硫酸鹽法蒸煮對速生桉木化學(xué)成分和性能的影響

硫酸鹽法蒸煮對速生桉木化學(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)。對于常見木材化學(xué)法制漿中工藝條件對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道。而對于近年來在我國推廣的、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紙漿目標(biāo)卡伯值的綜合研究還很有限。因此,進一步研究速生桉木化學(xué)制漿工藝,對于選擇合理的蒸煮終點,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),對速生桉木進行了蒸煮。通過對實驗數(shù)據(jù)進行綜合分析,得出了在本實驗條件下速生桉木KP法蒸煮較為理想的終點卡伯值。1實驗1.1改善alyptus長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)干儲存?zhèn)溆谩?.2原料的蒸汽和氮氣預(yù)處理硫酸鹽法蒸煮實驗所用的設(shè)備為420型CAS油浴蒸煮器,配有6個容積為2.5L的不銹鋼蒸煮罐。每個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,下同),硫化度25%～45%,最高溫度145～160℃,保溫時間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,對原料分別進行了蒸汽和氮氣預(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氣,罐內(nèi)壓力達到0.9MPa時將蒸煮罐密封,并放入溫度為90℃的旋轉(zhuǎn)油浴鍋中30min;放出罐內(nèi)的氮氣,再次密封蒸煮罐并置于油浴鍋中,開始升溫、計時。蒸煮結(jié)束后,對漿料進行清洗、疏解、篩選、脫水并分散均勻,平衡水分后檢測各項性能。1.3分析和測量殘余有效堿含量、漿料卡伯值、黏度和得率的檢測均按照參考文獻進行,己烯糖醛酸的測定參考文獻中的方法進行。2結(jié)果與討論2.1堿濃度對原料得率的影響圖1為不同工藝條件下得率隨卡伯值的變化規(guī)律,其中所有實驗的粗渣率為零。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,得率隨卡伯值的降低更為顯著,說明此時繼續(xù)降低卡伯值(脫木素)將犧牲得率。因此,卡伯值15～16是一個轉(zhuǎn)折點。從圖1還可以看出,過高的蒸煮起始有效減濃度會導(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?；瘜W(xué)制漿的目的是脫出木素,因此筆者認為用不含木素的漿得率評價工藝更為合理。由文獻可知,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。因此可以用式(1)來近似計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)(對得率小于70%的漿料,木素的含量可用卡伯值乘以0.13進行估算),0.086是己烯糖醛酸對測量卡伯值貢獻的比例系數(shù)(10μmol的HexA等同于0.84～0.86個單位的卡伯值)。據(jù)此可計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,Yt與Y之間依然呈很好的線性關(guān)系。從該點前后Yt隨Y的變化規(guī)律(即斜率)可以推斷,當(dāng)Y<48.5%時,隨著蒸煮的繼續(xù)進行,會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,這個特征的得率值(Y≈48.5%)就落在卡伯值轉(zhuǎn)折點15～16的范圍內(nèi)。2.3木素含量對漿料黏度的影響紙漿黏度與相應(yīng)紙張的強度之間有直接關(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影響纖維素在銅乙二胺溶液中的溶解,從而使測得的黏度值大大低于真實值。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,使測得的黏度值升高。在卡伯值15～16時其黏度達到最大值。接著紙漿的黏度值隨卡伯值的進一步減小而降低。可以認為,當(dāng)木素含量較低時(卡伯值小于15～16),漿中低含量的殘余木素對纖維素溶解的影響已不顯著,此時由于纖維素降解而造成黏度下降的程度大于木素對纖維素溶解的影響,因此,漿料黏度的變化趨勢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)折點就在卡伯值15～16之間。2.4kp法蒸煮的卡伯值對堿的消耗的影響圖4是在本實驗條件下,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,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,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,但都存在著一個卡伯值轉(zhuǎn)折點(15～16),過了該點而繼續(xù)蒸煮,都會導(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,繼續(xù)蒸煮不僅造成資源和能源的浪費,如蒸煮液中碳酸鹽、草酸根離子濃度會隨蒸煮時間的增加而增加,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,過度的蒸煮也會使蒸煮液中的有機揮發(fā)物(主要是甲醇)含量增加,對環(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