PDF《稻草碱性亚硫酸钾清洁制浆工艺研究》

第41卷第 3期2007年 5月 生物质化学工程Biomass Chem ical Engineering Vol .

41 No.

3 May

2007 稻草碱性亚硫酸钾清洁制浆工艺研究 收稿日期 :

2006 -

06 -

21 作者简介 :江启沛 (1970 - ) ,男 ,河北保定人 ,博士生 ,专业方向 :生态生化工程 ,从事造纸黑液转化有机复合肥料的研究 ;

联系电话 :

010 - 82627081;

E2 ma il: cellulose420@163. com. 江启沛 1,

2 , 张小勇

1 , 莫海涛

1 , 李佐虎

1 (1. 中国科学院 过程工程研究所 生化工程国家重点实验室 , 北京 100080;

2. 中国科学院 研究生院 , 北京

100040 ) 摘要:研究了稻草碱性 K2 SO3 - AQ体系蒸煮优化工艺 ,结果表明最佳蒸煮条件为 :

10 % 总碱量 , 0. 8的碱比 , 0.

2 % AQ,最高温度

160 ℃和保温时间

120 m in.所制得纸浆的卡伯值 14. 5,粗浆得率 53.

8 % ,细浆得率 42.

5 % ,本体系较传 统钠基盐蒸煮的优势是其经济的回收系统 ,一种新型的生态循环将在农作物和造纸厂之间形成. 关键词 :碱性 K2 SO3 - AQ体系 ;

稻草 ;

蒸煮 中图分类号 : TQ91;

TS7 文献标识码 : A 文章编号 :

1673 -

5854 (2007)

03 -

0006 -

05 Study on Cleaner Production of Rice Straw Pulp Using Alkaline Potassium Sulfite J I ANG Q i2 pei 1,

2 , ZHANG Xiao2yong

1 , MO Hai2tao

1 , L I Zuo2hu

1 (1. National Laboratory of B iochem ical Engineering, Institute of Process Engineering, CAS, Beijing 100080, China;

2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100040, China) Abstract: A pulping method using alkaline K2 SO3

2 AQ system as cooking liquor to digest rice straw was studied in this paper . The op timal cooking conditionswere

10 % of total alkali, 0.

8 of alkali ratio, 0.

2 % of AQ,

160 ℃ ofmaximum temperature and

120 m in of cooking ti me. Pulp yield reached 53.

8 % , screened pulp yield reached 42.

5 % , and Kappa number was 14. 5. It looks prom ising to use effluents of cooking into fertilizer because it contains rich nutrition such as potassium and lignin. A new ecological cycling maybe set up between paper industry and farm ing . Key words: alkaline K2 SO3

2 AQ system;

rice straw;

cooking 和许多农作物秸秆一样 ,稻草秸秆也可以作 为造纸的纤维资源.但以秸秆为原料造纸制浆过 程产生的黑液由于硅含量较高 ,黏度较大 ,碱回收 率低 ,成本过高 ,使黑液成为环境第一大污染源. 但由于 我国森林资源匮乏,森林覆盖率只有13.

94 % , 木材资源问题给造纸行业的压力和日 益增长的纸张需求使人们的目光不得不再次投向 农作物秸秆.中国是世界上最大的草浆大国 ,但 在日益升级的黑液污染环境问题上 ,中国政府不 得不采取措施关闭草浆造纸厂.河南、 山东等

4 省联合治理淮河把停产关闭指向 5万吨规模.但 就是这样 ,草浆造纸仍然贡献

60 % 以上的中国 纸产量.但黑液处理问题仍是制约中国造纸发展 最主要的因素 [

1 ] . 钾基化学制浆在 50年前就为人所知 ,但并未 引起重视.H′ ng [

2 ] 在硫酸盐法和碱法制浆中 ,用 钾基替代传统的钠基得到较好的得率和较低硬度 的纸浆.最近 Nolan [

3 ] 报道了在硫酸盐法制浆 中 ,钾基比钠基在脱木质素上作用更有选择性 ,在 等物质的量的化学品基础上 ,钾基制浆比钠基制 浆速率要高.以后 A rbokem 公司 [

4 ] 提出 K2 SO3 制浆系统 ,其经济推动力是在废液处理过程中可 以形成有价值的钾基肥料.并在亚麻纤维上比较 了碱性亚硫酸盐制浆两种盐基的经济性 ,钾基制 浆由于黑液

90 % 回收成有价值的肥料 ,因此比 钠基每吨风干浆可降低 14美元.尤其在发展中 的中国 ,草浆还占有统治地位 ,多数造纸厂还没能 力建立碱回收装置.因此钾基制浆不失为一条治 第 3期 江启沛 ,等 :稻草碱性亚硫酸钾清洁制浆工艺研究

7 图1总碱量 ( a)和碱比 (b)对纸浆硬度和纸浆得率的影响 Fig .

