麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)的脫膠特性研究

童藝翾，李毓陵1，*，馬顏雪1，，崔運(yùn)花，劉芳，任濼彤，陳小光3，

（1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；3.東華大學(xué)國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201620；4.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

中國保存有麻類資源計(jì)15 000多份，是世界上麻類資源最豐富的國家之一。麻纖維吸濕、透氣、抑菌、防霉，所制成的紡織品具有透氣涼薄、抑菌防腐等特性［1］，是一種重要的紡織原料。原麻由不同比例的纖維素和膠質(zhì)組成，必須經(jīng)過脫膠，除去半纖維素和木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)才能獲得可用于輕紡的麻纖維，因此脫膠對麻纖維的加工處理至關(guān)重要。目前，傳統(tǒng)化學(xué)脫膠法生產(chǎn)1 t精干麻可產(chǎn)生高達(dá)500 t以上廢水（其中洗麻水約300 t）［2］，造成嚴(yán)重的水體污染，嚴(yán)重阻礙了麻紡織行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。生物脫膠技術(shù)是解決這一行業(yè)難題的重要途徑。酶脫膠法因酶制劑的培養(yǎng)條件嚴(yán)苛，成本較高，限制了其應(yīng)用與推廣。厭氧微生物脫膠具有高效穩(wěn)定、脫膠后精干麻質(zhì)量好、不損傷纖維和無二次污染、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來傳統(tǒng)化學(xué)脫膠的理想替代技術(shù)［3-4］。

本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套高效麻纖維厭氧生物脫膠試驗(yàn)系統(tǒng)［3-6］，以苧麻、劍麻、大麻和棕櫚麻為對象進(jìn)行厭氧脫膠處理，并對該系統(tǒng)的運(yùn)行特征和脫膠效果進(jìn)行研究，旨在為麻纖維厭氧生物脫膠的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為麻纖維厭氧生物脫膠試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以SSSAB反應(yīng)器為核心［7-8］，聯(lián)合生物脫膠罐、循環(huán)泵、蠕動(dòng)泵、補(bǔ)液池等構(gòu)成了一套完整的麻纖維厭氧生物脫膠試驗(yàn)系統(tǒng)，包括反應(yīng)器自身的內(nèi)循環(huán)子系統(tǒng)I、脫膠罐自身的自循環(huán)子系統(tǒng)II、反應(yīng)器與生物脫膠罐之間的外循環(huán)子系統(tǒng)III。麻纖維厭氧生物脫膠試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況可以外接N個(gè)生物脫膠罐，形成N個(gè)獨(dú)立的生物脫膠系統(tǒng)。在本文厭氧生物脫膠試驗(yàn)過程中，分別將苧麻、劍麻、大麻和棕櫚麻放入生物脫膠罐中，不同的麻可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)獨(dú)立生物脫膠，三個(gè)子系統(tǒng)合理配合，菌持續(xù)產(chǎn)酶、酶持續(xù)脫膠、膠持續(xù)養(yǎng)菌，循環(huán)反復(fù)，實(shí)現(xiàn)脫膠功能。

圖1 麻纖維厭氧生物脫膠試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Anaerobic continuous biological degumming test system of bast fiber

1.2 試驗(yàn)方法

為開展麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)的脫膠效果研究，分別對單纖維麻苧麻和以劍麻、大麻和棕櫚麻為代表的工藝?yán)w維麻進(jìn)行生物脫膠試驗(yàn)。采用由湖南華升洞庭麻業(yè)有限公司提供的苧麻原麻、大麻原麻、旌德縣雨燕麻業(yè)有限公司提供的劍麻原麻、中國科學(xué)院昆明植物研究所提供的棕櫚麻原麻為試驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)并實(shí)施了相關(guān)脫膠試驗(yàn)，表1所示為經(jīng)過優(yōu)選的苧麻脫膠參數(shù)［3］。具體操作流程如下：

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test parameters

（1）在SSSAB反應(yīng)器中投入?yún)捬蹙N，補(bǔ)液池注入含營養(yǎng)素的水，啟動(dòng)子系統(tǒng)I，進(jìn)行菌種馴化培養(yǎng)兩周，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的啟動(dòng)；

（2）將經(jīng)過預(yù)處理的各個(gè)品種的麻分別按400 g/罐投入生物脫膠罐中［2-4］，啟動(dòng)子系統(tǒng)II和III開始脫膠；

（3）每個(gè)試樣脫膠周期為72 h，每種試樣9個(gè)重復(fù)，每個(gè)脫膠罐間隔24 h進(jìn)行試樣更換。

1.3 指標(biāo)測試

水樣指標(biāo)測試：化學(xué)需氧量（COD）使用微波消解儀采用微波消解法測定；pH值使用PXSJ-216型pH計(jì)采用玻璃電極法直接測定；氨氮質(zhì)量濃度（以NH3-N計(jì)）利用PGENERAL型紫外可見分光光度計(jì)并參照HJ 535-2009《水質(zhì)氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定［4］。

