Low Pollution Pulping and Bleaching Technology of
Bamboo and Industrialization of Bamboo Pulp in China

Song Hainong Wang Shuangfei Zheng Yanmin
(1. Pulp and Paper Institute of Guangxi University Nanning 530004;
2. Guangxi Liujiang Paper Mill Liuzhou Guangxi 545011)

Abstract Adapting to China situation, developing the bamboo pulp industrialization according to the local conditions, it is an available way to solve the shortage of fiber material for paper-making. At the same time, due to environment pollution of pulp and paper-making, especially bleaching effluent, looking for new non-pollution or lower-pollution pulping and bleaching technology for bamboo pulp, combining with further promoting bamboo pulp industrialization, which is significant to the sustainable development of Chinese papermaking industry as well as national economy. In addition, some practice and research were introduced in this paper.
Key words Low pollution; Pluping and bleaching; Bamboo plup; Industrialization

低少污染竹子制浆造纸新技术与
我国的竹浆产业化

宋海农 郑艳民 王双飞
(1．广西大学造纸科学研究所 南宁530004 2．广西柳江造纸厂 广西柳州545011)

摘 要 结合国情、因地制宜的大力发展竹浆产业化，是解决我国造纸原料供需矛盾的有效途径。与此同时，有针对性地研究开发低少污染的竹子制浆漂白新技术，大力推进竹浆产业化，对实现我国造纸工业的可持续发展，以及整个国民经济的可持续发展具有重大的意义，并介绍了相关的实践和探索。
关键词 低少污染；制浆漂白；竹浆：产业化

目前，我国已成为世界纸张生产、消费和进口大国，纸和纸板的产量及消费量均居世界第二，仅次于美国。纸和纸板进口量以每年14．5％的速度递增。2002年纸及纸板进口637万t，同比增加13．3％，占到消费量的14．7％，2002年进口纸及纸板、纸浆、废纸、纸制品合计1874万t，较上年1719万t增长9．0％，用汇70．37亿美元，较上年63．84亿美元增加10．2％。进口用汇总额居国家主要进口商品用汇的第三位，仅次于石油和钢材。有关学者认为，中国对纸的需求的增长将超出人们的保守预测，中国成为世界第一大纸消费国已不是十分遥远的未来。与我国对纸及纸板旺盛的需求形成矛盾的是：我国商品纸浆产量很少，尤其是长纤维浆的产量更少。据资料显示，2002年全国纸浆消耗总量3470万t，较上年增长16．44％，其中木浆740万t，占消耗总量的21％。由于国内纸浆供应不足而进口的纸浆有526万t，与上年相比增加7．4％；废纸进口687万t，与上年相比增加7．1％。我国纸浆的市场缺口大，但其中新建的制浆项目却寥寥可数，供需矛盾愈益突出。另一方面，中国对纸的需求的进口依存度有可能以更快的速度增长，以至不仅使纸(包括纸浆和废纸)的进口成为影响外贸、外汇平衡的重要因素，而且纸价的大幅度波动(国际纸业价格资料充分证明了这个特点)，已成为影响国民经济稳定性、安全性的重要因素。
纤维原料的资源是造纸行业生产和发展的基础，也是我国造纸工业如何可持续发展并走向现代化的一个主要问题。"以木为主"和"林纸结合"是现代造纸工业发展的基本规律，也是造纸发达国家长期实践的经验总结，然而我国森林资源相对缺乏，森林覆盖率仅为19．9％，1998年国家实施天然林保护工程后，国内木材的砍伐更受限制。据预测，2005年我国商品木材需求缺口将达7000万m。因此，在相当长的时间内，我国还没有条件完全依赖利用木材原料来造纸。另一方面，造纸工业是我国环境污染最严重的三大产业之一，尤其是传统含氯漂白方式所产生的毒性大、难处理的漂白废水，造成许多江河水质恶化，生态系统严重破坏，部分河流流域和地区出现水质性缺水，极大地限制了当地的工业发展，危及人们的生存环境。改变我国造纸业污染严重、破坏环境的生产方式势在必行，这是实现我国总体经济可持续发展的必然要求。
因此，结合我国国情调整原料结构，因地制宜的合理使用非木材纤维原料，尤其是大力发展竹浆产业化，是解决我国造纸原料供需矛盾的有效途径。另一方面，有针对性地研究开发低少污染的竹子制浆漂白新技术，对实现我国造纸工业的可持续发展，以及整个国民经济的可持续发展具有重大的意义。

