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甘蔗渣作为一种绿色可再生高分子材料综合利用发展前景广阔

泰然健康网
2024-12-22 14:57

随着现代农业的发展, 由农业废弃物大量积累导致的环境污染和资源浪费日益凸显, 大力发展农业废弃物的综合利用对于保护生态环境和促进农业可持续发展具有重要意义。甘蔗渣是甘蔗经过破碎和压榨提取甘蔗汁后残留的甘蔗茎纤维残渣, 其含量占甘蔗的24%～27%, 是世界上产量最大的农业废弃物之一。我国作为全世界第三大甘蔗种植国家, 甘蔗渣的年产量达两千多万吨。与其它农业废弃物相比, 甘蔗渣还具有来源集中﹑收集简单﹑运输半径小﹑成分相对稳定﹑性质均一等特点。因此, 甘蔗渣资源的开发利用受到国内外研究者的广泛关注。

由于甘蔗渣的木质化程度较高, 以及传统的转化利用手段缺乏, 使其传统利用方式仅限于作为锅炉燃料燃烧发电等粗放低效利用, 且利用率极低,绝大部分甘蔗渣被直接丢弃或填埋处理。近年来, 随着现代生物质转化利用技术的不断发展, 对甘蔗渣的利用方式日趋多样,当前国内外研究主要集中在能源化﹑饲料化﹑基质化和材料化等几个方面。其中, 材料化是甘蔗渣高值化利用的重要途径之一, 发展前景广阔。

甘蔗渣的化学成分以木质纤维素为主, 在干物质中纤维素占32%～48%﹑半纤维素占19%～24%﹑木质素占23%～32%﹑灰分约4%。甘蔗渣的化学组成使它成为开发环境友好型材料的理想原料。

甘蔗渣可用于生产生活用纸，如卫生纸﹑餐巾纸﹑包装纸﹑瓦楞纸﹑铜板纸﹑复印纸和双胶纸。在我国, 制浆造纸是除作为燃料之外甘蔗渣最主要的利用途径, 但受地域和原料限制, 主要集中在广西﹑云南等制糖企业集中的地区。与生物炼制相结合的甘蔗渣制浆造纸思路, 即既得到纸浆, 又得到高附加值的化学品, 如乙醇法制浆, 醋酸法制浆,高沸醇法制浆等等, 具有溶剂可回收的优点, 且能够同时分离获得半纤维素﹑纤维素以及高反应活性的木质素。

甘蔗渣制浆后经模压可制成一次性绿色环保餐具, 这种餐具有足够的强度, 并且耐油﹑耐热水﹑无毒﹑无味﹑无污染﹑可生物降解, 能完全替代塑料餐具减轻“白色污染”。据报道, 目前广西利用甘蔗渣生产绿色环保餐具的企业已近20 家, 产品除供应国内市场外, 还远销日本﹑韩国﹑美国和西班牙等国家。

由于甘蔗渣的比重小﹑纤维质量好, 制得的人造板材具有优异性能, 如重量轻﹑强度高﹑不易受生物侵害, 此外其吸水率低﹑防火性能好, 有良好机械加工性能和装饰性能等, 适用于家具﹑建筑﹑车厢﹑船舶﹑音箱﹑包装箱等制作行业。化学分析表明, 甘蔗渣中的糖分提高了人造板的性能。最近, 国内中南林业科技大学的研究者开发了甘蔗渣轻质无胶板和阻燃无胶高密度板等。

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的环境友好型吸附材料, 广泛应用于食品﹑医药﹑化工等领域。由于甘蔗渣碳素含量高, 是产业化制备活性炭的优质原料。活化是甘蔗渣活性炭制备的关键步骤。以ZnCl2﹑强酸等为活化剂, 将甘蔗渣在600～700℃温度下炭化, 可制得性能较好的活性炭, 用于脱除城市垃圾渗滤液中腐殖酸, 吸附废水中的重金属﹑硝酸盐和磷,以及脱除蛋白质中的黑色素。

