不“纸”那么简单！华工这个实验室超乎你想象

实验室大门。造纸术，是中国人引以为傲的古代四大发明之一。可惜，多年前，在人们心目中，造纸行业却总是与污染联系在一起。幸运的是，如今，中国造纸行业已经摘掉了“污染大户”的黑帽。这背后，是华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室陈克复院士团队十年如一日的奋斗。

 

　　近日，记者走进该实验室时获悉，在科学家们的努力下，如今造纸不仅变得绿色环保，纸也早已突破印刷、生活、包装等传统用途，该实验室发明的高科技含量的“纸”已用于制造飞机、高铁的部件，令人对“纸”刮目相看。

 

　　曾经造纸业的污染高居榜首

 

　　纸是中国劳动人民长期经验的积累和智慧的结晶。我国汉代就发明了以植物纤维为原料的纸张，迄今已经近二千年，为世界文化的交流和文明的发展做出了伟大贡献。

 

　　造纸行业也是我国重要的基础原材料产业，2011年，造纸业年产量约1亿吨，占全球总产量的四分之一，居世界第一。但是当年，造纸业带来的水污染问题却十分严重。

 

　　陈克复院士回忆，2011年，造纸业废水和COD排放量分别占全国工业排放总量的1/5和1/4，高居榜首。当年，国家连续四次发文，明确提出专项整治造纸等重点排污行业。

 

　　“一年内针对造纸等排污行业连发四次文，这是前所未有的。污染太厉害了，必须赶快解决这个问题。”陈克复说，2011年，国家有关部委要求他们尽快攻克造纸业的污染难题。

 

　　陈克复说：“我的导师生前曾对我说，中国造纸业的问题一个是污染，一个是设备落后，这两个问题他一辈子都解决不了，希望我这一辈子来解决。”。

 

　　接受重任后，陈克复和团队开始了十年如一日的科技攻关。“这期间，国家给了团队很大的支持，我们团队的许多人也以厂为家。”

 

　　十年攻关摘掉造纸业“污染大户”帽子

 

　　经过近十年的潜心研究，陈克复和产学研结合科技团队成功研发了覆盖制浆造纸所有工艺过程的清洁生产与水污染控制10项关键技术及11项支撑技术，形成5套集成技术，并在现代化大型生产线实施产业化及推广应用，构建了造纸业水污染全过程控制新模式。

　

　　其中，针对废纸制浆碱性脱墨污染负荷重的难题，他们创新研发了废纸制浆近中性脱墨技术和造纸废水梯级循环回用技术，实现废纸制浆水重复利用率大于95%，造纸水重复利用率大于90%，节约了新鲜水的用量，大幅减少废水排放。

 

　　科技团队研发的制浆造纸清洁生产与水污染全过程控制技术已在全国十多家大中型造纸企业的制浆造纸生产线上及末端废水处理中应用。如今，该技术已推广应用到广东、广西、河南、河北、安徽等地的制浆造纸企业。

 

　　采用陈克复院士科技团队新技术的造纸企业，其清洁生产技术已达国际领先水平，单位产量废水和COD排放指标远优于欧盟标准。陈克复说：“有一家大型造纸企业的末端废水处理站的排水口区域建成了湿地公园，成为当地一景，很多人在那里拍婚纱照，前去考察的专家感到非常震撼。”

 

　　就这样，中国造纸业“污染大户”的帽子被陈克复通过产学研结合所建立的科技团队摘掉了。他们的新技术更为应用企业创造了巨大的经济及环境效益，为造纸行业新旧动能转换和绿色制造提供了示范。华南理工大学也以第一完成单位荣获2019年度国家科技进步奖一等奖。

 

　　新技术对大湾区环境保驾护航

 

　　作为地处大湾区的国家重点实验室，制浆造纸工程国家重点实验室的成果也从多方面惠及大湾区。

 

　　陈克复说，粤港澳大湾区2020年纸和纸板产量达1900多万吨，占全国15%左右，广东省的产量则多达2400多万吨，全国第一。实验室的科研工作者都会向这些纸厂提供技术支持，历年为纸厂培训技术人员。

 

　　自2021年起，我国全面禁止固体废物进口，造纸行业将面临巨大的纤维原料缺口。广东作为我国造纸第一大省，在废纸零进口的新形势下，更需要加快转型升级，积极布局和提升新型绿色造纸，服务大湾区建设。

 

　　在这个过程中，陈克复院士团队的技术持续为大湾区的环境“保驾护航”。

 

　　陈克复院士说，以往许多制浆造纸大厂依靠进口废纸，现在国家规定禁止进口废纸后，许多大纸厂选择到广西建立制浆造纸基地。

 

　　广西在西江上游，这些新建制浆造纸基地与地处下游的广东息息相关。对此，陈克复说，早在2018年，他们团队的技术就已被环保部纳入《制浆造纸过程污染控制可行技术指南》，并在全行业进行推广，在广西新建的这些造制浆纸基地，都采用了这个技术指南，对环境是非常友好的。

 