l 竹子制浆造纸的优势及竹浆产业化
1．1 竹子资源丰富且可永续利用
我国拥有丰富的竹类资源，自然分布区广，在北纬18°～38°和东经92°～122°范围内的20余个省、市、区均有竹林，其中以南方和长江流域的面积最大、竹种最多、生长最旺盛。全国现有竹林面积420万h㎡(约6 300万亩)，有730余种竹子，是世界竹类资源第一大国，素有"竹子王国"之称。竹子是速生型植物资源，生长快易繁殖、周期短单产高，一次性栽培造林、年年出笋长竹、三五年成材，每年合理间伐，可永续利用。以广西竹子为例，广西地处南亚热带季风气候区，受低纬太阳强烈幅射、冬夏季风环流、热带海洋和山地起伏变化的影响，形成具有气温高(年均气温17．9～22．6℃)、热量足(≥10℃积温5 657．7-8 158．1℃)、雨量充沛(年均降雨量l 500mm)，雨热同季、夏长冬短，为竹木速生丰产提供了得天独厚的自然条件，广西竹木平均生长率8％，相当于全国平均水平的2～3倍。广西现有竹林面积25．75万h㎡，占用材林的4．67％，而广西目前造纸用竹不到资源可供量的10％。尤其是北回归线横贯的桂中等地区，无霜期长，是丛生竹最适宜生长的地方，荒坡、山地、河岸、沟边、湖旁以及房前屋后均可种植。此外，竹林是控制水土流失及涵养水源的优良林种，可以防止水土流失、净化空气、调节气候和保护生态环境。

1． 2 竹子制浆造纸的特性
在我国，竹子用于制浆造纸的历史非常悠久，可追朔至晋朝，葛洪《抱朴子》："逍遥竹素，寄情元毫"中的"竹素"即竹纸。日本学者通过现存于日本的中国梁代写经纸的研究断定，中国在南朝的宋、齐、梁时代，已把竹子作为造纸的主要原料之一。竹子属禾本科竹亚科多年生植物。竹子纤维中长纤维原料，纤维平均长度为16～20mm，介于针叶木和草类之间，比阔叶木长，宽度为12～16mm，纤维细长交织力好。化学成分中聚戊糖高于针叶木而木素又较低，与阔叶木相近，故蒸煮条件较缓和，纤维素高于禾草类而灰分又较低。竹的平均相对密度大约为0．8t·m-3左右，老材在0．9t·m-3以上，比一般的阔叶木(比重0．43～0．64)、针叶木(比重0．4)都大得多，因此可提高蒸煮器单位容积装料量和产浆量，设备利用率较高，相应可节省投资。竹材组织紧密，细胞壁厚而腔径小，薄壁细胞少而石细胞多，需在生产工艺上采取相应措施。多年来的生产实践表明，竹浆可替代相当部分木浆，生产各种中高档的纸制品。

1．3 "竹浆产业化"是我国造纸工业可持续发展的途径之一
长期以来，不少人把制浆造纸和保护森林资源对立起来，认为发展造纸必然导致"乱砍乱伐"，将给我国本身匮乏的森林资源"雪上加霜"。然而，从国际上的经验证明，在当代造纸工业发达国家，林业和造纸业的发展是相互促进的。有计划的因地制宜地建设造纸原料林基地、对森林资源的保护和开发利用相结合，有助于林业和造纸业等方面的发展。林业作为造纸工业的支持产业对造纸工业的发展有显著贡献。造纸工业的产业优势能缓解林业投入的不足，也推动了森林培育业的发展，实现了经济发展与环境保护的统一。在我国"提高木浆比例、合理利用非木材纤维"，因地制宜的发展速生丰产的造纸经济林，尤其是大力发展易繁殖、生长快、产量高的竹子资源，"以竹代木"，推进竹浆产业化，可有效利用我国中西部地区的丰富资源，使西部大开发有了切实的产业依托。既解决了农民退耕之后真正能"退下来，稳得住"，又能推动地方经济发展，增加农民收入。因此，在我国中西部地区"林纸结合"尤其是"竹纸结合"，实现竹浆产业化，不仅可以推动我国造纸工业的可持续发展，而且有利于保护自然资源和改善生态环境。