化學(xué)成分分析：因劍麻、大麻均無化學(xué)成分分析的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，苧麻、劍麻、大麻化學(xué)成分分析統(tǒng)一參照GB 5889-86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，其中大麻殘膠率參照GB 18147.2—2000《大麻纖維試驗(yàn)方法》測定；苧麻、劍麻、大麻、棕櫚麻纖維縱截面形態(tài)通過T3000電鏡拍攝；線密度：因劍麻無相關(guān)線密度測試標(biāo)準(zhǔn)，苧麻、劍麻參照GB/T 5884-1986《苧麻纖維支數(shù)試驗(yàn)方法》測定，大麻參照GB/T 18147.4—2000《大麻纖維試驗(yàn)方法》測定；麻纖維力學(xué)性能：苧麻、劍麻纖維斷裂強(qiáng)力參照GB/T5886-1986《苧麻單纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測定，大麻參照GB/T 18147.5—2000《大麻纖維試驗(yàn)方法》測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 原麻化學(xué)成分特征

麻是由不同比例的纖維素和非纖維素（膠質(zhì)）組成，纖維素是麻纖維可紡的主要部分，膠質(zhì)的存在會影響纖維的性能，其中果膠含量高會使纖維手感和光澤較差，半纖維素含量過多會使纖維脆硬、強(qiáng)力下降，木質(zhì)素能提高纖維強(qiáng)力，但含量高會使纖維較硬挺，使得穿著有刺癢感，故麻纖維必須要經(jīng)過更精致的脫膠處理［9］。由表2可知，苧麻中膠質(zhì)含量為31.24%，低于劍麻、大麻和棕櫚麻的膠質(zhì)含量（分別為44.99%、40.94%、46.89%）。普遍認(rèn)為，半纖維素和木質(zhì)素是麻脫膠過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，苧麻、劍麻、大麻和棕櫚麻中的半纖維素含量都較高，分別為21.78%、27.05%、22.52%、24.27%，但是苧麻的木質(zhì)素含量較低（僅為2.37%），而劍麻、大麻中所含的木質(zhì)素分別為11.32%、12.50%，棕櫚麻中的木質(zhì)素含量更高，達(dá)24.91%。為進(jìn)一步探清苧麻、劍麻、大麻和棕櫚麻的脫膠難易程度，本文在相同條件下考察其厭氧生物脫膠效果。

表2 原麻化學(xué)成分分析Table 2 Chemical composition analysis of raw bast fiber

2.2 厭氧生物脫膠系統(tǒng)的運(yùn)行特性

廢水pH值過高或過低（＞8.5或＜6.8）對反應(yīng)器中的微生物活性均具有抑制作用，其與COD、氨氮（NH3-N）共同評判麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)是否能高效穩(wěn)定運(yùn)行［10］。圖2為麻纖維一個(gè)完整脫膠周期內(nèi)脫膠系統(tǒng)運(yùn)行過程中的pH值、COD和氨氮濃度的變化曲線。由圖可知，反應(yīng)器的出水pH值介于6.9～7.5，試驗(yàn)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行2個(gè)月未出現(xiàn)酸化跡象，能夠維持反應(yīng)器內(nèi)的微生物處于較高活性狀態(tài)；高COD濃度的進(jìn)水經(jīng)過反應(yīng)器處理之后，出水COD濃度明顯降低，反應(yīng)器出水COD濃度穩(wěn)定維持在327 mg/L左右，說明在厭氧生物脫膠試驗(yàn)系統(tǒng)的循環(huán)中，反應(yīng)器能高效地將高COD的入水處理成低COD的出水；同時(shí)在“膠養(yǎng)菌、菌產(chǎn)酶、酶脫膠”的連續(xù)厭氧生物脫膠過程中，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)近零排放，說明脫膠反應(yīng)系統(tǒng)可有效降解苧麻脫下的膠質(zhì)；整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)NH3-N濃度也始終處于低位穩(wěn)定在5.0 mg/L以下，可見厭氧生物脫膠系統(tǒng)能夠長期高效穩(wěn)定地運(yùn)行，是傳統(tǒng)化學(xué)脫膠比較理想的替代技術(shù)。

圖2 麻纖維脫膠周期內(nèi)pH值、COD和氨氮濃度變化Fig.2 Variation curves of pH，COD and ammonia nitrogen concentration during the degumming cycle of bast fiber

2.3 厭氧生物脫膠系統(tǒng)的脫膠效果

2.3.1 麻纖維的表觀形態(tài)

