木材工业砂光粉的回收和资源化利用途径

低碳经济已成为世界经济的主要发展模式之一，其核心是通过技术创新、产业转型、新材料开发等多种手段降低生产和流通过程中的能源和资源消耗，实现以较少的温室气体排放支持经济社会发展与生态环境保护双赢的目标[1]。推进和实现低碳经济，重要的是做好节能减排和发展循环经济[2-3]。

中国是全球最具影响力的木制品生产、贸易和消费大国，家具、地板、木门、人造板等加工企业遍布全国各地，木材工业产品产量稳居世界第一。伴随行业产能不断扩增，生产线的废弃物日益增加[4-5]。木材和人造板等木质材料在加工过程会产生大量砂光废料(木质废屑和粉尘)，严重制约我国木材工业高质量可持续发展。据不完全统计，一条年产量为20万m3的中(高)密度纤维板连续热压生产线平均每日产生10～15 t砂光废料。在传统生产过程中这些碎料难以及时处理，因而埋下诸多安全隐患。合理利用木材工业剩余物、砂光粉等生物质资源可有效降低木材消耗，缓解我国木材短缺形势和助推木材工业产业的创新发展，提高企业的社会价值和经济效益[6]。本文中通过对木材工业砂光粉回收利用技术进行整理和对比，提出高值化木质纳米功能材料的开发和研究方向，以期为我国低碳经济模式下木质材料砂光粉回收利用模式的构建提供思路。

1 木材工业砂光粉的危害

1.1 砂光粉的种类和形态

木材工业砂光粉主要包含木材、人造板、油漆木制品等材料在加工过程中的砂光废料，主要是由砂光机对板材进行表面打磨时产生的碎屑和粉尘，统称为木材工业砂光粉。其中，以人造板砂光粉居多，主要来源于胶合板、纤维板、刨花板及其他人造板等产生的砂光废料。该类板材主要以小径级木材、加工剩余物、单板或刨花等为原料，经干燥后，施加脲醛树脂或其他胶黏剂，再经热压而制成的一种人造板材。

我国是人造板生产和消费大国，人造板产量占全球人造板总产量的50%～65%。据统计，2019年我国人造板产量高达3.09亿m3，消费量约为2.94亿m3。尽管中国人造板产业改革成效显著，但人造板生产工艺决定了人造板生产易产生固体废弃物、粉尘等多种环境污染物。以我国年产人造板3亿m3计，每年产生砂光粉至少1 000万m3以上。随着人造板行业规模不断扩大，由此带来的生态环境污染问题日益突出，成为木材工业创新发展的制约因素。表1所示为常见木材工业砂光粉的主要种类和组成。

木材工业砂光粉是木材、纤维板、刨花板、胶合板等人造板生产中都会产生的固体废料，也是木材工业生产过程中粉尘污染的重要来源。木材工业砂光粉主要为有机物，具有颗粒粒径(5～300 μm)小、堆积密度(150～200 kg/m3)低、空气中漂浮时间长、易迁移和扩散等特点，极易造成大气环境粉尘污染。有研究证实，木材工业砂光粉尘粒径分布和质量浓度与被加工的木质材料含水率[7]、加工条件、砂带规格、风机功率等都有关系。此外，木质粉尘颗粒物粒径大小与粉尘燃爆息息相关，粒径越小则爆炸危害性越大[8-9]，严重威胁人身健康甚至生命安全。由此可知，有效利用木材工业砂光粉废弃物是保证木材工业产业健康发展的关键。

1.2 木材工业砂光粉的应用和潜在危害

木材工业砂光粉属于木材工业固体废弃物，不能随意倾倒或填埋。实际生产中，经常伴随木材工业砂光粉大量堆积、随风飘散以及火灾隐患等难题[10]。长时间在高质量浓度木材工业砂光粉尘的环境下工作，很容易吸入空气粉尘而侵害人体呼吸系统，造成不同程度的支气管炎、哮喘和肺气肿等疾病，严重时可能诱发鼻癌[11-13]。

