制漿原理與工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書5-19

1、制漿原理與工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書適用專業(yè)： 輕化工程專業(yè)學(xué) 時(shí)： 20福建農(nóng)林大學(xué)材料工程化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室2007年9月5日內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)：植物原料制漿性能實(shí)驗(yàn)（20學(xué)時(shí)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）1. 目的要求植物原料制漿性能實(shí)驗(yàn)綜合性實(shí)驗(yàn)，是在課堂理論教學(xué)后進(jìn)行。不采用固定實(shí)驗(yàn)條件的教學(xué)模式，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生根據(jù)采集的原料自行制定的制漿工藝條件及實(shí)驗(yàn)操作步驟，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)施驗(yàn)證。從植物原料開始，制備出漂白紙漿，實(shí)驗(yàn)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，以理論指導(dǎo)實(shí)踐對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析討論。使課堂上學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，提高理論知識(shí)在實(shí)際工作中的應(yīng)用能力。按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范和學(xué)生設(shè)計(jì)的工藝配方，完成以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作（1）

2、植物纖維原料采集，原料切片及水份測(cè)定（2）蒸煮工藝的制定，蒸煮操作（3）紙漿得率測(cè)定（4）制漿廢液殘堿分析測(cè)定（5）漂白工藝條件的制定及計(jì)算，溧白操作（6）紙漿白度測(cè)定2. 實(shí)驗(yàn)原理2.1蒸煮原理蒸煮過(guò)程包括：1、藥液浸透原料過(guò)程，2、藥液與原料起化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，3、反應(yīng)產(chǎn)物從原料中容出過(guò)程；2.1.1蒸煮液的浸透作用 蒸煮液的有效成份浸入原料內(nèi)部有： A毛細(xì)管作用：蒸煮液靠外加的壓力或表面張力產(chǎn)生的壓力作用而浸透；纖維軸向的毛細(xì)管作用總是大于橫向毛細(xì)管作用50200倍；在纖維原料水分含量低而又排除了原料毛細(xì)管內(nèi)的空氣后，藥液對(duì)原料切片的浸透主要是毛細(xì)管作用，且速度很快； B擴(kuò)散作用：靠藥液的濃

3、度差造成的離子濃度梯度為推動(dòng)力，使蒸煮液中的離子擴(kuò)散浸透入原料內(nèi)部切片；在纖維原料水分含量高至纖維飽和點(diǎn)時(shí)，離子浸入原料內(nèi)部切片主要靠擴(kuò)散作用；浸透理論強(qiáng)調(diào)浸透的重要性，認(rèn)為藥液浸透先于化學(xué)反應(yīng)；蒸煮升溫前期，必須讓藥液充分浸透入原料切片；隨著浸透作用完成，蒸煮溫度升高，化學(xué)反應(yīng)逐漸加劇，因此認(rèn)為浸透時(shí)間對(duì)蒸煮影響很大。強(qiáng)調(diào)在顯著脫木素反應(yīng)前，藥液須充分浸透，即蒸煮過(guò)程應(yīng)保留一段低溫時(shí)間，不易升溫太快。強(qiáng)調(diào)：只有充分浸透，才能保證蒸煮質(zhì)量。表面化學(xué)反應(yīng)理論強(qiáng)調(diào)化學(xué)反應(yīng)，認(rèn)為堿液與木片接觸后，一開始就在木片表面發(fā)生脫木素反應(yīng)，當(dāng)部分木素從木片表面脫去后，便打開了“通道”，新鮮藥液經(jīng)過(guò)通道浸入原料

4、切片內(nèi)部。切片與藥液之間存在一個(gè)界面，此界面隨著蒸煮的進(jìn)行逐漸向木片內(nèi)部移動(dòng)，反應(yīng)生成的產(chǎn)物也經(jīng)通道向外擴(kuò)散進(jìn)入堿液中。即原料表面逐層地起化學(xué)反應(yīng)，逐層地分離成漿。2.1.2 蒸煮的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 堿法蒸煮時(shí)的碳水化合物降解反應(yīng)有：A剝皮反應(yīng)：a. (1) (2) 醛糖末端基和酮糖末端基互變；b. (2) (3) 酮式末端基變成烯醇式；c. (3) (4) 烷氧基消除反應(yīng)，甙鍵斷開；脫出一個(gè)端基；d. (4) (5)互變異構(gòu)，形成二羰基衍生物；e. (5) (6)異構(gòu)化，形成異變糖酸（6）。 剝皮反應(yīng)進(jìn)行的條件是必須有醛糖末端基。終止反應(yīng)a. (7) (8) 醛式末端基變成烯醇式；b. (8)