1 Effects of the alkali charge (a) and ratio (b) on pulp yield and hardness 理黑液污染的新途径. 虽然清洁制浆工艺最近兴起了许多种 ,但传 统的碱法和亚硫酸盐法制浆仍然是目前中国草浆 制浆最主要最广泛的一种制浆方法.因此本体系 是基于目前中国草浆制浆现状.本文所述的碱性 K2 SO3 -AQ制浆体系在不改变现有的制浆体系 , 并且具有钠基盐所无法比拟的回收系统.由于蒸 煮稻草黑液中含有丰富的 K + 和脱除下来的木质 素 ,可以用作高附加值的腐殖 酸有机钾肥 ,在播种季节可以 直接浇灌麦田.还可以进入碱 回收炉煅烧成很容易分离的 K2 CO3 和K2 SO4 ,避免了白泥 的二次污染 ,形成了良性的可 再生生态循环.不仅消除了黑 液污染 ,而且形成了性能优越 的高附加值肥料.

1 实验1.

1 材料 稻草取自河北白洋淀 ,成分分析如下 :灰分 11.

69 %;

冷水抽出物17.

82 %;

热水抽出物23.

65 %;

苯醇抽出物 3.

12 %;

硝酸乙醇纤维素 43.

17 %;

Klason 木质素 15.

26 %;

酸溶木质素 2.

12 % ,总木质素 17.

38 %;

多戊糖 20.

85 % ,

1 % NaOH抽出物 48.

53 %;

以上数据测定方法 参照文献 [

5 ];

耐破指数和撕裂指数的测定也参 照文献 [

5 ]. 1.

2 方法 采用

15 L ZQS回转式蒸煮反应釜 ,反应釜内 有 4个小型反应罐 ;

将稻草去叶鞘 ,再剪成

1 ~

2 cm长片段放入反应罐内 ,每罐

30 g;

加入含有指 定的蒸煮剂预浸泡

2 h;

开始加热 ,从室温升温到 指定温度 ,中间有小放汽 ,到指定温度保温一定时 间 ,停止蒸煮反应 ;

大放汽 ,并取出反应罐 ,将纸浆 用100目尼龙网拧干挤出黑液并用水洗净.黑液 和纸浆备用测定.

2 结果与讨论 以下讨论各工艺参数是对纸浆硬度和纸浆得 率的影响. 2.

1 蒸煮总碱量和碱比 总碱量和碱比是草浆亚硫酸盐蒸煮的两个最 重要参数.总碱量是指碱的用量之和与麦草干质 量之比 ,通常用 K2 O表示.碱比是 K2 SO3 用量和 总碱量的比值 ,总碱量和碱比是两个相辅相成的 参数.按照 1. 2节的制浆过程 ,在固液比为

1 ∶

6 (原料干质量 ∶ 蒸煮液体积 , g ∶ mL ) , AQ 用量 0.

2 % ,升温时间

60 m in,最高温度

160 ℃,保温 时间

120 m in下 ,总碱量 7.

6 % ~21.

2 % ,碱比 016~0. 9, 实验结果见图 1. 从图

1 ( a)可以看出 ,随着总碱量加大 ,卡伯 值和纸浆得率都明显下降.碱比似乎和总碱量有 着相反的规律.当总碱量达到 15.

2 % ( K2 O)时,卡伯值和纸浆得率都落到合适的范围内 ,其中纸 浆得率 (粗浆 )为53.

8 % ,卡伯值为 14. 5.同时 随着 K2 SO3 用量的增加 ,纸浆硬度和得率都有不 同程度的增加.说明亚硫酸盐蒸煮的得率一般都 要较碱法的高.从图

1 ( b)中可以看出 0. 8是合 适的碱比 ,过高的碱比在纸浆得率没有太大的提 升的情况下 ,硬度却增加很大.从这个试验也可 以看出 ,氢氧化钾不仅有脱木质素的功效 ,而且对 亚硫酸钾脱木质素起到促进和催化的作用. 2.

2 蒸煮最佳温度 ,保温时间 在固液比为

1 ∶ 6, AQ 用量 0.

2 % ,总碱量 15.