木材工业砂光粉是木材和人造板生产过程中的主要粉尘污染源之一，极易发生火灾和燃爆。粉尘爆炸通常是指一定浓度的可燃性粉尘颗粒物与氧气在密闭或半密闭空间内触及点火源时发生的伴有发光、释热、爆炸的快速化学反应过程[14]。为了评价木质砂光粉着火爆炸的危险性，任瑞娥等[15]采用恒温加热控制装置，探究木质砂光粉浓度、粒径和分散压力对粉尘云最低着火温度的影响，结果表明，优化条件下木质砂光粉着火敏感质量浓度为454 g/m3，最低着火温度随粉尘粒径的增大而升高，粉尘粒径为38 μm左右时的最低着火温度为474 ℃。郭露等[16]探究了木质粉尘种类、粒径分布、粉尘浓度等因素对燃爆最大压力的影响，结果表明，优化条件下粉尘粒径分布对最大爆炸压力影响最为显著，粉尘粒径小于63 μm时的最大燃爆压力上升最快，达到最大爆炸压力的时间最短。裴凤娟等[17]通过实验模拟自然堆积状态下木质砂光粉的火灾危险性，结果表明，木质砂光粉最低着火温度随堆积厚度的增大而降低，堆积厚度达到15 mm时的粉尘最低着火温度仅为290 ℃，若此时遇到明火、机械摩擦、碰撞火花或静电放电火花等足够的诱发能量，则必然引发燃爆与火灾。

通常来讲，木质砂光粉与油漆粉尘在较低外部能量激发下可能诱发爆炸[18-19]，其中木质砂光粉的爆炸质量浓度下限约为30.2～40.0 g/m3，部分油漆、涂料等表面装饰材料砂光粉尘的爆炸下限则低至25 g/m3。当局部空间的粉尘达到其浓度下限时，就具备了燃爆的必要条件，大面积的粉尘燃爆必然会造成严重的财产损失和人员伤亡。此外，灭火时因外力产生的粉尘云也易引发二次爆炸而造成更严重的火灾危害。

木材工业砂光粉主要为有机物，属于一种生物质可再生利用资源。图1所示为木材工业砂光粉的资源化潜在应用。近年来，木材工业砂光粉回收利用在很多地区和企业都有着广泛应用，并且取得了良好的效益和经验。目前，木材工业砂光粉的大掺量回收利用主要以燃烧供热为主，也有部分企业将木材工业砂光粉回填用于中(高)密度纤维板和刨花板生产、制作燃烧碳棒和焚香、替代苯酚合成酚醛树脂胶黏剂等，但产品质量欠佳、市场用量较小，难以用于高值化处理大批量木材工业砂光废料。影响木材工业砂光粉回收利用的因素较多，梳理木材工业砂光粉回收和资源化应用，有利于优化木材工业砂光粉处理方法，对木材工业产业的提质升级具有重要作用。

2 木材工业砂光粉资源化利用的现状

2.1 生物质燃料

木材、竹材等木质材料本身均属于易燃和可燃材料，燃烧时可以释放大量的热量，供给人们日常生活和工业使用。砂光粉等农林加工废弃物也是优良的生物质燃料，属于清洁、可再生能源。尽管其发热量(约16.8 MJ/kg)较I级燃煤发热量(27.1～37.2 MJ/kg)还有一定差距，但完全可部分替代煤炭，满足工业用能和环保需要。目前，砂光粉用作燃料时，较为可靠的燃烧方式有喷燃、燃烧机燃烧和气化燃烧等3类，主要为锅炉或热油炉等提供热能[20-21]。

砂光粉用作热能中心锅炉燃料时，通常采用喷燃悬浮燃烧，主要有砂光粉直接喷燃和旋风冷却喷燃2种方式[22]。直接喷燃采用砂光粉输送风机将料仓内砂光粉经回火装置(止回阀)和砂光粉喷嘴喷入锅炉进行燃烧，具有设计简单、操作方便等优点，但由于砂光粉容易回火、安全隐患较大，往往需要采用一定的技术措施确保其燃烧的安全性。旋风冷却喷燃与直接喷燃相似，区别主要在于砂光粉喷嘴不同，旋风冷却喷燃喷嘴内层设有旋转导料装置，外层设有冷却风夹套。砂光粉在喷嘴内旋转喷入锅炉，同时伴随着夹套持续通风。其优点在于喷嘴寿命较长，运行相对稳定。目前，多数人造板企业将砂光粉回收作为与煤共燃的喷烧燃料，然而具体应用过程中还存在着砂光粉料仓易堵塞、炉膛燃烧不充分等技术问题。就砂光粉输送过程而言，砂光粉中的纤维状和片状颗粒在振动和加压条件下容易发生机械啮合作用，造成排料口堵塞；同时砂光粉具有较高的比表面积，碎料颗粒相互之间具有较大的接触面和静电吸附力，易造成流动性受阻；此外，砂光粉作为喷烧燃料时，燃烧效率低且燃烧速率控制难度高。这主要是由于砂光粉中含有的少量灰分(硅、钙、镁离子等)，在燃烧时生成部分无机或金属氧化物，伴随着燃烧产生的碳颗粒、木焦油等会逐渐粘附在炉膛内壁，形成较厚的胶状硬壳物质，降低锅炉传热效率，因此，采用砂光粉作为喷烧能源的锅炉内壁要定期进行清灰和除渣处理。

