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思茅松硫酸鹽法低溫蒸煮的研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2012-09-13  瀏覽次數:740
核心提示:當前,造紙行業正面臨著原料緊缺、環保要求日趨嚴格等嚴酷現實。因此,造紙工業最常用的硫酸鹽法制漿技術的研究方向應以提高制漿

當前,造紙行業正面臨著原料緊缺、環保要求日趨嚴格等嚴酷現實。因此,造紙工業最常用的硫酸鹽法制漿技術的研究方向應以提高制漿得率、降低紙漿硬度、減輕漂白負荷、減少污染物的產生、節約成本和能耗為重點。作為硫酸鹽法制漿的重要影響因素之一的溫度也是一個應該重新優化的因素。針葉木硫酸鹽法制漿過程中,溫度必須保持在較高的水平才能獲得比較滿意的紙漿,這已經成為工業過程以及相關研究普遍遵循的一個法則,蒸煮溫度一般在165~172℃,甚至有的高達l75℃。對于較低蒸煮溫度(低于l65℃)的硫酸鹽法制漿,國內很少有報道。

思茅松(Pinus kesiya var.1angbinaensis),學名卡錫松,是云南亞熱帶地區著名的速生針葉樹種,具有纖維長、細胞壁厚、所生產的紙漿吸液性能好、抗張指數、耐破指數、撕裂指數高等特點,是一種較好的造紙原料[1]。關于思茅松的制漿和漂白性能已有很多研究報道[1-3]。但是,目前尚未見到有關思茅松在低于166%蒸煮溫度下的硫酸鹽法制漿研究的報道。對于包括思茅松在內的針葉木在較溫和溫度下的硫酸鹽制漿是本研究關注的一個重點,并做了一些初步的研究和探討,以期獲得高得率、低卡伯值的高質量硫酸鹽未漂漿,為實際的工業生產提供理論基礎與依據。

1實驗1.1原料木片原料取自云南云景林紙股份有限公司(以下簡稱云景林紙)所用思茅松木片。保存3~4個月后的原料,經人工挑選除去節子、朽材、樹皮等影響蒸煮質量的雜物,合格木片放于帶蓋的儲藏箱中密閉貯存,平衡水分備用。

1.2儀器設備蒸煮設備:15 L電熱回轉蒸煮鍋(原西北輕工業學院輕機廠制造);篩漿設備:0.4 mm篩縫篩漿機(3-1型,Lorentzen&Wettre公司制造)。

1.3實驗方法1.3.1蒸煮電熱回轉蒸煮鍋內裝一組小罐,每個小罐裝150g絕干木片,加入所需的藥液后密閉,放人電熱回轉蒸煮鍋后,加水(小罐的加熱介質)至鍋容的70%左右,加蓋密封后進行指定蒸煮曲線下的電熱回轉蒸煮(室溫開始勻速升溫到最高蒸煮溫度時間為95 min,保溫時間l80 min,蒸煮溫度借助于調壓器實現精準控制,最高蒸煮溫度嚴格控制在±0.5℃波動范圍)。1.3.2分析檢測蒸煮成漿(細漿得率、篩渣率、卡伯值、黏度等)的檢測、蒸煮黑液殘堿(有效堿)的分析以及白度的測定均參照文獻[4]所述的方法進行。

2結果與討論蒸煮溫度是制漿選擇性的一個重要因素。在松木的硫酸鹽法制漿中,大量脫木素階段和殘余木素脫出階段,木素降解所需的活化能分別為l50 kJ/mol和120 kJ/mol,相應的碳水化合物降解所需活化能為180kJ/mol。由于木素的活化能小于相應的碳水化合物的活化能,因此,隨著制漿溫度的提高,碳水化合物降解的速率比木素降解增加得更快。例如,在其他條件不變的情況下,將蒸煮最高溫度從160℃提高到170℃,可使木素脫除的速率增加約230%,而碳水化合物降解的速率則增加3倍以上[6]。因此,實際生產中在滿足脫除木素需要的條件下,采用盡可能低的制漿溫度,可以減緩碳水化合物的降解,從而提高制漿的選擇性?;诖嗽?,針對目前研究和實際應用均采用l66℃以上較高溫度的思茅松硫酸鹽制漿所帶來的碳水化合物降解較為明顯的共性問題,有必要從較低蒸煮溫度的控制方面進行探索,通過對蒸煮溫度的微調,以期獲得較好的思茅松硫酸鹽制漿效果,特別是在緩解碳水化合物降解方面能有明顯的改善。

