毛竹化學(xué)成分及紙漿特性研究

毛竹化學(xué)成分及紙漿特性研究

竹子是水稻科的一種單獨(dú)的植物。竹子纖維比闊葉木材纖維長(zhǎng),適合于抄造高中級(jí)文化用紙,所以竹子被視為有潛力的制漿原料。通常,竹子生長(zhǎng)5年后就可以用作制漿原料,每公頃竹子可制得10t紙漿,如年產(chǎn)1萬t的竹漿廠所需竹林面積為5000hm2。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國(guó)紙和紙板的消費(fèi)量迅速增長(zhǎng),預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到1億t。中國(guó)是森林資源貧乏的國(guó)家,森林面積為1.75億hm2,植被率為18.2%。雖然森林的蓄積量有125億m3,但是人均森林面積只有0.13hm2,是世界人均占有量的1/4。人均森林蓄積量為9.42m3,是世界人均的1/6。因此,非木材纖維竹子的有效利用對(duì)中國(guó)造紙工業(yè)發(fā)展非常重要。中國(guó)的竹林面積達(dá)0.33億hm2,具有世界最豐富的竹子資源。目前,已有年產(chǎn)20萬t的竹漿造紙廠在中國(guó)投入生產(chǎn),這也是世界最大生產(chǎn)能力的竹漿造紙廠。有效利用竹子資源,有必要弄清竹子的化學(xué)成分,因此本研究對(duì)毛竹的化學(xué)成分和紙漿特性進(jìn)行了分析,并與桉木、杉木和洋麻韌皮的蒸煮及漂白特性作了比較。為竹子的有效利用奠定了理論基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)1.1監(jiān)測(cè)劑和樣品制備實(shí)驗(yàn)用材料毛竹(Phyllostachyspubescens)產(chǎn)自杭州小和山,桉木(Eucalyptusgrandis)產(chǎn)自澳大利亞,洋麻(Hibiscuscannabinus)和杉木(Cryptomeriajaponica)產(chǎn)自日本。將原料樣品用粉碎機(jī)粉碎之后,用分級(jí)篩分成40～80目。得到的試樣用苯-醇混合溶液連續(xù)抽提8h,以備化學(xué)分析之用。1.2熱水抽提物的制備取2g試樣加100mL水,100℃條件下處理180min,取出試樣水洗之后,在105℃條件下干燥4h,質(zhì)量的減少量為熱水抽提物的量。取風(fēng)干試樣2g,在600℃處理4h,測(cè)定其灰分。1.3糖醛酸溶液的制備取試樣0.1g加入72%H2SO43mL處理2h,用112mL蒸餾水稀釋成4%的H2SO4溶液,在120℃加水分解1h。將質(zhì)量濃度為2.5～100μg/mL的糖醛酸溶液裝入試管,邊冷卻邊同時(shí)加入0.0125mol/L的H3BO3/H2SO4溶液1.2mL。攪拌后,試管蓋上蓋在沸騰水浴中加熱5min。冷卻加入羥基聯(lián)苯(m-hydroxybiphenyl)溶液20μL,再次攪拌之后,5min之內(nèi)測(cè)定520nm處的吸光度,以此確定糖醛酸的含量。1.4色譜分析條件稱取0.8g紙漿,加pH值為2.5的甲酸溶液80mL,120℃條件下加水分解180min。然后用液相色譜在265nm處進(jìn)行定量分析。液相色譜分析條件如下:ColumnZORBAXColumn(ODS,內(nèi)徑4.6mm,長(zhǎng)度25cm);流速0.5mL/min;Column溫度40℃;流入量10μL。1.5中性糖的分析按Klason木素分析法進(jìn)行了Klason木素和酸溶木素的分析。用糖醇醋酸酯法(alditol-acetatemethod)進(jìn)行了中性糖的分析。GC(氣相色譜)的分析條件:島津GC;Column:BPX70(SGE制25m×0.22mm膜厚0.22μm);Column溫度215℃保持1min,0.5℃/min的速度升溫至225℃;注入口溫度245℃;FID(檢測(cè)器)溫度280℃;輸送氣體:He。1.6蒸煮條件確定蒸煮采用不銹鋼制耐溫耐壓蒸煮器(耐壓硝子工業(yè)株式會(huì)社制,容量350mL)。蒸煮條件:絕干原料45g裝入蒸煮器,用堿量20%～28%(以Na2O計(jì),下同),硫化度30,液比5.5∶1,蒸煮溫度148～163℃,蒸煮時(shí)間138～300min?？