随着生物质能源的利用和开发，生物质气化技术越来越受到人们重视。利用气化炉将砂光粉等废料转换为气体燃料，然后再燃烧供热。具体思路是利用先进的快速流态化技术和生物质热解气化技术，细小的砂光粉废料经高温热化学反应转换为高品质的气体燃料(木煤气)。收集的木煤气可作为锅炉的补充燃料，具有安全高效、稳定可靠和节能环保等优势，极大地降低灰渣生成量。此外，砂光粉气化产生的木煤气还可用于燃气发电和生活用煤气，但存在设备投资大、运行管理要求高等缺点。

不同企业(家具车间、人造板生产线等)的砂光粉成分差异较大，气化产物也更复杂。生物质气化通常会伴随产生HCN、NH3、HCNO等含氮气体副产物，这类副产物在后续易生成NOx、N2O等有毒有害气体，通常需要使用合适的废气净化技术进行污染物处理。若气体排放不达标，则很容易造成空气的“二次污染”。人造板由于普遍含有脲醛树脂胶黏剂和含氮功能助剂，因此其含氮量远超过一般木材砂光粉的，氮元素的质量分数一般可达到5.3%～10.6%，甚至更高。杨会凯等[23]研究了不同原料(麦秸、松木、砂光粉)在高温热解时产生气体污染物的差异，阐明3种生物质热解产生的气相含氮物质以NH3为主，同时伴随少量的HCN，HCN生成速率的急剧增加主要发生在800 ℃之后。此外，高温热解时砂光粉产生的HCN和NH3总量显著高于麦秸、松木产生的，800 ℃时HCN和NH3的生成总量约是麦秸和松木的2.2倍；部分砂光粉含氯、苯等成分在高温热处理时也会加剧有害气体产生和环境污染。由此可知，采用气化炉处理砂光粉获得木煤气投资较高，安全运行条件相对苛刻，需要做好设计降低砂光粉的粉尘污染，消除砂光粉发生燃爆和火灾风险；同时，需要确保充足的原料供应。尽管目前砂光粉市场保有量较高，但其运输成本高(堆积密度低、体积蓬松)，而少数几家企业砂光粉产量难以满足气化炉生成木煤气的工业化需求。

生物质致密成型技术的发展为砂光粉废料作为工业化块状成型燃料提供了可能。砂光粉废料再加工为成型燃料，主要是指砂光粉在高温、高压条件下经挤压成型的块状燃料，一般呈正六边形或圆形截面的长条状。成型燃料也可再经炭化加工，制成机制木炭。砂光粉的致密成型工艺有助于消除粉尘燃爆风险，降低运输成本，节约煤电等能源消耗，缓解企业能源消费高等问题[24]。成型燃料的显著优势是无须外加胶黏剂，依靠机械加压和加热方式，使松散的生物质碎料密实化。与散状燃料相比，成型燃料的体积压缩率高达80%～90%，达到较高的密度(1.1～1.4 g/cm3)，节省储存和运输空间。此外，砂光粉经密实化成型后，热效率可由10%～30%提高到80%～90%，提升效果显著[25]。桑会英等[26]研究了砂光粉等生物质成型燃料热解过程的气体析出物，探明成型处理可以显著降低发热量热解初期(≤350 ℃)约16%质量分数的含硫化合物生成量，当温度继续升高时效果不显著。主要原因是成型燃料高温热解过程中，气固交互和二次反应更为复杂。

