通过尿素-甲醛树脂去除从合成树脂粘合木材废料中回收木纤维的方法评估：以乌拉圭蒙得维的亚工业园区为例

《Processes》：Evaluation of Methods for Recovering Wood Fibers Through Urea–Formaldehyde Resin Removal from Synthetic Resin-Bonded Wood Waste: A Case Study in a Technological Industrial Park in Montevideo, Uruguay

　　

中密度纤维板（MDF）和其他树脂粘合木板由于存在尿素-甲醛（UF）树脂，对材料回收和循环利用造成重大挑战，这阻碍了材料回收和循环增值。本研究评估了基于水解的方法，用于去除来自乌拉圭蒙得维的亚工业园区产生的废MDF、三聚氰胺饰面MDF、定向刨花板（OSB）和胶合板中的UF树脂。评估的水解处理包括在80 °C搅拌下的酸、碱和水水解，以及高压釜中的蒸汽辅助水解。处理性能通过总凯氏氮分析、元素分析、质量损失测定以及使用Quantofix?指示条的半定量甲醛测量来评估。在评估的处理中，使用0.1 M草酸的溶剂辅助水解实现了最高的树脂去除效率，氮去除值高达95%，而蒸汽辅助水解仅使用蒸馏水就实现了90%以上的去除率。处理效率受到固液比（S/L比）和处理质量的强烈影响，突出了过程优化的关键操作变量。总体而言，所提出的水解路线构成有效的预处理策略，用于生产尿素-甲醛树脂含量大幅降低的木纤维，从而支持树脂粘合木材废料的循环增值。

**研究背景与问题**
中密度纤维板（MDF）等工程木制品因使用尿素-甲醛（UF）树脂而具有优异的力学性能和低成本，但该树脂在板材废弃后成为纤维回收的主要障碍。UF树脂含有甲醛（致癌物），其释放对环境和人体健康构成风险。全球MDF产量持续增长（2024年超1.17亿立方米），约四分之一的生产废料以及大量消费后板材面临处置难题。现有研究多集中于实验室条件下均质MDF的水解，缺乏对异质工业废料（如MDF、三聚氰胺饰面MDF、定向刨花板（OSB）、胶合板）的系统比较，且对固液比（S/L比）和批量处理量等操作变量的关注不足。拉丁美洲地区针对UF树脂水解去除的研究尤为有限。因此，本研究旨在评估不同水解策略对异质工业废料中UF树脂的去除效果，分析操作变量的影响，并验证总凯氏氮（TKN）法作为监测树脂降解实用工具的可靠性，以支持循环经济框架下的树脂粘合木材废料回收。

**研究内容与结论**
研究人员在乌拉圭蒙得维的亚的PTIC工业园区收集家具制造产生的废料（包括MDF、三聚氰胺饰面MDF、OSB、胶合板及混合样品），采用溶剂辅助水解（0.1 M草酸、0.1 M氢氧化钠、自来水，80 °C，90 min，搅拌）和蒸汽辅助水解（高压釜，121–134 °C，30–45 min）进行UF树脂去除实验。通过TKN分析和元素分析测定氮含量以量化树脂去除率，并评估质量损失和半定量甲醛释放。结果表明，0.1 M草酸溶剂辅助水解可去除高达95%的氮（对应树脂去除），蒸汽辅助水解（仅蒸馏水）在134 °C、30 min条件下去除率超过90%。处理效率显著受S/L比和初始样品质量影响：S/L比从1:100降至1:10时，树脂去除率从93%降至53%；蒸汽辅助水解中，样品质量从5 g增至27 g时，去除率从90%以上降至25%。TKN法与元素分析结果高度一致（差异<1%），验证了TKN作为监测树脂去除简单可靠方法的适用性。论文发表在《Processes》。

**关键技术方法**
研究采用两种水解途径：（1）溶剂辅助水解：在80 °C、磁力搅拌下，使用0.1 M草酸（H₂C₂O₄）、0.1 M氢氧化钠（NaOH）或自来水处理木废料90 min，通过真空过滤分离纤维并干燥；（2）蒸汽辅助水解：在实验室高压釜中，于饱和蒸汽条件下（121–134 °C，30–45 min）处理样品，同样经过滤、洗涤获得纤维。树脂去除效果通过总凯氏氮（TKN）法测定氮含量（因UF树脂含氮而木材天然氮极低）计算，并用元素分析（Thermo Scientific Flash 2000）交叉验证。此外，使用Quantofix?甲醛指示条半定量检测释放的甲醛，并通过质量损失评估处理程度。样本来源为乌拉圭蒙得维的亚PTIC工业园区的家具制造车间，废料包括MDF、三聚氰胺饰面MDF、OSB、胶合板及混合样品。