5、(9) 脫去一水分子，形成C2和C3之間的烯醇式結(jié)構(gòu)；c. (9) (10) 烯醇式末端基變酮式；d. (10) (11) 酮基與水分子加成，成同碳二元醇后進(jìn)行分子重派，所形成的纖維素末端基為偏變糖酸；由于纖維素的末端基不存在醛糖末端基，不能再產(chǎn)生剝皮反應(yīng)，降解因此而終止。碳水化合物的還原性醛糖末端基對(duì)堿不穩(wěn)定，被逐個(gè)剝離而溶于堿液中。在100150時(shí)發(fā)生； a、碳水化合物的還原性醛糖末端基是造成剝皮反應(yīng)的原因； b、剝皮反應(yīng)的關(guān)鍵性一步是-烷氧基消除反應(yīng)； c、在剝皮反應(yīng)的同時(shí)，還發(fā)生了終止反應(yīng)纖維素分子鏈中不穩(wěn)定的末端基在剝落前轉(zhuǎn)變成對(duì)堿穩(wěn)定的偏變糖酸末端基，從而避免了剝皮反應(yīng)。 d、將醛

6、糖末端基氧化成糖酸末端基，即可避免剝皮反應(yīng)。B堿性水解：纖維素分子鏈在高溫、強(qiáng)堿作用下因水解斷裂，使一個(gè)長(zhǎng)分子鏈斷裂為兩個(gè)甚至多個(gè)短分子鏈的反應(yīng)；這樣，由原來(lái)的一個(gè)還原性末端基變成兩個(gè)或多個(gè)還原性末端基，從而增加剝皮反應(yīng)的機(jī)會(huì)。堿性水解在蒸煮溫度升至150就開始了，使纖維素的聚合度下降，造成紙漿的得率、強(qiáng)度下降。2.2 卡伯值測(cè)定原理：紙漿卡伯值是表示原料經(jīng)蒸煮后殘留在紙漿中的木素和其他還原物質(zhì)的相對(duì)含量，間接表示紙漿的脫木素程度的大小，故可用來(lái)評(píng)價(jià)蒸煮的效果和紙漿的可漂性，并為制定漂白工藝條件提供依據(jù)。已經(jīng)疏解的漿在一定條件下與一定量的高錳酸鉀溶液反應(yīng)一定時(shí)間。所選擇的漿量應(yīng)為：在反應(yīng)時(shí)間終

7、止時(shí)，約由50的高錳酸鉀未被消耗，加入碘化鉀溶液終止反應(yīng)，并用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定游離碘。然后將得到的值換算成消耗50高錳酸鉀量。2.3 殘堿測(cè)定原理：黑液中有效堿的成分，對(duì)燒堿來(lái)說(shuō)主要是NaOH；對(duì)硫酸鹽法來(lái)說(shuō)指NaOH1/2Na2S。測(cè)定時(shí)先用氯化鋇使木素沉淀，同時(shí)也使碳酸鈉和亞硫酸鈉沉淀，然后取清液通過(guò)鹽酸中和滴定而求得。2.4 紙漿漂白原理：。1. 漂白原理：次氯酸鹽與木素的反應(yīng) OCl與木素的親核加成，次氯酸鹽陰離子對(duì)酮型或其它烯酮形結(jié)構(gòu)的親核加成，隨后進(jìn)行重排和氧化，使木素溶解。次氯酸鹽與纖維素的反應(yīng)：某些羥基變?yōu)轸驶?，羰基氧化成羧基，聚合度降低漂?纖維素含量下降，粘度下降，強(qiáng)