与喷烧燃料相似，阻碍生物质成型燃料推广应用的主要原因是热转化过程会引起积灰结渣、颗粒物和有毒有害气体排放等问题。木材工业砂光粉不仅含有少量灰分物质，同时包含少量砂光带脱落物SiO2微粒，在高温熔融状态下容易与碳材料发生化学反应生成SiC，极易粘附在喷嘴及炉膛内壁，形成的固体结渣难以清除，影响设备寿命且污染环境[27]。此外，稻草、秸秆类板材砂光粉比木材砂光粉制造成型燃料难度更高，主要原因是这些砂光粉含有较多的无机矿物质(如SiO2等)，在高温耦合作用下木质纤维素难以形成有效结合，导致成型压力更高；而且砂光粉通常需要与一些细长纤维类碎料(木纤维、细刨花等)混合使用，改善成型燃料初强度低、容易掉渣和燃烧热值波动挠度大等问题。

机制木炭主要利用砂光粉加工得到的棒状成型燃料在无氧(或缺氧)条件下经炭化炉预先炭化而制成[28]。这种木炭可部分替代工业燃料，广泛应用于化工、保温、烧烤燃料等；机制木炭进一步深加工也可用于生产二硫化碳等化学物质以及干燥剂、活性炭、除味剂等材料；此外，在制造机制木炭的过程中，还可用于回收木焦油；然而，采用砂光粉为原料制备的机制木炭产品质量较差，目前鲜有企业进行规模化应用生产。

2.2 外加填料

2.2.1 人造板填料

砂光粉可作为新的人造板原料的填料。通常纤维板企业产生的砂光粉主要有2种，包括粗砂和精砂。砂光粉回填制造人造板时，由于精砂产生的砂光粉颗粒太小，施加时粉尘过大而不宜添加，因此通常使用粗砂砂光粉。部分纤维板企业利用高压风机将粗砂砂光粉投入干燥管道(靠近热磨机喷浆管口)并与木纤维混合、热压后制成新的纤维板[29]。吉林森工结合中密度纤维板生产线实际情况[30]，提出粗砂和精砂2种砂光粉综合利用模式，即将粗砂砂光粉加入纤维板板坯，精砂砂光粉置于锅炉供热，结果表明，砂光粉分级利用可提高板面质量，同时节约锅炉用煤消耗，每立方米板材煤耗降低3.57%，提高了企业整体经济效益。也有部分企业在纤维铺装工段进行改制，增加前后2个成型室，将砂光粉拌胶后与干燥管道施胶纤维混合或分层铺装在人造板板坯表层，热压成板[31]。

人造板砂光粉与传统木纤维不同，成分和特性也更复杂。主要原因是人造板砂光粉是木纤维经施胶、干燥、热压和磨削而产生的，且一般为人造板表面的预固化层碎料，其纤维素、半纤维素、木质素均遭到一定程度破坏。这类碎料表面原有的木纤维细胞结构(如导管、细胞腔、纹孔等)大都堵塞，且细胞壁中的结合水也基本全部损失(含水质量分数一般不大于3%)。尽管这类砂光粉在干燥管道初期(靠近热磨纤维喷射口)可结合湿纤维干燥释放的大量自由水；但在干燥管道出口很容易失去表面自由水而恢复到原先低含水率状态，因此过多砂光料掺入生产原料会造成原料含水率不均，增加人造板芯层热压固化的负担，还可能增加生产成本和降低板材力学强度。由此，人造板中砂光粉的质量分数通常不宜超过25%。此外，砂光粉回填制备纤维板时，由于砂光粉微粒小、比表面积大，因此回用时会增加人造板施胶量，增加胶黏剂成本和甲醛释放量，工艺把控不严时还会增加后续气流铺装时的粉尘污染。

