超声波辅助的废报纸浆纤维可持续脱墨技术：提升纸张性能、纤维素结构及热稳定性

《Bioresource Technology Reports》：Ultrasonic-assisted sustainable deinking of waste newspaper pulp fibers: Improvements in paper performance, cellulose structure and thermal stability

超声辅助脱墨技术通过45和65kHz频率及5-20分钟处理时间，显著提升再生新闻纸浆的光学、机械和热性能。优化条件（65kHz，20分钟）使纸亮度达53.02% ISO、白度25.64% CIE，较化学法分别提高4.72%和21.86%，且纤维结合力增强。该技术减少化学试剂使用，降低环境污染，为可持续纸业提供新方案。

　　

伊曼·阿克巴普尔

伊朗戈尔甘农业科学与自然资源大学木材与造纸工程学院，造纸科学与工程系

摘要

本研究探讨了利用超声波辅助脱墨技术作为传统化学脱墨方法的一种可持续替代方案，用于回收报纸浆料。在不同频率（45 kHz和65 kHz）和不同处理时间（5–20分钟）下进行超声波处理后，所得纸张的光学、机械、结构和热性能均得到了显著提升。在最佳条件下（65 kHz，20分钟；使用U₄F₂），纸张的亮度达到53.02%（ISO标准），白度达到25.64%（CIE标准），分别比化学脱墨后的纸张高出4.72%和21.86%；同时纸张的黄度降低了28.3%。纸张的抗拉强度和断裂长度分别提高到29.76 Nm/g和2.98 km，比化学脱墨后的纸张提高了13.89%和22.63%。此外，纸张的耐破指数也显著增加至2.37 kPa·m²/g，而撕裂强度仅略有下降，表明纤维间的结合力得到增强，且纤维未受到严重损伤。经超声波处理的浆料具有更高的水分保持值（WRV），其中使用U₄F₂时的最大WRV为1.63%，这反映了纤维膨胀和纤化效果的改善。结构分析显示，由于非晶半纤维素的部分去除，相对纤维素含量和纤维素结晶度有所提高（U₄F₂条件下达到40.81%），这一结果通过XRD和FTIR分析得到了验证。热重分析表明，与对照组和化学脱墨后的浆料相比，超声波处理后的浆料具有更好的热稳定性，最大降解温度（T_max = 360.02°C）更高，残留质量（20.48%）更高，降解速率（1.38 mg/min）更低。总体而言，超声波辅助脱墨技术显著提升了纸张的性能、纤维素结构和热稳定性，为高质量回收纸的生产提供了一种节能且环保的方法。

引言

纸张和纸板材料占城市固体废物的很大比例，这凸显了它们在废物管理系统中的广泛使用及其重要影响（Bangel III等人，2025年）。因此，回收废纸是一种关键的环境友好型做法，可以减少填埋处理并保护宝贵的自然资源。此外，纸张回收有助于可持续发展并促进负责任的消费模式。通过将废弃纸张转化为新产品，我们可以朝着更加可持续和资源高效的未来迈进（Akbarpour，2025年；Bangel III等人，2025年）。虽然回收废纸是一种可持续的解决方案，但它往往会导致纤维质量下降和脱水效率降低，从而影响工艺性能并增加对化学添加剂的需求（Akbarpour等人，2018年；Akbarpour，2025年）。近年来，由于环境意识的提高和减少固体废物的需求，回收纤维的使用量显著增加。纸张回收过程中的一个关键步骤是脱墨，该步骤对于从回收纸张和纸板材料中回收高质量纤维至关重要。脱墨过程涉及去除纸张纤维中的油墨、粘合剂和其他污染物，从而使这些纤维能够重新用于生产新的纸制品。有效的脱墨技术可以提高回收材料的质量，并促进造纸行业的可持续发展（Welt和Dinus，1995年；Lee等人，2007年；Akbarpour，2023年）。然而，传统的脱墨工艺依赖大量的化学试剂，这不仅增加了运营成本，还会产生大量的污染物排放，从而引发对环境可持续性的担忧（Akbarpour，2025年；Se?un等人，2023年）。

利用超声波技术对废纸进行绿色脱墨，通过高频声波去除纸张纤维中的油墨。这种环保方法不仅减少了传统脱墨过程中有害化学物质的使用，还提高了油墨分离的整体效率（Norman等人，1994年）。超声波在液体介质中产生微小的空化气泡，形成强烈的局部压力和温度梯度，有助于油墨颗粒的破碎并使其从纤维素纤维上分离。因此，这种创新方法有助于实现更可持续的回收过程，同时保持回收纸产品的质量。利用超声波进行脱墨被认为是寻找更环保的废纸管理解决方案的一个有前景的进展。超声波已在多个工业领域得到广泛应用，包括废水处理、食品加工、化工和制造业。在造纸行业中，超声波能量可以在制浆、漂白和回收纸处理等多个阶段得到有效利用（Thompson和Manning，2005年；Thakur等人，2017年）。虽然超声波处理作为一种机械脱墨方法的应用仍处于相对较新的阶段，尚未在工业上得到广泛采用，但它已在废Xerox纸和激光打印纸的脱墨过程中显示出显著的效果（Tatsumi等人，2000年）。超声波处理的原理是使大颗粒的碳粉松散，随后将其破碎成更小的颗粒；这种颗粒尺寸的减小被认为是脱墨效率的关键指标。颗粒尺寸的减小有助于后续的脱墨步骤（如浮选和洗涤），从而提高整体脱墨效果。