8、度下降，2.白度的基本原理：紙漿的白度 （whiteness）是從漿片反射出來(lái)的光使人眼產(chǎn)生的印象。（生理現(xiàn)象）。光散射系數(shù)（Light Scattering Coefficient) S-表示散射能力的大小，由纖維與空氣界面引起。光吸收系數(shù)（Light Absorption Coefficient) K-表示吸光能力的大小，取決于漿中發(fā)色基團(tuán)的數(shù)量與性質(zhì)K-M 方程（Kubelka-Munk Equation）或紙漿的白度（反射率）3.實(shí)驗(yàn)儀器和材料蒸煮鍋（器），削片機(jī)，烘箱，天平，纖維解離器，中濃碎漿機(jī)，篩漿機(jī)，100-150目過(guò)濾袋，離心式脫水機(jī)，電動(dòng)攪拌器，纖維組織搗碎機(jī)（梅花杯），恒

9、溫水浴鍋，秒表，塑料袋，布袋，滴定管，錐形瓶：250mL，燒杯：1000mL、250mL，量筒：100mL、500mL、1000mL，植物纖維原料。紙漿，23L瓦利打漿機(jī)，叩解度測(cè)定儀，紙樣成形器，定量取樣刀，標(biāo)準(zhǔn)切紙刀，定距切紙刀，天平，耐折度測(cè)定儀，抗張強(qiáng)度測(cè)定儀，撕裂度測(cè)定儀，紙樣白度測(cè)定儀。4.實(shí)驗(yàn)方法和歩驟4.1 蒸煮試驗(yàn)及其檢測(cè)4.1.1 試樣的采取木材原料：采用樹齡適中，樹干端正的材樣。合格木片的規(guī)格：長(zhǎng)度1520mm，厚度35mm，寬度<20mm，合格率85。草類原料：應(yīng)在切草、除塵及篩選后取樣。草段長(zhǎng)度2530mm，竹片長(zhǎng)度為1015mm，蔗渣應(yīng)取除髓后的樣品，除髓率為

10、2530。樣品實(shí)驗(yàn)室處理：樣品篩選風(fēng)干采樣平衡水分采樣方法四分法：把全部采集試樣堆成圓錐形后在壓平，然后劃十字分成四份，取其對(duì)角兩份。如此重復(fù)“四分法”取樣，直到所選取的試樣量符合要求為止。4.1.2 蒸煮試驗(yàn)方案的制定與蒸煮前的準(zhǔn)備4.1.2.1 蒸煮試驗(yàn)方案的制定：確定采用的蒸煮方法；制定合理的工藝條件（如蒸煮藥品的用量、液比、升溫時(shí)間、小放汽、最高溫度、保溫時(shí)間等）；并確定試驗(yàn)的蒸煮曲線，即蒸煮溫度或壓力（縱坐標(biāo)）蒸煮時(shí)間（橫坐標(biāo)）曲線。然后根據(jù)所定的工藝條件，計(jì)算蒸煮試驗(yàn)中的原料、藥劑用量及補(bǔ)充水量等。4.1.2.2 蒸煮前的準(zhǔn)備： 測(cè)定原料水分，計(jì)算風(fēng)干原料需用量，并稱重，備用。 標(biāo)

11、定蒸煮液的濃度，根據(jù)蒸煮條件及絕干原料用量計(jì)算出藥品的取用量及補(bǔ)充的水量，配制蒸煮液。4.1.2.3 蒸煮操作程序植物纖維原料裝鍋加入蒸煮液蓋上鍋蓋擰緊螺母關(guān)閉放汽閥門鍋體回轉(zhuǎn)加熱升溫至最高蒸煮溫度保溫大放汽取出漿料及黑液。4.1.2.4 漿料的處理將漿料轉(zhuǎn)入100150目塑料網(wǎng)洗漿機(jī)（或布袋）中用水沖洗干凈纖維解離器中解離纖維放入篩漿機(jī)中進(jìn)行篩選收集細(xì)漿及粗渣細(xì)漿裝入布袋甩干稱重貯于可密封的廣口瓶或塑料袋中，貼上標(biāo)簽，平衡水分。4.1.2.5紙漿得率的測(cè)定 測(cè)定細(xì)漿及粗渣的水分，計(jì)算細(xì)漿及粗漿的得率。4.1.2.6 紙漿卡伯值的測(cè)定稱取消耗100mL0.02mol/LKMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的30