ú蛋碩APPIT236cm—85標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。1.7池塘酸、臭氧處理、堿抽提和ph值確定氧脫木素條件:硫酸鹽漿15～20g(絕干漿);NaOH用量1%～3%;氧壓0.35MPa;反應(yīng)溫度120℃;時(shí)間30min;漿濃22%。按照池田等人的方法進(jìn)行酸處理(A)、臭氧處理(Z)、堿抽提(E)和H2O2漂白(Ep)。A處理?xiàng)l件:pH值3.0,105℃,60min,漿濃10%;Z處理?xiàng)l件:O3用量0.4%,漿濃30%,室溫,10min;E處理?xiàng)l件:NaOH用量1.0%,60℃,60min;Ep處理?xiàng)l件:H2O2用量1.0%,NaOH用量0.8%,70℃,60min。紙漿白度的測(cè)定采用東京電色制比色計(jì)TC-3600。2結(jié)果與討論2.1毛竹和洋麻韌皮的木素含量不同原料的化學(xué)成分如表1所示。從表1可以看出,毛竹的熱水抽出物含量為7.1%,比洋麻韌皮的17.1%少,但比桉木高。毛竹的灰分含量為1.9%,這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果基本一致,比桉木的灰分含量要高。洋麻韌皮的灰分含量為2.9%,這個(gè)結(jié)果與Feng等人的結(jié)果非常相似。毛竹的熱水抽出物和灰分含量均在洋麻韌皮和桉木之間。單從這個(gè)角度考慮,毛竹比洋麻韌皮更適合制漿。但是,毛竹的木素含量是洋麻韌皮的2倍左右。與安藤等人的分析結(jié)果相比,毛竹的Klason木素含量略高,但是酸溶木素含量一致。從表1還可以看出,桉木的酸溶木素含量相對(duì)較高,這與Pinto等人的研究結(jié)果相一致。毛竹的木素含量比洋麻韌皮高,與桉木相近。從這一點(diǎn)來看,毛竹蒸煮過程中的脫木素性不太理想,但是能得到與桉木相似的蒸煮效果。2.2洋麻韌皮中葡萄糖醛酸的變化3種原料中,毛竹的糖醛酸含量最低,木糖含量最高。毛竹的五碳糖和六碳糖之比為48.4%,這與Seki等人的研究結(jié)果一致。洋麻韌皮與毛竹相反,糖醛酸含量最高,木糖含量最低。洋麻韌皮含有大量的糖醛酸,且存在25.5%的未知成分,因此,洋麻韌皮當(dāng)中可能存在大量的未定量葡萄糖醛酸。從表1和表2的不同材料的硫酸鹽漿糖醛酸的變化情況來看,洋麻韌皮蒸煮后糖醛酸含量減少7.5%,洋麻韌皮在硫酸鹽蒸煮過程中消耗了大量的堿,降低了有效堿濃度,因此蒸煮性差。紙漿中的HexA的分析方法有甲酸加水分解法,醋酸水銀處理法、酶加水分解處理法和FT-IR分光光度法等。本實(shí)驗(yàn)采用了甲酸處理法?？ú导s20的毛竹漿的HexA含量只有桉木和洋麻韌皮的約1/5。毛竹本身HexA含量少,所以硫酸鹽蒸煮過程中生成的HexA也少。2.3培養(yǎng)毛竹和洋麻韌皮的卡伯值的影響在用堿量和蒸煮溫度相同的條件下,蒸煮卡伯值約20的紙漿時(shí),洋麻韌皮需要的蒸煮時(shí)間是毛竹的2倍以上(見表3)。而相同的蒸煮時(shí)間里,毛竹漿的卡伯值比洋麻韌皮漿低6.3。從以上結(jié)果判斷毛竹的蒸煮性優(yōu)于洋麻韌皮。從表3可以看出,毛竹和桉木在相同的蒸煮條件下所得卡伯值為14左右的紙漿。雖然毛竹的中性糖含量比洋麻韌皮高15.1%,但蒸煮卡伯值約20的紙漿時(shí),毛竹漿得率比洋麻韌皮低8.5個(gè)百分點(diǎn)?？ú禐?4的毛竹漿得率比桉木漿低10.1個(gè)百分點(diǎn)。毛竹蒸煮時(shí),葡萄糖和木糖的損失比桉木和洋麻韌皮明顯較大。這可能是毛竹的纖維素和半纖維素蒸煮時(shí)比較容易分解的原因。圖1為不同硫酸鹽蒸煮條件下制得的紙漿卡伯值和得率的關(guān)系。相同卡伯值時(shí),毛竹漿得率比洋麻韌皮漿、桉木漿、落葉松漿和紅松漿低,但與杉木漿大致相同。2.4活性成分的加入對(duì)活性物質(zhì)的去除率表4為毛竹漿、洋麻韌皮漿和桉木漿全無氯漂白后的白度比較。從表4可以看到,卡伯值約20時(shí),毛竹漿的白度最高。為了進(jìn)一步確認(rèn)此現(xiàn)象,對(duì)卡伯值20以上的紙漿也進(jìn)行了比較(見圖2),結(jié)果表明,卡伯值20以上毛竹漿白度較高。氧脫木素段NaOH用量為2%時(shí),毛竹漿、洋麻韌皮漿和桉木漿的白度基本相同,但是經(jīng)AZEEp處理后桉木漿白度最高,為84.2%。這可能與毛竹含有大量的金屬離