毛德钦，段爱琴

（新疆金天海工贸发展有限公司，新疆 博州　833300）

利用全棉秆亚硫酸钾法制浆黑液生产有机肥料的研究

毛德钦，段爱琴

（新疆金天海工贸发展有限公司，新疆 博州833300）

为实现废弃棉秸秆资源的充分利用，解决有机肥市场发展空间大但原料紧缺的问题，提出对棉秆纤维原料进行综合利用的思路——利用全棉秆亚硫酸钾法制浆黑液生产有机复合肥。该文阐述和介绍了其工艺理论、工艺流程、工艺技术条件和有机复合肥的主要质量指标，使用表明：该有机复合肥固氮、解磷、释钾，长效缓释，保水保肥，增强植物根系吸收能力，深受用户青睐。

棉秸秆；亚硫酸钾蒸煮；综合利用；高效有机复合肥

由于棉秆浆白度低于60%，且生产纸张强度差，因此仅限用于本色浆抄造的纸或纸板，棉秆在制浆造纸工业上的应用一直徘徊不前。

新疆棉花种植面积大，棉农收割棉秸秆后，一部分经粉碎还田掩埋，另一部分被在田间就地焚烧。这不仅造成了大量的资源浪费，而且造成对环境的严重污染：秸秆直接焚烧，产生大量烟气，并伴随着多种有害气体，对生态环境造成破坏。秸秆粉碎后还田掩埋，由于棉秆比较密实，加之新疆的气候干燥，棉秸秆难以腐烂，不能及时变为肥料，导致土壤透气性增加，土壤保水性下降，多次掩埋更增加了土壤的负担，而且使土壤的肥力下降，不利于农作物生长。如何有效地开发利用当地丰富的棉花秸秆资源，成为促进新疆农村经济发展的重要环节。

化学肥料利用率低不仅造成资源的浪费，造成经济损失，人们生存环境正面临包括肥料利用率低而引起的生态环境污染危害。普通化学肥料溶解过快、遇热分解、在土壤中被土壤组分固定等造成损失；同时，由于地表径流、冲刷、地下渗透、不利的气象条件等，造成对生态环境的污染危害；因此，以减少肥料流失、防止施肥造成的污染、增加作物产量、提高肥料利用率为目的的“高效、复合、缓释、专用化”发展方向的有机-无机肥料的研制及其应用技术研究成为保护生态环境、推动农业持续发展的热点研究课题。选用不仅可以增加肥效、提高肥料利用率，而且能够改善土壤质量与综合肥力，在土壤中不残留、价廉易得的有机肥料增效原料，正成为环境保护与农业科技人员关注研究的热点。有机肥目前有很大的需求空间，但大多有机肥使用牛羊鸡粪等，受到资源的限制。新疆有1 000万亩（约合66.67 hm2）滴灌田，为可溶性有机-无机肥料的使用提供了平台，促进了水肥一体化的实施。

多年来，由于难以漂白等原因，棉秆一直没有成功应用于造纸，造成棉秆资源浪费；为此，研究了利用全棉秆亚硫酸钾法制浆黑液生产有机肥料，以满足市场需求。

1　棉秆纤维形态及化学组成

棉秆由秆皮、木质部和髓等3部分组成，其中秆皮占27.5%质量分数，木质部占70%质量分数，髓占2.5%质量分数。就全棉秆而言，木纤维所占比例较韧皮纤维大得多，全棉秆的纤维形态更接近木纤维，类似阔叶木。表1为棉秆纤维形态及化学组成。

表1　棉秆纤维形态及化学组成

2　利用全棉秆亚硫酸钾法制浆黑液生产有机肥料

2.1工艺理论

（1）棉秆烧碱蒽醌法制浆不同于一般草类原料（如稻草、麦草），初始脱木素阶段，从升温开始到140℃，脱木素率为45%，大量脱木素阶段，从140℃升温到160℃且保温30 min，脱木素率达90%左右；补充脱木素阶段，在160℃从保温60 min至蒸煮终点，后期脱木素主要在保温期间进行；K值17.5，粗浆得率为43.72%。

