硫酸鹽法蒸煮對(duì)速生桉木化學(xué)成分和性能的影響

硫酸鹽法蒸煮對(duì)速生桉木化學(xué)成分和性能的影響

卡波值通常用于表征紙漿中殘留的木材含量。這是控制化學(xué)法律風(fēng)格生產(chǎn)的主要基礎(chǔ)。對(duì)于常見木材化學(xué)法制漿中工藝條件對(duì)紙漿得率和卡伯值等重要參數(shù)影響的研究已有大量的報(bào)道。而對(duì)于近年來在我國(guó)推廣的、用于制漿造紙的新樹種之一的速生桉木化學(xué)制漿工藝中蒸煮終點(diǎn)紙漿目標(biāo)卡伯值的綜合研究還很有限。因此,進(jìn)一步研究速生桉木化學(xué)制漿工藝,對(duì)于選擇合理的蒸煮終點(diǎn),提高原材料的利用率和節(jié)能減排都具有重要的指導(dǎo)意義。本課題在典型的硫酸鹽法制漿工藝條件范圍內(nèi),對(duì)速生桉木進(jìn)行了蒸煮。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,得出了在本實(shí)驗(yàn)條件下速生桉木KP法蒸煮較為理想的終點(diǎn)卡伯值。1實(shí)驗(yàn)1.1改善alyptus長(zhǎng)桉和巨桉品種的選育桉木由廣東省雷州林業(yè)局提供,是尾葉桉(EucalyptusUrophylla)和巨桉(EucalyptusGrandies)雜交的速生新樹種,樹齡為6年,切片篩選后風(fēng)干儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?.2原料的蒸汽和氮?dú)忸A(yù)處理硫酸鹽法蒸煮實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為420型CAS油浴蒸煮器,配有6個(gè)容積為2.5L的不銹鋼蒸煮罐。每個(gè)蒸煮罐的頂部和底部均安裝有可調(diào)節(jié)的閥門,每罐的裝鍋量為200g絕干木片。蒸煮條件為:有效堿用量17%～23%(以NaOH計(jì),下同),硫化度25%～45%,最高溫度145～160℃,保溫時(shí)間45～135min,液比1∶4,從90℃到最高溫度的升溫速率為1℃/min。為加速蒸煮過程中藥液的滲透和改善蒸煮的均勻性,對(duì)原料分別進(jìn)行了蒸汽和氮?dú)忸A(yù)處理。首先將蒸汽通入裝有木片的蒸煮罐中,調(diào)節(jié)閥門使罐內(nèi)壓力保持在0.2MPa,持續(xù)10min,然后加入藥液;再向混合了木片和藥液的罐中通入氮?dú)?罐內(nèi)壓力達(dá)到0.9MPa時(shí)將蒸煮罐密封,并放入溫度為90℃的旋轉(zhuǎn)油浴鍋中30min;放出罐內(nèi)的氮?dú)?再次密封蒸煮罐并置于油浴鍋中,開始升溫、計(jì)時(shí)。蒸煮結(jié)束后,對(duì)漿料進(jìn)行清洗、疏解、篩選、脫水并分散均勻,平衡水分后檢測(cè)各項(xiàng)性能。1.3分析和測(cè)量殘余有效堿含量、漿料卡伯值、黏度和得率的檢測(cè)均按照參考文獻(xiàn)進(jìn)行,己烯糖醛酸的測(cè)定參考文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行。2結(jié)果與討論2.1堿濃度對(duì)原料得率的影響圖1為不同工藝條件下得率隨卡伯值的變化規(guī)律,其中所有實(shí)驗(yàn)的粗渣率為零。由圖1可知,在給定的蒸煮起始有效堿濃度下,原料完全成漿后漿料得率的降低與卡伯值的減少呈現(xiàn)線性關(guān)系。當(dāng)卡伯值降至15～16以下時(shí),得率隨卡伯值的降低更為顯著,說明此時(shí)繼續(xù)降低卡伯值(脫木素)將犧牲得率。因此,卡伯值15～16是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從圖1還可以看出,過高的蒸煮起始有效減濃度會(huì)導(dǎo)致漿料得率顯著降低。2.2木素的含量與固結(jié)劑的關(guān)系對(duì)于未漂漿,其得率可基本看作是纖維素、半纖維素以及殘余木素的總和,可稱其為漿料的表觀得率。化學(xué)制漿的目的是脫出木素,因此筆者認(rèn)為用不含木素的漿得率評(píng)價(jià)工藝更為合理。由文獻(xiàn)可知,堿法蒸煮化學(xué)漿的卡伯值主要來源于漿中的殘余木素和己烯糖醛酸基團(tuán)。