麻纖維的表觀形態(tài)能夠最直觀地反映麻纖維的脫膠效果。表3是苧麻、劍麻、大麻和棕櫚麻脫膠前后的表觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)變化圖。如表3所示，苧麻原麻的纖維包裹在膠質(zhì)內(nèi)部，束纖維表面的膠質(zhì)將纖維黏結(jié)在一起，手感較硬挺，脫膠后的束纖維分散成柔軟的單纖維，表面光滑平整，殘留膠質(zhì)少；劍麻原麻束纖維粘連著大量木屑，束纖維縱截面包覆著橫節(jié)狀的膠質(zhì)，脫膠后束纖維表面黏附的木屑脫落，束纖維中分離出的單纖維表面平滑，膠質(zhì)明顯減少；大麻原麻束纖維較長，單纖維表面粗糙，脫膠后大麻纖維變細(xì)變白，束纖維分散成較短的束纖維和部分單纖維；棕櫚原麻下端呈硬皮狀，纖維堅(jiān)硬，縱截面為細(xì)長的圓柱狀，包覆片狀的薄壁細(xì)胞，脫膠后束纖維從膠質(zhì)中分離出來，表面薄壁細(xì)胞部分脫落。綜上，苧麻、劍麻、大麻、棕櫚麻經(jīng)過生物脫膠表面膠質(zhì)都相應(yīng)減少，纖維變得柔軟分散，但相同工況下麻纖維生物脫膠系統(tǒng)對不同麻的生物脫膠效果不同，苧麻脫膠效果最佳，工藝?yán)w維麻脫膠效果大麻＞劍麻＞棕櫚麻。

表3 各種麻脫膠前后形態(tài)變化Table 3 Morphological changes of bast fiber before and after degumming

2.3.2 殘膠率

麻纖維中殘留的膠質(zhì)量是判定麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)脫膠效果的重要指標(biāo)。如圖3所示，經(jīng)過生物脫膠的苧麻纖維殘膠率可以達(dá)到1.32%，明顯低于傳統(tǒng)化學(xué)脫膠法的2.73%［11］，滿足紡紗要求。

在苧麻相同的厭氧生物試驗(yàn)參數(shù)下（見表1），劍麻、大麻和棕櫚麻3種工藝?yán)w維麻的殘膠率分別為 16.03%、20.13%、35.49%（相應(yīng)的化學(xué)脫膠方法殘膠率分別為 5.45%［12］、7.5%［13］，棕櫚麻暫未查閱到相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)道）。由此可見，在苧麻厭氧生物脫膠系統(tǒng)工藝運(yùn)行條件下，苧麻厭氧生物脫膠效果顯著，劍麻、大麻和棕櫚麻纖維也表現(xiàn)出良好的厭氧生物脫膠可行性，但后者還需進(jìn)一步優(yōu)化厭氧生物脫膠參數(shù)。

圖3 厭氧生物脫膠后麻纖維的殘膠率Fig.3 Residual glue rate of bast fiber after anaerobic biological degumming

2.3.3 纖維力學(xué)性能

麻纖維力學(xué)性能是后道紡紗工序參數(shù)選擇的重要指標(biāo)，也是衡量該系統(tǒng)脫膠效果的重要指標(biāo)。表4為生物脫膠與傳統(tǒng)化學(xué)脫膠麻纖維性能的平均數(shù)據(jù)對比，由表可見，厭氧生物脫膠法所得的麻纖維力學(xué)指標(biāo)基本能夠達(dá)到傳統(tǒng)化學(xué)脫膠法的水平。以苧麻為例，經(jīng)過厭氧生物脫膠處理得到的苧麻單纖維平均強(qiáng)力為47.01 cN，伸長率為3.07%，參考GB/T 20793-2015《苧麻精干麻》均已達(dá)到一等水平，說明厭氧生物脫膠法所得的苧麻纖維性能符合精干麻要求；劍麻、大麻纖維的強(qiáng)度分別為2.56、4.52 cN/dtex，均高于傳統(tǒng)化學(xué)脫膠方法得到的纖維強(qiáng)力。

表4 不同脫膠方法麻纖維各項(xiàng)性能的平均數(shù)值對比Table 4 Comparison of average values of various properties of bast fiber with different degumming methods

綜合殘膠率及力學(xué)性能來看，苧麻厭氧生物脫膠效果非常好，而在相同的工藝參數(shù)下，厭氧生物脫膠所得的劍麻、大麻和棕櫚麻纖維的殘膠率稍高，但總體脫膠效果尚可。

3 結(jié)論

（1）所研制的麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，pH值都穩(wěn)定在7.2左右，化學(xué)需氧量（COD）都保持在348 mg/L以下，氨氮質(zhì)量濃度都保持在5.2 mg/L以下，說明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)苧麻、劍麻、大麻和棕櫚麻的穩(wěn)定脫膠。

（2）所研制的麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)通過子系統(tǒng)之間的脫膠水循環(huán)完成麻纖維的脫膠，解決了當(dāng)前微生物脫膠菌種培養(yǎng)與生物脫膠相分離的問題，可以實(shí)現(xiàn)近零排放。

（3）所研制的麻纖維厭氧生物脫膠系統(tǒng)，在相同條件下的厭氧脫膠效果苧麻最優(yōu)，劍麻、大麻其次，棕櫚麻最差。若要得到劍麻、大麻和棕櫚麻更好的脫膠效果，需要分別進(jìn)一步開展優(yōu)選和優(yōu)化試驗(yàn)，得到不同麻的優(yōu)選參數(shù)。