2.1高硫化度對蒸煮質量的影響從改善硫酸鹽蒸煮質量,提高紙漿得率的角度出發,目前有高硫化度(硫化度≥28%)蒸煮的發展趨勢[7-9].實驗對思茅松采用高硫化度硫酸鹽蒸煮,實驗條件:固定液比1:4.o,保溫時間180 min,蒸煮溫度162℃、164℃,用堿量及硫化度對制漿的影響見表1。

注用堿量以NaOH計。

由表l可以看出,在162℃或l64℃蒸煮溫度下,高硫化度蒸煮時,成漿得率幾乎均在45%以上,成漿效果良好。一定用堿量下,硫化度的提高對卡伯值影響較小,而成漿得率和黏度則與用堿量、溫度等有一定的關系。同樣溫度和用堿量條件下,提高硫化度均能獲得較高的紙漿黏度,但從紙漿卡伯值有高有低的無規律的結果,看不出它對脫木素程度的影響。然而,提高硫化度對得率有不利影響,硫化度為36%時的成漿得率均低于同樣條件下硫化度為32%的結果。如果優先考慮成漿得率,表l中硫化度為32%的4組蒸煮結果的細漿得率均在45.9%以上。如果將成漿黏度和卡伯值也綜合考慮進去,162℃、26%用堿量及164℃、24%用堿量時硫化度為32%的這兩組結果也是比較理想的。綜合分析可知,選擇32%的硫化度更有利于蒸煮效果的提高。表l中,在162℃的較低溫度下,采用28%的較高用堿量,雖然對成漿卡伯值的降低有較明顯的效果,且得率也能保持在45.8%左右的水平,但它對碳水化合物的損傷比較明顯,紙漿的黏度均低于1100 mL/g。如果對成漿黏度有較嚴格的要求,則提高用堿量需慎重。

由于l62℃的幾組蒸煮結果都不存在成漿障礙,因此,又進行了1組實驗,溫度為160℃,提高用堿量為28%,適當縮短保溫時間為160 min,以緩解堿對碳水化合物的作用,結果見表2。

表2硫化度變化對蒸煮結果的影響由表2可知,160℃時3種高硫化度下的成漿得率均在44.5%以上。比較而言,32%硫化度時的總體蒸煮效果更好一些。當硫化度從28%提高到32%時,成漿得率提高了1.2個百分點,成漿黏度提高的同時,卡伯值還下降了1個單位。進一步將硫化度提高到36%時,對成漿黏度和卡伯值的影響甚微,得率和表1顯示的規律類似,反而有所下降。因此,l60℃時,硫化度也應控制在32%。

高硫化度的硫酸鹽蒸煮,硫化度也有一定限度。在所使用的硫化度范圍內,32%較為適宜,過低不利于紙漿得率的提高和木素有效脫出,過高同樣也會降低成漿得率。

2.2溫度的微量調控對蒸煮效果的影響根據上述實驗結果的分析,選取32%的高硫化度,固定液比l:4.0、保溫時間180 min,進行了溫度微量調控的硫酸鹽蒸煮對比實驗,結果見表3。

表3蒸煮溫度的微量調控對蒸煮效果的影響對于28%高用堿量下的蒸煮,僅進行了l60℃和162℃的比較,而未用于164℃和l66℃的蒸煮。主要是因為,高用堿量下,較高溫度的蒸煮已經引起成漿黏度的明顯下降(見表l)。即便是在表3的160℃和162℃條件下的蒸煮,也出現了黏度隨用堿量的增大而明顯下降的現象。

2.2.1溫度的微量調控對紙漿得率的影響不同蒸煮溫度、用堿量與紙漿得率的關系見圖l和圖2。由圖1和圖2可以看出,在相同用堿量下,紙漿得率隨蒸煮溫度的升高而下降;而在相同溫度條件下,除l60℃的細漿得率有不規則的小幅變化之外,紙漿得率隨著用堿量的增加而下降。這種變化可以通過制漿條件的增強引起碳水化合物降解與溶出程度的增大獲得解釋。因此要想獲得較高的紙漿得率,適當地調低用堿量以及降低蒸煮溫度都是比較有效的手段。

如表3以及圖1和圖2所示,160℃時的成漿得率整體都達到了46.3%以上的水平,說明較低溫度的蒸煮有利于獲得較高的成漿得率。而且,在該溫度下,用堿量的變化雖然對脫木素程度影響較大,但其對成漿的率的影響不甚明顯,而可以在制漿條件的控制與調整上留有一定的空間.思茅松硫酸鹽蒸煮溫度在160~166℃時,只要用堿量設置合理,所獲得的成漿的率基本都能保持在46%左右.