2 清洁化生产高品质竹浆是推动竹浆产业化的必然要求

2．1 低少污染的竹子制浆新技术 就目前的备料、蒸煮以及碱回收技术而言，在设备运转良好和工艺严格控制的前提下，清洁化生产高品质的未漂化学竹浆已较为成熟。蒸煮是制浆过程中的一个重要环节，然而，除了在蒸煮工艺中添加诸如蒽醌类衍生物等多种蒸煮助剂外，如何根据我国国情，并结合竹子蒸煮过程脱木素动力学的特点，开展深度脱木素的蒸煮工艺研究以及蒸煮过程自动化控制研究，仍是我国造纸工作者关注的热点。
蒸煮粗浆Kappa值(间接反映纸浆中残余木素的含量)的波动会直接影响后续洗涤、筛选、漂白工序乃至成纸质量，而工艺上的波动必然影响到制浆过程的污染负荷控制。粗浆Kappa值偏高时成浆均匀性差，未蒸解含量高，造成后续漂白困难，化学药品消耗高；Kappa值偏低时，纸浆强度损失大。因而，控制并稳定蒸煮粗浆Kappa值，不仅可以提高纸浆的得率和质量、降低消耗，而且对保护环境也大有裨益。目前，国内外已广泛开展通过研究木材蒸煮过程(尤其是大量脱木素阶段)有效碱(EA)浓度、H—因子等参数的变化过程和数学模型，进而提出Kappa值在线预测和控制的数学模型，从而实现蒸煮过程的自动化控制。
然而，我们的研究和有关资料均表明，木材原料硫酸盐法蒸煮过程脱木素速率可分为3个阶段：初始脱木素阶段、大量脱木素阶段、残余脱木素阶段。而竹子硫酸盐法蒸煮过程脱木素速率分为；第一阶段是升温阶段，脱木素率达83．33％，称为大量脱木素阶段；第二阶段是在160℃保温1小时，这个阶段脱木素率为11．31％，称为补充脱木素阶段；第三阶段是在160℃继续保温1小时，这个阶段脱木素率为1．48％，称为残余脱木素阶段。可见竹子与木材在蒸煮过程脱木素动力学上有较大不同，因此，必须研究开发适合竹子蒸煮的Kappa值的在线预测和控制技术。广西大学造纸研究所与柳江造纸厂合作，率先开展了竹子硫酸盐法蒸煮过程中的Kappa值的变化及在线预测与控制的研究。初步研究表明，竹子蒸煮过程中碱液浓度的下降或氢氧化钠和硫化钠的消耗速率，基本上与脱木素速率和碳水化合物溶出一致。通过对大量试验和实际生产的数据的分析整理，提出了竹子硫酸盐法间歇蒸煮过程有效碱浓度数学模型。模型方程表示为：
EA*1n（S）=A+B*1n（H）
结果表明，通过实验拟合得到的模型与生产预测得到的模型之间非常吻合，且都具有较理想的准确性、精确度以及稳定性。在竹子硫酸盐法蒸煮过程中，通过测定蒸煮过程某点的有效碱浓度，应用有效碱浓度数学模型及其参数的数学模型，就可以对整个蒸煮过程的有效碱浓度进行较准确的在线预测，这为竹子硫酸盐法蒸煮的过程控制提供了指导的方法，对进一步研究蒸煮过程纸浆硬度的变化及进行有效的在线预测与控制，进而对提高竹浆的质量、降低消耗、以及污染负荷控制等具有显著的指导意义，作为竹子制浆新技术的初步尝试极有应用前景。

2．2 低少污染的竹浆漂白新技术及实践
2．2．1 低少污染的竹浆漂白的必要性
传统含氯漂白废水对环境的严重影响，以及高白度和高稳定性竹浆漂白所面临的挑战，促使造纸工作者进一步深入研究和实践。
相关实践和研究发现：由于竹子的纹孔小而少，在漂白过程中漂液只能自纤维锥形末端渗入；同时由于竹浆中半纤维素含量高，在漂白时发生膨胀，使漂液更难渗透；而且未漂竹浆中的木素中约25％为缩合木素，不易在后续的漂白中溶解脱出。所以竹浆采用常规C-E-H三段漂最高能漂至75％～78％(1SO)的白度，继续增加白度导致纤维受损，强度下降，返黄严重，即使采用以二氧化氯为主的短程序漂白技术，仍有相当程度的返黄，影响竹浆的质量和档次，制约了竹浆的应用范围；而且我国现有的竹浆漂白技术均是含氯漂白，对环境的污染较大。
因此，研究开发对环境相对友好的且能提高竹浆档次的漂白方法迫在眉捷，也是推动竹浆产业化向纵深发展的必须。