（2）棉秆亚硫酸钾法制浆，木素生成木质素磺酸钾溶出到黒液中，木质素磺酸钾分子结构中存在芳香基、甲氧基、酚羟基、醇羟基、羟基、羧基和共轭双键等活性基团，具有很强的吸水性，从而具有保水性。纤维素黄原酸酯含大量的羟基、乙酰基等活性基团，具有较强的吸附性、络合性。研究表明，将腐殖酸与纤维素按1∶1.5的质量比制成的复合物，其络合效果比单纯的木质素磺酸钾效果好得多，使其具有巨大的吸附能力，能够更有效吸附水解产生的过量且不能被作物吸收利用的大量氮素，使其固定在土壤中，延缓氮素的流失，抑制肥料中氮的释放速度，提高肥料中氮利用率；并且木质素磺酸盐降解产物对脲酶有较强的抑制作用，能够进一步延缓对尿素态氮的分解，利于作物生长的中后期对氮素的吸收利用。

另外，木质素磺酸钾和纤维素黄原酸酯含较多的羟基、酚羟基、醇羟基、醛基和羧基等，其中氧原子上的未共用的电子对与金属离子形成配位键，产生络合和螯合作用，能与土壤中的铁、铝、钙等离子形成络合物或螯合物，从而减少磷化肥中磷酸根的化学沉淀和固定。对磷矿粉的酸解及对钙离子的螯合作用，而使磷矿粉活化，有效磷含量增加。能降低土壤对磷的固定能力，使土壤对磷的吸附能力减小，从而提高土壤中磷的活性，具有保护施入土壤中磷的有效性的作用；还具有亲液性和负电性，有效促进磷移动。

木质素磺酸钾与纤维素黄原酸酯混合后的络合和螯合能力比单独的木质素磺酸钾更强，固氮、解磷，长效缓释效果更显著。

此外，棉秆制浆黑液含硅量为0.7%～2.0%，硅是植物第四大营养素，属于微量元素的一种，可以提高农作物的抗逆性，减少病虫害，提高农作物吸收各种养分能力，促进光合作用，疏松土壤和提高农作物的品质及缓释。

全棉秆可制得高效有机缓释肥，使植物缓慢均匀吸收氮、磷、钾及多种微量元素等，有效提高肥料利用率。

（3）棉秆制浆造纸工艺要求防止木素的缩合，保护纤维，防止纤维素的降解，而这里蒸煮棉秆用于生产肥料；因此，采取延长保温时间1 h的方法，以更多地降解纤维素和半纤维素。

（4）纤维素是天然高分子化合物，分子中含大量的羟基、羧基等活性基团。纤维素是无水葡萄糖残基通过β21，4苷键连接的天然高分子，其分子内含有大量的亲水性羟基，多孔，比表面积大，故具有亲和吸附性。天然纤维的吸附能力并不很强，必须通过蒸煮、磺化后化学改性，使其具有更强或更多的亲水基团，才能成为性能良好的吸附材料。由于纤维素大分子单体上的3个醇羟基可以发生各种酯化、醚化和螫合反应，因而能在纤维素上引入具有酸性、碱性或螫合性的选择性离子基团，从而改变纤维素原有的性质，使其既具有离子交换树脂的特点，又可保持纤维素的部分结构。纤维素与半纤维素在碱法蒸煮中降解产物均为乳酸、异变糖酸。

（5）分离出的纤维，用二硫化碳（CS2）磺化为可溶的纤维素磺酸酯。

（6）蒸煮黑液与酸中和，达到pH=5.5～8.5的范围。

2.2工艺流程

全棉秆亚硫酸钾法制浆的黑液生产有机复合肥的工序由蒸煮、多辊压榨固液分离工段、纤维素磺化工段、蒸发干燥工段等4部分组成，其工艺流程如图1所示。

图1　全棉秆亚硫酸钾法制浆黑液生产有机复合肥的工艺流程

2.3工艺技术条件

2.2.1蒸煮工艺技术条件

蒸煮工艺技术条件如下：蒸球为40 m3；亚硫酸钾用量为28%；NH4OH用量为12%；液比（棉秆质量与总液量质量的比）为1∶6；最高温度为170℃；升温 120 min，保温 120 min；得率为 45%；卡伯值为22～26 mL/g；黒液pH=8.0～8.5；残亚钾质量浓度为8～12 g/L。