2.2.2     溫度的微量調控對紙漿卡伯值的影響應用常規硫酸鹽法生產可漂漿,卡伯值一般為30±2(針葉木)[10].從表2及圖3的結果可知,所有紙漿的卡伯值均在28以上,低的甚至還有不到20.當溫度相同時,用堿量沒增加2個百分點,卡伯值至少下降2個單位.且在較底溫度時,用堿量在較低用量基礎上的增加對卡伯值降低的效果尤為明顯,如在160℃和162℃時,用堿量由24%增至26%都能引起紙漿卡伯值下降4個單位.而在同樣的用堿量條件下,160℃和162℃的紙漿卡伯值的差值均在一個單位以內.由162℃上升到164℃以上時,用堿量為24%時的紙漿的卡伯值下降了6個單位,用堿量為26%時. 卡伯值也下降了4個單位.之后溫度在繼續增加至166℃時,紙漿卡伯值的下降幅度又有所減少.

上述事實表明,在不同的溫度段,用堿量對紙漿卡伯值的影響程度不同。在160~162℃以下較低溫度的蒸煮,同樣用堿量下的溫度變化對紙漿卡伯值的影響較??;在l62~164℃區間,溫度上升能明顯影響到卡伯值的下降,應該屬于思茅松硫酸鹽蒸煮脫木素較為敏感的溫度段;之后到166℃的溫度上升對脫木素的程度又相對緩和一些。這樣,根據對思茅松硫酸鹽漿脫木素程度要求的不同,就應該能在160~166℃范圍內找到一個合適的溫度控制范圍,以利于實現制漿工藝的精細化控制。

2.2.3溫度的微量調控對紙漿黏度的影響紙漿黏度的高低與制漿條件的強弱有直接的關系。由表3和圖4可以看出,蒸煮溫度的提高和用堿量的增加都導致了紙漿黏度的下降。在蒸煮溫度160℃、用堿量為24%的最緩和蒸煮條件下,黏度最高為l306 mL/g,而在166℃、用堿量為26%時,黏度小于1000 mL/g。因此,l60℃及162℃時的較低用堿量的蒸煮對成漿黏度較為有利。

事實上,硫酸鹽法蒸煮溫度與用堿量的變化對成漿質量的影響關系較為復雜,要盡可能多地脫出木素,就可能會帶來紙漿黏度的明顯下降。所以,要根據所要求的成漿質量,綜合考慮蒸煮條件的選定。

在適中用堿量下采用較低溫度(160~164℃)的硫酸鹽蒸煮能獲得較高的思茅松成漿得率和黏度,應該是在超過28%的高硫化度條件下獲得的。在實際應用過程中,對高硫化度蒸煮所產生的過量臭氣的處置以及黑液堿回收硫平衡等問題,還需要借鑒高硫化度蒸煮已有的成熟技術和經驗來加以解決,并通過進一步的研究優化。

3結論3.1  高硫化度有利于改善硫酸鹽蒸煮的效果,它對蒸煮的影響與用堿量、蒸煮溫度等有一定關系。硫化度為32%時的思茅松硫酸鹽法蒸煮效果較為理想。

3.2較低溫度(160~164℃)蒸煮時,24%的用堿量不會使成漿得率有明顯的波動,只是溫度升高,特別是由162℃升至164℃時,脫木素程度明顯增大的同時,也對紙漿黏度帶來不利的影響。

3.3 166℃的蒸煮溫度使紙漿黏度的損失較大,使用時需慎重。

3.4在蒸煮溫度160℃,保溫時間180 min,液比1:4.0,用堿量26%,硫化度32%的蒸煮條件下可獲得質量良好的紙漿,成漿得率46.6%,卡伯值22.9,黏度1228 mL/g。

3.5在蒸煮溫度162℃,保溫時間180 min,液比1:4.0,用堿量24%,硫化度32%的蒸煮條件下可獲得質量良好的紙漿,此時成漿得率46.4%,卡伯值26.8,黏度1244mL/g。

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