12、70之間的絕干試樣（稱準(zhǔn)至0.005g）加入400mL水在解離器中解離分散移至2000mL燒杯中用蒸餾水漂洗解離器（總體積約為750mL）放恒溫水浴中（25±1）調(diào)節(jié)攪拌速度（產(chǎn)生深約25mm的旋渦）用移液管吸取100mLKMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液和100mL2mol/L H2SO4溶液于250mL燒杯中調(diào)節(jié)混合液到25迅速倒入試樣中立即開動(dòng)秒表用50mL蒸餾水洗凈燒杯，洗液亦倒入反應(yīng)杯中（總量1000mL）反應(yīng)進(jìn)行恰好10min立即加入20mLKI溶液立即用0.2mol/L Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至淡黃色加23mL淀粉溶液繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好消失。按同樣手續(xù)，進(jìn)行空白試驗(yàn)。4.1.2.7

13、 制漿廢液殘堿分析測(cè)定取5070mL100g/L氯化鋇溶液置于500mL容量瓶中加蒸餾水約150mL吸取50mL黑液試樣加入該容量瓶中用蒸餾水稀釋至刻度搖勻靜置吸取幾滴上層清液用硫酸檢驗(yàn)氯化鋇有無(wú)過(guò)量（如無(wú)硫酸鋇產(chǎn)生，則說(shuō)明氯化鋇用量不夠，應(yīng)重做）取上層清液用干燥的濾紙過(guò)濾取濾液50mL以酚酞為指示劑用0.1mol/LHCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紅色消失。4.2紙漿的漂白及白度測(cè)定4.2.1 試樣的采取：漂白實(shí)驗(yàn)用的紙漿經(jīng)洗滌篩選，不帶纖維束和其它粗渣的漿料4.2.2.1 漂白蒸煮試驗(yàn)方案的制定：確定采用的漂白方法；制定合理的工藝條件，應(yīng)根據(jù)漿料的種類、硬度、白度以及漂白后漿裝的白度要求，強(qiáng)度等指標(biāo)，

14、選擇合適的方法和流程，4.2.2.2漂白操作程序紙漿裝入漂白器加入漂白液放入水浴中加熱升溫保溫取出漿料洗滌4.2.2.3漂白紙漿白度的測(cè)定漂白后漿片的抄造：在直徑115 mm 的布氏瓷漏斗中放入相同直徑的一塊圓形白綢布，將布氏漏斗與抽濾瓶、真空泵連接相通，把一份紙漿倒入漏斗，吸濾后取出紙樣，在23、50RH的無(wú)塵室內(nèi)干燥9小時(shí)。將紙樣放入白度儀中測(cè)定白度，并記錄。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.1紙漿得率的計(jì)算蒸煮細(xì)漿得率X（），按下式計(jì)算：X=m2×100%m1蒸煮粗漿得率計(jì)算蒸煮粗漿得率Y（），按下式計(jì)算：Y=m2+m3×100%m1式中 m1裝鍋絕干原料質(zhì)量，g m2蒸煮后絕干

15、粗漿質(zhì)量，g m2蒸煮后絕干粗漿質(zhì)量，g5.2 紙漿卡伯值的計(jì)算卡伯值（K）按下式計(jì)算：V2=(V0V1)0.02×5K=V2fm式中 V2樣品耗用0.02mol/LKMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL V0空白試驗(yàn)時(shí)耗用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL V2滴定試樣時(shí)耗用Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mLcNa2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol/Lm絕干漿質(zhì)量，gK卡伯值F換算成消耗50高錳酸鉀的校正因子。根據(jù)V2值查表32而得。同時(shí)進(jìn)行兩次測(cè)定，取其算術(shù)平均值作為測(cè)定結(jié)果，卡伯值在50以下，精確到0.1；卡伯值在50100范圍，精確到0.5；卡伯值在100以上，僅要求整數(shù)。兩次測(cè)定計(jì)算間的誤差應(yīng)在卡伯值得1以內(nèi)。如測(cè)定溫度不能準(zhǔn)確控制在（25±1）時(shí)，應(yīng)保持整個(gè)反應(yīng)期間得測(cè)定溫度在2030之間，并按以下溫度校正公式計(jì)算卡伯值：K=V2f1+0.013(25-t)m式中 t測(cè)定時(shí)得溫度?？稍诜磻?yīng)進(jìn)行5min時(shí)，測(cè)量反應(yīng)杯中混合物的溫度t，并假設(shè)此溫度是整個(gè)試驗(yàn)的平均溫度。5.3 黑液殘堿（有效堿）的計(jì)算黑液殘堿（有效堿）含量，按下式計(jì)算：有效堿含量（N