微晶纤维素是天然纤维素经过部分降解和纯化而制得,可作为药物粘合剂、食品稳定剂以及化妆品的增稠剂等, 在医药、食品和化妆品等工业领域用途广泛。

酚醛树脂胶黏剂是制造室外用人造板的主要胶黏剂, 但在其使用过程中会释放甲醛, 危害人类健康。木质素的分子结构中具有羟基和醛基, 在合成酚醛树脂的反应中可部分替代苯酚和甲醛, 降低有害物质的使用量从而提高产品安全性。甘蔗渣中木质素含量较高, 采用溶剂法提取甘蔗渣木质素的苯丙烷结构上带有更多的羟甲基, 可制备高强度的木质素基酚醛树脂胶黏剂

再生纤维素膜是一种用途广泛的高分子膜材料, 可作为血液透析膜﹑肠衣﹑食品保鲜膜等。用离子液体Cl溶解甘蔗渣纤维素, 加水再生后制备了结晶结构为纤维素Ⅱ的再生纤维素膜, 其热力学稳定性达到292℃, 拉伸强度高达144 MPa。

甘蔗渣含有大量的木质素、纤维素等多羟基成分, 在聚醚多元醇和环碳酸乙烯酯等供氢溶剂和无机强酸的催化作用下, 可以被液化成具有高反应活性、分子量分布适中的生物多元醇。甘蔗渣生物多元醇可以替代部分的石化基聚醚多元醇或者直接用于聚氨酯类高分子材料的合成。利用杂多酸将甘蔗渣液化后通过磷化改性合成了生物质基多元醇膦酸酯, 可制备具有良好阻燃性的聚氨酯泡沫材料。

甘蔗渣可作为聚合物的增强纤维, 用于开发可降解的生物基复合材料。但由于甘蔗渣中含有多羟基成分, 与非极性高分子基体的界面黏合性较差,因而须对甘蔗渣进行预处理以提高其界面相容性。

纳米纤维素通常是指具有一维纳米尺寸的纤维素材料, 在电子﹑化工﹑航空﹑医药和食品等众多领域具有广阔的应用前景。甘蔗渣中纤维素的含量较高, 因而是一种理想的纳米纤维素原料。酸水解法是目前制备甘蔗渣纳米纤维素的常用方法。中国热带农业科学院农产品加工研究所采用离子液体溶解甘蔗渣使其转化为均相状态, 再在均相介质中通过高压均质或动态高压微射流制备了粒径为5～20 nm的甘蔗渣纳米纤维素, 该方法具有绿色高效的特点, 应用前景广阔。

综上, 甘蔗渣作为一种良好的绿色可再生高分子材料日益受到人们的重视, 其综合利用方式日趋多样。然而, 目前仅有制浆造纸﹑生产绿色环保餐具和人造板等少数几种粗放型利用方式实现了规模化生产, 甘蔗渣的高值化利用技术及绿色生产工艺还有待开发。纳米纤维素是木质纤维高值化应用的重要方向之一, 与其他纳米材料相比, 纳米纤维素除具有高纯度﹑高纵横比﹑高杨氏模量﹑高结晶度﹑高强度和较低的热膨胀系数等优越性能外, 同时具有材质轻﹑可降解﹑可再生﹑生物相容等优点。因此, 纳米纤维素的制备﹑结构﹑性能与应用是当前纤维素化学研究的重点和热点。以甘蔗渣生产纳米纤维素及相关功能材料, 在航空航天﹑军工﹑超精密仪器﹑生物医学材料等领域应用前景广阔, 有利于促进甘蔗渣高值化利用, 延长蔗糖产业链, 促进产业健康可持续发展。此外, 离子液体作为一种新型的木质纤维素绿色溶剂, 为甘蔗渣的高值化利用提供了新的契机, 但目前相关研究还仅停留在实验室阶段, 距离实现工业化生产仍存在很多问题亟待解决, 例如, 离子液体的低成本合成与高效回收, 纤维素在离子液体中的降解调控, 以及如何在离子液体溶剂体系中对甘蔗渣进行全组分分离等。