2.2.2 胶黏剂填料

砂光粉主要成分是纤维素、木质素、半纤维素等。其中，木质素是一种芳香族高分子化合物，主要含有苯丙烷基本结构，分子中有酚羟基、甲氧基、羧基等官能团，具有良好的化学反应活性，可与甲醛发生缩合反应得到类似于酚醛树脂结构的高分子胶黏剂。砂光粉可以替代苯酚合成水溶性酚醛树脂胶黏剂，具体步骤是将一定量砂光粉与苯酚、催化剂等混合搅拌生成黑色液体，然后与甲醛溶液在一定条件下聚合获得。该技术的实质是利用砂光粉原料中的木质素部分替代苯酚，其制备工艺省略了单宁、木质素的提取工序，使得砂光粉可完全利用，具有工艺简单、胶合强度良好、使用方便等特点。砂光粉可以回收作为胶黏剂填料、添加剂和补充材料，一般砂光粉可替代质量分数约为30%的苯酚原料，酚醛树脂胶黏剂中砂光粉的质量分数可占到5%～15%。通过该技术，可以显著降低酚醛树脂胶黏剂原料成本[32]。由于砂光粉约含8%～12%(质量分数)的预固化胶料(以脲醛树脂胶热压中密度纤维板为例)，因此，该技术的实施存在木质素含量偏低、产品纯度不高等缺陷。

砂光粉也可替代面粉作为酚醛树脂或和脲醛树脂胶黏剂填料。砂光粉的吸水性使胶黏剂与填料的混合物体积膨胀且黏度增大，导致胶黏剂难以涂布而使掺量减少。一般木材砂光粉的吸水体积膨胀率为40%～50%，刨花板砂光粉的为20%～30%，面粉的约为20%，因此作为胶黏剂填料时，人造板砂光粉优于木材砂光粉，其吸水性与替代物面粉基本相当，可替代面粉用于胶黏剂材料。砂光粉较优的质量分数为10%～15%，压制后的胶合板强度基本不变，同时砂光粉的加入降低了板材约17%的甲醛释放量[33]。

2.3 复合材料

2.3.1 木塑复合材料

木塑复合材料主要指利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等代替传统的树脂胶黏剂，与一定量的砂光粉混合，并经高温挤压、模压等加工而成的新型木质材料，具有力学强度高、耐水耐腐等优良特性，广泛应用于家具、户外墙板、步道走廊、物流包装等领域。

孙妍等[34]采用纤维板砂光粉与聚乙烯和废旧轮胎橡胶粉共混，热压制备三元复合板，结果表明，复合板中纤维板砂光粉添加的质量分数高达40%，主要原因是热塑性聚乙烯在高温条件下具有较好的流动性和粘结强度。此外，纤维板砂光粉均匀分散在高密度聚乙烯和橡胶基体中，在复合材料的拉伸应力传递和分散方面也发挥了积极作用。Zhang等[35]利用高强度异氰酸酯胶黏剂预处理酚醛泡沫碎料和木质纤维并热压成型，优化后的复合板中酚醛泡沫碎料的质量分数为30%，复合板具有优异的阻燃效果，极限氧指数超过37.3%。肖泽芳[36]采用加热挤出工艺，利用家具厂砂光粉开发增强型聚苯乙烯复合塑料。当砂光粉添加质量分数从10%增加至50%时，复合塑料的拉伸和弯曲强度均呈现先增大再减小的趋势，说明适量的砂光粉有助于提高复合塑料力学性能；同时，随着砂光粉含量持续增加，其在塑料基体中发生团聚会增加砂光粉-聚苯乙烯界面的应力缺陷，造成复合材料强度下降。Chavooshi等[37]利用纤维板砂光粉和纳米黏土共掺制备聚丙烯复合塑料，探明纤维板砂光粉最优的添加质量分数为40%～60%，过量掺入会增加复合塑料的吸水率和吸水厚度膨胀率。这主要是因为砂光粉过量时，砂光粉与聚丙烯塑料的两相界面存在较多微细孔隙，这些孔隙成为水分良好的通道，所以造成复合塑料吸水膨胀和强度下降。