2 % (K2 O计),碱比 0. 8蒸煮条件下采用固定 升温时间 ,即从室温到最高温度

60 m in的升温时 间[6]来确定最高温度和保温时间 ,实验结果见 图2. 从图 2可以看出 ,温度对纸浆性能的影响很 大.随着最高温度提高和保温时间的延长 ,纸浆 得率和硬度都显著下降.和传统的 Soda法不同 的是亚硫酸法制浆主要脱木质素阶段在高温段. 因此随着最高温度的升高和保温时间的增长 ,纸8生物质化学工程第41卷图2最高温度 ( a)和保温时间 (b)对纸浆得率和纸浆硬度的影响 Fig .

2 Effects of the digestion temperature (a) and time ( b) on pulp yield and hardness 图3固液比 ( a)和蒽醌用量 ( b)对纸浆硬度和得率的影响 Fig .

3 Effects of solid2to2liquid ratio (a) and AQ dosage ( b) on pulp yield and hardness 浆得率和硬度都明显下降.当 最高温度

160 ℃和保温时间

120 m in时 ,纸浆得率和硬度都 落到合适的范围.说明磺化脱 木质素作用主要是在较高温度 下进行的 ,在最高温度保温足 够的时间才能得到满意性能的 纸浆.但过高的最高温度和过 长的保温时间又会造成得率的 显著下降. 2.

3 固液比和 AQ用量 蒸煮过程中 ,固液比和蒽 醌(AQ)用量是脱木质素过程 中的两个重要辅助因素.固液 比影响了蒸煮药液和原料麦草 的混匀程度和蒸煮液浓度.在 合适的固液比下药液对麦草的 脱木质素作用最强.在固液比 很低时 ,由于药液与原料没有 充分混合 ,因此纸浆硬度较高 , 而过高的固液比又使药液的碱 性下降 ,因此纸浆硬度也会增 加.但得率是随着固液比的增 加而降低 ,从图

3 ( a)可知

1 ∶

6 是合适的固液比.AQ是近些年来常用的制浆蒸 煮助剂 ,少量的 AQ 可以提高纸浆得率和降低纸 浆硬度.从图

3 ( b)可知 ,当AQ用量超过 0.

2 % 时 ,对蒸煮的作用增加并不明显 ,因此 , 0.

2 % 是 最佳的 AQ用量. 2.

4 稻草碱性 K2 SO3 - AQ最佳蒸煮工艺 本体系的实验室最佳工艺是总碱量 15.

2 % (K2 O) ,碱比 0. 8,固液比

1 ∶ 6,AQ用量 0.

2 % ,最高温度160 ℃, 升温时间60 m in, 保温时间120 m in.所得的纸浆硬度是卡伯值 14. 5,粗浆得 率为 53.

2 % ,细浆得率 42.

5 %.其中总碱量是 蒸煮脱木质素过程中最重要的因素 ,它决定脱木 质素的进程和程度.碱比也是很重要的因素 ,它 决定最高温度和保温时间.而液固比和 AQ用量 是较为次要的因素 ,合适的液固比和 AQ 用量可 以使蒸煮过程中脱木质素作用达到最佳. 2.

5 稻草碱性 K2 SO3 - AQ蒸煮后纸浆及废液红 外光谱分析 通过 FTI R测试了本工艺蒸煮稻草的木素结 构变化.将2mg原料和纸浆的粉末 (过100 目筛)与

200 mg KB r研磨压成薄片 ;

黑液先将 pH值 调至 4,将酸析下来的木质素浓缩蒸发到一定程 度 ,再研磨 ,过100目筛 ,将2mg试样与

200 mg KB r研磨压成薄片.用Perkin- Elmer

2000 红外 光谱仪测定 ,结果见图 4. 图4蒸煮废液、 原料和纸浆木质素的红外光谱分析 Fig .

4 FTI R spectra of lignin of waste liquor, raw material and pulp 第 3期 江启沛 ,等 :稻草碱性亚硫酸钾清洁制浆工艺研究

9 图中

1712 cm -

1 为非共轭羰基或羧酸的特征 吸收峰.1330 cm -

1 为木质素的紫丁香木基的特 征吸收峰.1070 cm -

1 是木质素的愈创木基的特 征吸收峰.估算各个特征峰的相对吸光度可以发 现 ,原料中紫丁香木基的相对吸光度略低于愈创 木基吸光度 ,而蒸煮出来的浆料中紫丁香木基的 相对吸光度却大大高于愈创木基吸光度 ,说明愈 创木基大大溶出 ,而紫丁........