　　陈克复说，随着国内纸厂在海外投资建厂，他们的技术也走出了国门，走向了老挝、柬埔寨、哈萨克斯坦、白俄罗斯等国。

 

　　“纸”也能成为飞机、高铁上的部件

 

　　如果说解决造纸行业污染，还属于传统造纸行业领域的问题，那么实验室的一些研究触角，则已伸向了传统造纸行业之外。

 

　　在华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室的一楼大厅内，有几张桌子和几个凳子，乍看上去，与其他桌凳区别不大，可定睛一瞧，它们都是由“纸”做成的。记者小心翼翼坐上一只凳子，实验室的老师见状却笑了：“放心！200斤的人坐上去都没问题！”

 

　　实验室教授、博导陈港说，如今，造纸不仅变得绿色环保，纸的用途也早已突破印刷、生活、包装等传统用途。

 

　　据了解，实验室已经研发了一种高科技含量的“纸”，这种纸可以成为飞机、高铁上面的部件，比如飞机的机翼、行李架、餐车，高铁的顶板、地板、行李架等。因为这种“纸”不仅轻巧，而且它蜂窝状的结构，还具有刚性强、阻燃、隔音的特点。

 

　　据介绍，这种高科技含量的“纸”也叫芳纶纸，属于高性能纸基复合材料，是国家战略新兴产业重大工程的关键材料，过去曾长期依赖进口。

 

　　针对高性能纸基复合材料“卡脖子”技术，实验室团队在传统植物纤维打浆设备的基础上，创新发展了高性能纤维打浆理论，突破了特种纤维造纸瓶颈，成功研制了芳纶纸、油水分离材料、吸波透波材料、高性能膜材料、导电纸基材料和碳纤维纸等系列高性能纸基复合材料，为替代进口同类材料发挥重要作用。

 

　　目前，实验室研发的芳纶纸相关技术作价6684万，以技术入股的方式与中国中车时代新材共同设立合资公司，建设5000吨/年国际领先的高性能纸基复合材料生产线，年产值10亿。该项目的主要成果也曾获得2019年教育部科技进步奖一等奖。

 

　　造纸副产品变身为防晒剂

 

　　芳纶纸的名字中，还有一个“纸”字，但实验室研发的另外一种东西，则跟高端化妆品扯上了关系。

 

　　据介绍，过去用植物造纸时，“有用”的成分是纤维素，而“没用”的一种东西叫“木质素”。木质素是植物生物质的组分之一，是造纸工业的副产物，传统利用木质素的方式，是送往碱回收炉作为原料燃烧，附加值较低。

 

　　实验室的科学家们，通过调控木质素的分子结构，对其进行功能化改性，发明了木质素羧甲基化、羟丙基磺化、双官能团醚化缩合等改性新技术，在国际上首次将木质素开发成广谱长效防晒剂，并应用于高端日化领域。这大大开拓了木质素的高值化利用新途径。

 

　　这些研究的相关成果获得了中国发明专利授权30件，发表SCI/EI收录论文103篇，通过省部级成果鉴定1项。关键技术在多家高新技术企业推广应用，近三年累计生产改性木质素新增销售额12.9亿，新增利润2.6亿。

 

　　研发生物质塑料替代一次性塑料

 

　　今年旦起，随着“最严限塑令”的实行，许多奶茶店的塑料吸管都变成了纸吸管。

 

　　目前，制浆造纸工程国家重点实验室的科学家们也在为“减塑”而努力。

 

　　实验室教授王小慧说，造纸行业是主要生物质能源的生产和利用行业之一。植物生物质本身具有多组分共存、结构复杂、难溶解、难加工的特点，因此目前生物质基材料在性能和成本上与传统石油基材料相比尚不具有竞争优势。实验室发展了系列生物质分子均相改性的新方法，实现生物质分子氢键的解离与重构，以及衍生物聚集态结构的调控，建立生物质材料的构效关系。从天然木材原料出发，利用动态共价化学原理，结合热压工艺构建出轻质高强、绿色的生物质塑料。

 

　　何为生物质塑料？王小慧解释说，日常生活中大家用到的塑料都是从石油加工而来的，但石油是不可再生资源，使用塑料是不可持续的，对环境也会造成污染。“我们用树枝、树叶、秸秆等为原料，通过对这些原料‘改性’，对它们的分子进行设计，让这些原料的纤维能够像塑料一样进行热加工，使其成为各种形状，做成各种产品，这就叫生物质塑料。”

 

　　王小慧展望，这种生物质塑料是防水的，也可以100%闭环回收，循环利用。她说，未来这种生物质塑料可以在很多方面替代一次性塑料。

 

　　【实验室名片】

 

　　制浆造纸工程国家重点实验室依托华南理工大学建设，于1989年6月经原国家计委批准立项，1996年建成开放，是我国轻工领域唯一的国家重点实验室。

 

　　自建设以来，实验室在我国制浆造纸领域承担50%以上的国家级科研任务、培养了70%以上的博士和博士后，是所有主干课程必修教材的主编单位，在全球造纸科技创新竞争力排行榜中稳居前三，现已成为我国制浆造纸领域科学研究和人才培养的重要基地及国际学术交流中心。