2.2.2碱纤维素磺化工艺技术条件

碱纤维素磺化工艺技术条件如下：碱纤维素浓度为10%～20%；碱纤维素温度为0～30℃；CS2加入量为28%～30%（对碱纤维素量）；磺化温度为28～32℃；磺化浴比（碱纤维素质量与碱液+水+二硫化碳体积比）为1∶2.6～3.0；磺化时间为1.5～2 h。

说明：碱纤维素中的半纤维素同样可以与CS2反应生成多糖的磺化产物，其危害是消耗大量的CS2，降低纤维素的磺酸酯值，影响溶解性。

2.4黑液、纤维素磺酸酯混合搅拌均匀

黑液、纤维素磺酸酯混合搅拌均匀为肥料原料。

2.5生产肥料工艺技术条件

生产肥料工艺技术条件如下：肥料原料与氨基酸废液的质量比为 1∶3.5～4.0；沸石粉加入量为15%；无机氮、磷、钾肥根据肥料配方计算后加入；中、微量元素根据各种植物所需配方计算后加入；生物菌为0.4%。

2.6肥料产品主要质量指标

肥料产品主要质量指标如下：总养分（N+P2O5+ K2O）为15%～60%质量分数；有机质为30%～50%质量分数；氨基酸≥8%质量分数；pH=5.5～8.5。

2.7木质素磺酸钾高效有机复合肥的经济性

木质素磺酸钾高效有机复合肥的价格如下：液体滴灌肥料（固含量80%以上）价格在2 500元/t以上；颗粒水溶性料价格在3 500元/t以上。

2.8使用效果

产品经有关质检部门检验，各项指标均达到有关肥料的国家标准。已经施加的氮、磷、钾肥利用率为20%左右，延长氮肥肥效在90～120天。磷素易被土壤固定，不易流动，本产品可使磷素在土壤中移动12 cm以上，增加土壤中有效磷10%～50%，延长肥效20天以上；由于原料为可溶性，用户反映不堵滴灌带，深受青睐。

3　结束语

棉秆在造纸行业一直没有得到较好的应用，造成资源浪费，加之有机肥市场发展空间大，原料紧缺，因此提出对棉秆纤维原料进行合理利用的思路。利用全棉秆亚硫酸钾法制浆，所得黑液以木质素磺酸钾为主，碱纤维素进一步磺化为可溶的纤维素黄原酸酯，均为有机肥的优质原料，生产有机复合肥，产品固氮、解磷、释钾，长效缓释，保水保肥，增强植物根系吸收能力，茎粗、苗壮，从根本上提质增产，将土壤中多年来被固定的养分释放出来，提高肥料利用率，降低农民肥料成本。变废为宝，废水零排放制浆造肥，同时水肥一体化，省工省力，节水节肥，实现农业可持续发展。

Studing of Using Whole Cotton Stalk Potassium Sulfite Pulping Black Liquor to Produce Organic Fertilizer

MAO De-qin，DUAN Ai-qin
（Xinjiang Jintian Hai Industry and Trade Development Co.，Ltd.，Bozhou 833300，China）

For the realization of the full use of waste cotton straw resources，to solve the problem that organic fertilizer market has a large space，but the raw materials is shortage，to propose ideas that presenting comprehensive utilization of cotton stalk fiber material——using whole cotton stalk potassium sulfite pulping black liquor to produce organic fertilizer.This paper describes the process theory、process、technology condition and the main quality indicators of organic fertilizer，After using show：the organic fertilizer can fix nitrogen，liberate phosphorus，release potassium，long-term and sustained，retain water and nutrients，enhanced absorption capacity of plant roots，deeply favored by the users.

cotton straw；potassium sulfite pulping cooking；comprehensive utilization；efficient organic fertilizer

TQ444

A

1007-2225（2015）05-0019-04

毛德钦先生（1965-），总工程师；研究方向：粘胶纤维及有机复合肥；E-mail：mdq0223@163.com。

2015-08-30（修回）

本文文献格式：毛德钦，段爱琴．利用全棉秆亚硫酸钾法制浆黑液生产有机肥料的研究［J］．造纸化学品，2015，27（5）∶19-22．