2．2．2低少污染竹浆漂白的实践与探索
国内对竹浆漂白曾进行过广泛研究，中竹纸业(柳州)公司(原广西柳江造纸厂)和中竹纸业(雅安)公司(原四川雅安制浆造纸厂)等企业多年来一直生产漂白商品竹浆，华南理工大学、 广西大学等院校也开展了相应的研究工作。
柳江造纸厂的生产实践表明：广西竹子的纤维形态不同于木材，木材纤维具有纹孔，在漂白中漂液可以从纹孔渗人以溶解木素；竹浆纤维的纹孔很少而且小，在漂白过程中漂液必须自纤维锥形末端渗入。同时，未漂竹浆存在着大量的半纤维素，半纤维素在漂白条件下膨胀，使漂液渗透更加困难。未漂竹浆的木素中存在约25％的缩合木素不易溶解。所以，竹浆在不损伤纤维强度的情况下漂白到90％(1SO)的白度是困难的。广西化学竹浆的漂白有它的"异质性"。
浆中存在半纤维素除易于精磨打浆外，并对浆的强度性质具有有利的影响。在漂白浆中希望有少量木素存在，因为它能保护纤维素、防止化学降解，对浆的强度有着间接有益的作用。但是在纤维壁中，木素越少强度就越高。竹浆纤维壁薄，使得纤维比较柔韧和坚实。广西柳江造纸厂第二化浆车间具备了二氧化氯制备和漂白生产系统，而且装备了在线白度自动控制仪。漂白采用(C+D)-E／O-H-D的流程，漂浆白度可达86％(1SO)。采用二氧化氯漂白后，发现竹浆的白度、粘度和物理强度各项指标都比常规的CEH三段漂白有很大的提高，返黄值较小，灰分含量低，相应地使得抄纸车间施胶用的松香和明矾量降低。特别是粘度有很大的增加，主要是漂白反应产生在二氧化氯和木素之间，木素大分子氧化降解而使木素溶解于水。二氧化氯与饱和脂肪族化合物，如醇、羧酸等反应很缓慢。二氧化氯本身不氧化醛和酮，然而反应过程中所生成的亚氯酸盐，在pH值4．5以下时将醛基氧化成羧基。强度性质特别是耐折度和撕裂因子有着显著地增加，耐破强度和裂断长也明显增加。二氧化氯漂白给予浆较高的撕裂因子，是因为在这种漂白中纤维结构成分受到保护的程度要大于对碳水化合物含量有降解作用的次氯酸盐漂白。耐折度明显增加是起因于浆的聚合度大大地增加，如同在增加粘度方面所反映的情况一样。此外，在高速抄纸机上生产胶版印刷纸、高档文化用纸、新闻纸等品种时，竹浆能赋予纸张很多特点，如挺度好、撕裂度好、表面平滑度好、匀度好、有很好的填料保留率、易于施胶、打浆仅需轻刀叩解、节约能源。特别在高速纸机抄造中，滤水性能好，湿强度好，这给高产、稳产创造了优越的条件。
柳江造纸厂第二化浆分厂的漂白工艺技术为：①C+D段：漂前细浆Kmn04值10，氯气用量1．5％(对绝干浆)，二氧化氯用量0．6％(对绝干浆)，漂浆浓度3％，漂白温度50℃，漂白时间40min；②E段：用碱量2％(NaOH)，浆浓10％，反应温度50℃，反应时间120min；③H段(次氯酸钙)：漂液用量1．0％(有效氯)，漂浆浓度8％一10％，漂白温度37℃，漂白时间180min；④D段：二氧化氯用量0．8％(对绝干浆)，漂白浆浓10％，漂白温度70℃，漂白时间180min，漂白浆pH值3．8，漂后浆白度86％(1SO)，漂白浆粘度686．5mPa·s，裂断长3 500m，撕裂指数1．92mN·M2·g-1。
此外，针对第一化浆分厂采用常规CEH三段漂，存在纤维强度损失较大、返黄较严重等问题，柳江造纸厂与广西大学造纸科学研究所等科研单位合作，将H20。应用于CEH三段漂中的碱处理段，采用C-Ep-H少污染漂白流程，取得较好效果。漂后竹浆的白度提高了1．2％，返黄率下降了1．63％，粘度和裂断长分别提高了33．42％和15．89％，漂白损失率减少了1．5％，且投资少、见效快、生产成本降低、经济效益明显。
围绕着低少污染的竹浆生物漂白、光电催化漂白、高白度竹子化机浆等前沿漂白新技术的研究正方兴未艾，而用于提高和强化现有氧脱木素和过氧化氢漂白的新型漂白助剂的研发已曙光初现，这些探索和实践将在目前低少污染竹子制浆漂白的基础上，进一步推动竹浆产业化的可持续发展。

3 结束语
生态环境建设是国家实施西部大开发的根本切人点。竹子以其独特的生物学、生态学特性及用途广等特点，已成为中国国土绿化和改善生态环境的重要植物种群。立足中国实际，利用竹子生长快、周期短、可再生和一次造林、年年受益等特点，培育优质丰产竹林，充分依托我国在竹子制浆造纸方面的技术优势和得天独厚的资源优势，以骨干制浆造纸企业为龙头带动农民增收致富，发展环境相对友好的低少污染的竹浆产业，竹木并举，弥补国内木浆供给不足，促进我国造纸工业持续、快速健康的发展。