因此可以用式(1)來近似計(jì)算漿料中殘余木素的含量,即:L=0.13(K-0.086HexA)(1)其中,L表示殘余木素含量,K和HexA分別表示漿料的卡伯值和己烯糖醛酸的含量(μmol/g)。0.13是卡伯值與木素含量之間的比例系數(shù)(對(duì)得率小于70%的漿料,木素的含量可用卡伯值乘以0.13進(jìn)行估算),0.086是己烯糖醛酸對(duì)測(cè)量卡伯值貢獻(xiàn)的比例系數(shù)(10μmol的HexA等同于0.84～0.86個(gè)單位的卡伯值)。據(jù)此可計(jì)算出不含木素的漿料得率(Yt),即:Yt=Y-0.13(K-0.086HexA)(2)圖2是不含木素漿料的得率Yt與漿料表觀得率Y的關(guān)系圖。由圖2可知,盡管這些工藝條件發(fā)生變化,當(dāng)Y<48.5%時(shí),Yt與Y之間依然呈很好的線性關(guān)系。從該點(diǎn)前后Yt隨Y的變化規(guī)律(即斜率)可以推斷,當(dāng)Y<48.5%時(shí),隨著蒸煮的繼續(xù)進(jìn)行,會(huì)造成漿料中纖維素和半纖維素的顯著損失。從圖1可知,在蒸煮起始有效堿用量為19%～20%時(shí),這個(gè)特征的得率值(Y≈48.5%)就落在卡伯值轉(zhuǎn)折點(diǎn)15～16的范圍內(nèi)。2.3木素含量對(duì)漿料黏度的影響紙漿黏度與相應(yīng)紙張的強(qiáng)度之間有直接關(guān)系,它也反映了纖維素和半纖維在蒸煮過程中受損的程度。嚴(yán)格上說,目前所使用的黏度測(cè)定方法不適于木素含量較高的未漂漿。其原因是漿料中的木素含量高會(huì)影響纖維素在銅乙二胺溶液中的溶解,從而使測(cè)得的黏度值大大低于真實(shí)值。然而,未漂漿的黏度可以用來間接判斷漿中木素殘留的情況。由圖3可知,卡伯值的降低(木素含量的減少)有利于紙漿纖維在銅乙二胺溶液中的溶解,使測(cè)得的黏度值升高。在卡伯值15～16時(shí)其黏度達(dá)到最大值。接著紙漿的黏度值隨卡伯值的進(jìn)一步減小而降低?？梢哉J(rèn)為,當(dāng)木素含量較低時(shí)(卡伯值小于15～16),漿中低含量的殘余木素對(duì)纖維素溶解的影響已不顯著,此時(shí)由于纖維素降解而造成黏度下降的程度大于木素對(duì)纖維素溶解的影響,因此,漿料黏度的變化趨勢(shì)主要是由纖維素降解所造成。從圖3中可以看出,漿料黏度顯著下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)就在卡伯值15～16之間。2.4kp法蒸煮的卡伯值對(duì)堿的消耗的影響圖4是在本實(shí)驗(yàn)條件下,蒸煮液中殘堿濃度隨卡伯值的變化規(guī)律。由圖4的變化趨勢(shì)可知,原料成漿后殘余木素的脫除階段(即卡伯值由26降到15～16的階段)所導(dǎo)致堿的消耗并不十分顯著。而當(dāng)卡伯值降至小于15～16時(shí),堿消耗明顯增加。結(jié)合圖1、圖2、圖3的規(guī)律可以判斷,15～16是速生桉木KP法蒸煮的特征卡伯值。當(dāng)卡伯值低于特征卡伯值時(shí),堿主要消耗于纖維素和半纖維素的降解。綜上所述,盡管KP法蒸煮工藝條件的變化較大,但都存在著一個(gè)卡伯值轉(zhuǎn)折點(diǎn)(15～16),過了該點(diǎn)而繼續(xù)蒸煮,都會(huì)導(dǎo)致漿料得率、黏度以及蒸煮液中有效堿的顯著降低和消耗。因而,KP法速生桉木制漿的目標(biāo)卡伯值不宜低于15～16。2.5伯值處理的影響制漿目標(biāo)卡伯值的合理選擇不僅關(guān)系到原材料的有效利用和漿料的品質(zhì),而且對(duì)生產(chǎn)過程的節(jié)能減排很重要。當(dāng)漿料卡伯值低于特征卡伯值時(shí),繼續(xù)蒸煮不僅造成資源和能源的浪費(fèi),如蒸煮液中碳酸鹽、草酸根離子濃度會(huì)隨蒸煮時(shí)間的增加而增加,較高濃度的這些離子將引起藥品回收系統(tǒng)中蒸發(fā)器的結(jié)垢和腐蝕,而且也將產(chǎn)生很大的環(huán)境污染,過度的蒸煮也會(huì)使蒸煮液中的有機(jī)揮發(fā)物(主要是甲醇)含量增加,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染;可揮發(fā)性總硫化物含量在此后急劇增加,不但嚴(yán)重污染了空氣,也由于硫的損失而增加了生產(chǎn)成本。3速生桉木