最近的研究探索了超越传统化学方法的替代性和更可持续的脱墨策略。例如，使用纤维素酶等酶进行酶促脱墨已被证明可以增强纤维结合力和排水性，降低能耗，并改善回收浆料的性能，尽管通常需要与机械精炼结合使用才能达到最佳效果（Rossi和Solé，2025年）。研究还表明，酶辅助脱墨可以提高回收纤维的亮度和强度，并降低环境负担，但在这方面仍存在酶成本、工艺优化以及不同类型废纸之间性能差异的挑战（PW Consulting，2023年）。此外，还研究了针对无矿物油油墨的优化浮选工艺等环保脱墨方法，这些方法提高了可持续打印油墨的脱墨效果，但也强调了脱墨效率依赖于油墨成分和工艺条件（PubMed关于浮选脱墨的文章）。除了脱墨性能外，对纸张回收系统的可持续性评估还强调了减少水和能源使用、降低温室气体排放以及实现副产品增值的重要性。例如，创新的现场干法回收方法显示出比传统回收方式更显著的温室气体减排效果，而关于纸浆污泥增值的研究则探讨了将其用作土壤改良剂或生物炭用于农业应用的可能性，将废物管理与循环经济目标联系起来。

将超声波能量应用于纤维悬浮液具有显著优势，尤其是在保持纤维质量的同时提高纸张强度方面。除了在造纸工业中的应用外，超声波能量还用于生物燃料领域，以改善工业乙醇生产前的酶处理过程（Tatsumi等人，2000年）。该方法利用高频振动能量促进油墨颗粒的分解，从而提高回收过程中浆料的清洁度和质量。超声波产生的振动有助于将油墨从回收纸张纤维表面分离出来，并有助于减少浆料中的油墨颗粒和其他污染物。因此，这一过程能够更有效地分离细小颗粒和杂质，从而生产出质量更高的纸张产品（Norman等人，1994年；Tatsumi等人，2000年）。总体而言，将超声波技术集成到浆料处理中是废物管理和资源回收方面的一个重要进步。该项目评估了使用超声波技术进行可持续脱墨以提高回收报纸浆料制成的纸张质量的可行性。这项研究具有开创性，因为此前尚未有人研究过在废纸回收中特别是报纸脱墨方面应用超声波。研究的目标是评估这种方法与传统脱墨系统的效果。这项研究的意义在于展示了一种环保的超声波辅助脱墨方法，该方法可以同时提高纸张性能、保持纤维素结构并增强热稳定性。通过优化超声波处理的持续时间和频率，研究强调了机械能量如何高效去除油墨，同时最小化化学消耗和环境影响。研究结果为回收报纸纤维提供了可持续的策略，有助于减少填埋废物、降低能源和水资源消耗，并为循环经济应用提供了潜力。这项研究为浆料处理技术和纸张质量的实际改进架起了桥梁，为浆料和造纸工业以及环境管理提供了宝贵的见解。

材料

本研究中使用的废纸为旧报纸（ONP），全部在当地采购。脱墨前，将废纸撕碎至约2×5厘米的尺寸。根据T-412 om-02标准测量了废纸的含水量，然后将撕碎的废纸浸泡在水中24小时。化学脱墨过程中使用了来自Merck公司的专用试剂，包括过氧化氢（纯度30%）、氢氧化钠（纯度99.9%）和硅酸钠（纯度45%）。

纸张的光学性能

图1和图2表明，改变超声波处理的持续时间和频率会显著影响回收报纸浆料制成的纸张的光学性能。特别是在65 kHz频率下处理20分钟时，纸张的亮度和白度得到了显著提升，在某些情况下超过了传统化学脱墨方法的效果。较短的处理时间和较低的频率则导致纸张的亮度和白度较低。

结论

超声波技术作为一种有效且环保的纸张脱墨方法显示出巨大潜力。结果表明，与传统的化学脱墨方法相比，超声波辅助脱墨可以实现更高的亮度、白度以及更好的机械性能，尤其是抗拉强度和耐破指数。延长处理时间和提高处理频率通常可以提升浆料性能，在65 kHz频率下处理20分钟后，观察到最佳的水分保持值（WRV）。

作者贡献声明

伊曼·阿克巴普尔：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。

未引用参考文献

Rogelio等人，2004年

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。