**研究结果**
**3.1. 水解性能概览（Overview of Hydrolysis Performance）**
通过TKN法测定氮去除率，元素分析验证最佳处理结果。研究发现，水解介质和操作条件显著影响UF树脂去除效率。

**3.2. 溶剂辅助水解（Solvent-Assisted Hydrolysis）**
**水解介质比较**：使用0.1 M草酸处理碎MDF时，氮去除率达95%，显著高于NaOH（69%）和自来水（30%）。基于回收纤维的氮测定与基于水解液的测定结果一致（差异约1%），证实纤维直接分析法的可靠性。**不同板材适用性**：0.1 M草酸对混合样品、OSB及三聚氰胺饰面MDF的树脂去除率分别为93%、89%和83%，表明该法适用于异质工业废料。**固液比影响**：S/L比从1:100降至1:10时，树脂去除率从93%降至53%，显示溶剂可用性是关键优化参数。

**3.3. 蒸汽辅助水解（Steam-Assisted Hydrolysis）**
**温度与时间影响**：以碎MDF为对象，温度从121 °C升至134 °C显著提高去除率，而反应时间从30 min延至45 min效果有限。最佳条件为134 °C、45 min。**初始样品质量影响**：样品质量小于5 g时去除率>90%，增至10.62 g和27.02 g时分别降至33%和25%，表明反应器装载量是限制蒸汽渗透和传热的关键变量。**质量损失**：质量损失与树脂去除正相关，但损失比例低于去除比例，说明水解主要降解树脂而保留木质纤维结构。

**3.4. 元素分析验证（Validation by Elemental Analysis）**
对未处理MDF及两种最佳处理样品（0.1 M草酸溶剂辅助水解S/L=1:100，蒸汽辅助水解134 °C/30 min）进行元素分析。未处理MDF氮含量为3.2%，溶剂辅助水解后降至0.2%（去除率93.75%），蒸汽辅助水解后降至0.6%（去除率81.25%），与TKN结果高度一致，确认TKN法可靠。

**总结讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究结果与文献一致，酸性介质（尤其是草酸）对UF树脂水解效果最优，这与酸催化断裂亚甲基和亚甲基醚键的机理相符。自来水水解能力有限，碱性条件效果较差。蒸汽辅助水解在无化学试剂条件下实现高效去除，但其性能受反应器装载量强烈影响，这是先前研究中被忽视的关键变量。TKN法与元素分析的高度一致性表明TKN是成本低、易获取的实用监测工具，尤其适用于缺乏元素分析仪的实验室。研究还指出，拉丁美洲地区相关研究极少，本工作填补了该区域异质工业废料水解回收的空白。
**结论部分翻译**：本研究评估并比较了溶剂辅助和蒸汽辅助水解作为从树脂粘合木材废料中去除UF树脂的预处理策略。结果表明，两种方法均能回收树脂含量大幅降低的木纤维，并提供了水解性能受操作变量影响的实验证据。在评估的处理中，使用0.1 M草酸的溶剂辅助水解实现了最高的树脂去除效率，而蒸汽辅助水解被证明是一种有效的无化学试剂替代方案。结果进一步表明，水解性能不仅取决于所选处理，还取决于关键操作参数。特别是，固液比显著影响溶剂辅助水解，而初始样品质量（反应器装载量）成为控制蒸汽辅助水解效率的关键参数。这些发现强调了在考虑未来放大和工业实施时过程优化的重要性。从分析角度来看，TKN法与元素分析之间的高度一致性证实了氮测定可作为水解后残留UF树脂的可靠指标。考虑到其简便性、较低的分析成本和更广泛的可用性，TKN法代表了在实验室规模水解研究中监测树脂去除的实用分析工具，尤其是在元素分析仪不常用的实验室中。尽管所提出的处理在评估的实验室条件下有效，但本研究也表明水解性能受操作变量（如反应器装载量和固液比）的强烈影响。因此，在大规模实施之前，需要涵盖更广泛操作条件的额外研究。总体而言，本研究证明，从UF粘合板材中成功回收木纤维不仅取决于选择合适的水解策略，还取决于优化关键过程变量和应用可靠的分析方法监测树脂去除。通过将过程评估与分析验证相结合，本研究为支持树脂粘合木材废料循环回收的可持续技术未来发展贡献了方法和操作知识。