2.3.2 无机复合材料

砂光粉掺杂还可用于复合黏土、陶瓷和水泥等无机复合材料制造。徐信武等[38]探索了木质砂光粉在陶瓷基复合材料中的资源化应用。当木质砂光粉掺杂质量分数为10%～15%时，陶瓷器皿的质量可减小40.5%，且强重比提高67%，具有质量小、孔隙率高和透气性好等优点。Paki[39]以水泥为主要原料，添加质量分数为10%～30%的木材砂光粉，混合养护成型后制备密度为1.51～1.70 g/cm3的无机轻质复合材料，相对于水泥材料密度降低9.6%～19.7%，脆性断裂强度显著提高。尽管复合板添加了质量分数为30%的木材砂光粉后，弯曲强度下降7.4%～21.8%，但仍可满足非承重水泥材料的应用要求。Torkaman等[40]利用纤维板砂光粉、稻壳灰和石灰石废弃物等分别替代25%(质量分数)的水泥，用于生产轻质混凝土砌块。原料经混合、浇筑和养护成型后，木质砂光粉掺杂使得水泥混凝土砌块的密度下降30%，产品更加轻量化，然而，木材工业砂光粉掺杂水泥混凝土的压缩强度(16.1 MPa)相对于对照组(62.9 MPa)下降超过83.9%。主要原因是木质砂光粉掺杂会影响水泥水化，当掺量较高时，砂光粉中的木质素、半纤维素等物质在水泥碱性环境下易发生水解，造成砂光粉-水泥两相界面结合不紧密，导致混凝土力学强度急剧下降。

2.3.3 新型纳米功能材料

从原料成分和特性方面分析，木材工业砂光粉主要来源于木材或人造板等板材，其成分与被加工材料(木材、人造板、木质功能材料等)的基本相同，主要为木纤维碎料和少量的已固化胶黏剂和功能助剂。砂光粉为细小的有机物粉尘颗粒，基于木材加工生产时使用的木材、胶黏剂、功能助剂及其他添加剂等种类不同，砂光粉的主要成分一般区别较大。传统人造板砂光粉尘主要是含碳约为40%～47%(质量分数，下同)、氧44%～46%、氢3.3%～5.4%、氮0.5%～10%及其他元素的复合物。通过高温水热、溶剂热炭化等手段处理木质碎料，以此提取木质纤维素中的有效化学物质和成分，并在高温高压条件下合成新型纳米材料，可广泛应用于荧光显示、生物传感、靶向增强等功能材料领域[41]。

近年来，随着纳米技术和纳米功能材料的快速发展，功能型高附加值纳米材料日益受到市场的青睐，利用砂光粉中的化学物质和提取物开发新型纳米功能材料(发光、阻燃、净化甲醛等)具有重要意义。Zhang等[42]利用木质纤维素碎料开发荧光碳量子点纳米材料，探明氮元素含量较高的生物质原材料水热抽提可获得较高N、C质量比的抽提液，并以此抽提液为潜在的碳源和杂原子来源获得高含量异元素掺杂的碳纳米材料。此外，通过不同功能性掺杂，目前已实现碳纳米材料在发光、阻燃、净化甲醛等方面的诸多功能[43]，新型碳基纳米复合功能材料在荧光显示、温度传感、阻燃防火、光催化降醛等领域的开发和应用，有望实现木质砂光粉高附加值工业化应用。

3 结论与展望

随着国家对生态环境保护工作的重视和加强，木材工业砂光废弃物治理逐步走上法制化轨道。木材工业砂光粉回收和资源化利用能够产生积极的经济效益、社会效益和生态效益，对企业自身和社会具有重要的意义。由于木材工业不同企业的主打产品各异，因此其砂光粉产量和组成均存在很大差异，砂光废弃物资源化利用技术的大规模推广依然存在燃烧热效率低、原料利用率低和配套设备投资高等诸多问题，但在砂光粉回收、装备和新材料工艺技术等方面研究仍然有较大的发展空间，具体可从以下几点着手：

1)加强木材工业砂光粉的分类回收和管理。加大技术创新，突破现有技术瓶颈，研究和开发先进的粉尘清理、防爆等工艺和设备，真正实现木材工业清洁生产，最大限度地减少对环境造成的污染，并提高资源的综合利用水平。

2)积极研发和打造推广性强的新型砂光粉资源化利用模式。完善砂光粉回收到创新资源化应用的产业链闭环，达到变废为宝，推动我国木材工业创新发展之路，实现经济社会的绿色高质量可持续发展。

3)开发新型碳基纳米功能材料将是未来木材工业砂光粉资源化应用的重要方向之一。有效利用木质砂光粉化学组分，实现其在荧光显示、温度传感、阻燃防火、光催化降醛等高附加值领域的应用，有望提升木质砂光粉综合应用价值，并为其资源化利用提供思路。

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