+生物+高效漂洗”三位一体脱胶技术首次实现麻类韧皮纤维连续机械化加工。由于能耗、化工原料投入及污水排放的减少，加上脱胶微生物新陈代谢活动消耗了部分有机物，生物脱胶工艺可以很大程度上减轻无机及有机污染物排放。生产1吨精干麻所产生的高中浓度生物脱胶废水76吨左右，废水COD在2200～2500mg/L（单纯化学脱胶15000-20000mg/L），BOD可降低到200mg/L（单纯化学脱胶350-500mg/L）以下，色度为1800～2300倍，污水排放量降低30%，蒸煮时间比常规缩短4倍，提高了工作效率。故生物脱胶废水易于处理达标，从而减轻污水处理构筑物负荷，节省污水处理费用。脱胶后得到汉麻精干麻的梳成率可提高7～9%；精梳麻粒少而小，纤维整齐度高，短纤、短绒率低。生物脱胶后的精干麻外观、手感及物理性能测试中均优于化学脱胶，特别是在纤维手感及光泽上。生物脱胶后精干麻的伸长率（用于表示纤维柔软度指标）比化学脱胶精干麻提高了15%左右，且其纤维强度也有所提高，达到4.0cN·d-1以上。通过纺纱测试，其纤维制成率提高了4～7%，麻条不匀率下降了1%左右，成品质量较好。表4生物脱胶与传统脱胶工艺效果对比。4表4生物脱胶与传统脱胶工艺效果对比样品果胶含量半纤维含量木质素含量纤维素含量生物脱胶样1.67%11.19%3.06%84.02%韧皮纤维15.43%16.88%14.41%53.28%2.3汉麻纤维生产节能减排技术采用原始创新发明的分纤水洗和漂洗柔软工艺和设备，实现了汉麻韧皮纤维带状连续处理，结束了韧皮纤维分纤水洗手工或半机械化加工的历史。将传统敲麻、柔软、漂白、水洗等手工或间歇操作连续化，减轻了工人劳动强度，节约了用工，提高了生产效率；采用打出胶质单独通道排出，后工段的排水简单过滤回用到前工段，实现了大幅度降低了用水量，比常规处理节3倍左右用水，大幅度减少了用水和污染排放；连续顺直处理，保证了纤维的平直程度，减少纤维损耗和损伤，提高了纤维利用率；可控连续敲打和水洗，保证了分纤和洗涤的均匀，使脱胶更均匀，提高了纤维分裂度，从而提高了分纤加工的效果，为汉麻高支精细加工奠定了基础。由于分纤漂洗柔软设备的生产使得牵切纺成为可能，不仅提高了生产效率，同时避免了采用开松机、梳麻机所带来的麻粒多，纤维损伤严重的问题，提高了纤维得率。提高了纤维分裂度，使得汉麻高支纺纱成为可能。采用先进的污水处理设备与工艺，在分纤水洗工序使用污水处理终水生产，可以大大减少生产中废水的产生量，对环境友好。终水回用及自来水分纤水洗所得精干麻数据对比如表5所示，使用污水处理终水与用自来水分纤水洗后的纤维的分裂度和硬条基本一致，残胶分别为2.61%及2.35%，可见使用终水分纤水洗对纤维有一定影响，但只要在一遍分纤水洗采用终水，二遍分纤水洗使用自来水，不仅对纤维影响很小，还能实现水资源重复利用。所以采用终水回用分纤水洗基本可以满足现阶段生产需求。根据上述技术在西双版纳新建的汉麻纤维加工厂，为西双版纳州中高海拨地区农民经济收入增长带来了福音，为边彊工业的可持续科学发展起到了示范作用。表5终水回用及自来水分纤水洗所得精干麻数据对比测试项目终水回用自来水残胶率（%）2.612.35分裂度（Nm）694701强度（cN/D）4.054.39硬条比例（%）14.4314.99强力（N）226.6262.62.4低碳环保汉麻纺织品汉麻韧皮、秆芯、叶都具有天然抗菌防臭、防紫外、防螨、防霉、防虫蛀等特性。通过将汉麻纤维与棉花、羊毛、羊绒、合成纤维等混纺交织，无需采用化学品后整理，即可使织物具有功能性，从而降低了能耗、减少了化学品对环境的污染。汉麻韧皮纤维加工后，精干麻得率达到54%以上，汉麻麻条和短纤维综合得率在48%以上。长纤维麻条平均长度可根据需要在55～120mm之间调整，短纤维可在20～35mm之间调整，分裂度可达2800Nm。生产的汉麻纤维功能性强，具有天然生态性，抗菌性（抑菌率95%以上），防螨（60%）、防霉等功能。所生产的汉麻纤维可纺性能良好，既可纯纺，也可与棉、毛、化纤等混纺，纺纱工艺简单，消耗小，成纱质量优异。目前已可纺出14、18、22、24、28、32、36、40、48、60Ne的纯汉麻纱线。汉麻可与棉、毛、丝、黏胶、合成纤维等各种比例混纺纱线。可纺出20、28、32、36、40、48、50、60、80S的55/45汉麻/棉等。可用于开发针织、机织等面料。汉麻长纤维麻条制成的60Nm纯汉麻纱单纱断裂强度528.4cN/tex，百米重量偏差4.4%，黑板条干均匀度80分；汉麻棉型短纤维与棉混纺制成80s混纺纱(55汉麻/45棉)单纱断裂强度12.1cN/tex，百米重量偏差0.7%。3原生态汉麻秆芯人造板材----低碳环保产品建国以来，尤其是进入20世纪90年代以来，我国人造板产业取得了长足发展，已成为世界人造板生产大国。人造板产业属于资源依赖型产业，2009年，我国人造板年产量突破1.1亿立方米，消耗1.5亿立方米木材。随着经济的快速发展，对木材的需求量越来越