丁香醛为天然介体的杨木硫酸盐浆电化学脱木素研究

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纸浆含氯漂白对环境具有一定的危害性,寻求环境友好的绿色漂白技术一直受到制浆造纸科研工作者们的重视和关注。电化学脱木素技术是一种将电化学技术与纸浆脱木素相结合的脱木素技术。本论文是在课题组前期研究的基础上进行的相关研究工作,针对电化学介体脱木素过程中人工合成介体价格昂贵,丢失严重等问题,尝试采用天然小分子物质作为介体进行纸浆的天然介体电化学脱木素。实验中以杨木硫酸盐浆为原料,建立了天然介体电化学脱木素体系,同时对建立的电化学脱木素体系进行了脱木素工艺条件及后续漂白和相关机理的研究。本论文主要采用丁香醛作为天然介体物质进行电化学脱木素实验研究,主要包括电化学脱木素天然介体选择及反应介质的优选,电化学天然介体脱木素影响因素的探讨,电化学天然介体脱木素浆料后续可漂性研究以及电化学天然介体脱木素过程中丁香醛中间体的产生规律的初步研究四部分内容。首先,在对漆酶介体体系中采用植物小分子酚类物质作为介体研究进行分析的基础上,本论文提出采用植物中普遍存在的天然小分子酚类化合物作为电化学脱木素的催化介体的构想,意在从植物小分子酚类化合物中寻找一种能够具有电化学催化效果的天然介体物质。经过分析与研究,本论文选择了植物小分子酚类衍生物中具有催化潜力的丁香醇、丁香醛、乙酰丁香酮、对香豆酸、香草醛等作为备选介体,经过筛选与实验我们得出,丁香醛具有较好的催化性能,适于用作电化学脱木素的催化介体。鉴于整个反应体系是在溶液中进行,因而要求介体物质能够很好的溶解在反应介质中,为提高丁香醛的溶解性,本论文对电解溶液的组成进行了初步探讨,得出当电解液中乙醇体积与溶液总体积比为1:4时,电化学脱木素效果较佳。其次,在前一章研究的基础上,以杨木硫酸盐浆为原料,利用钌钛涂层电极为阳极,不锈钢材料为阴极并以丁香醛(C9H8O3)作为介体物质,对原料进行了电化学介体脱木素实验。实验中,我们对影响脱木素效果的主要工艺条件进行了探讨,得出采用丁香醛作为天然介体较为合适的脱木素工艺条件为丁香醛(C9H8O3)浓度1.0mol/L,电压1.8V,温度45℃,时间5.5h,pH值4.0~5.0,硫酸钠用量0.05mol/L。该条件下,处理效果最佳时纸浆Kappa值从18.5降至13.5,粘度从1185mL/g降至1109mL/g,脱木素效果较好。再次,我们对采用电化学介体脱木素处理(EM段)过的浆料,进行过氧化氢漂白(P)和二氧化氯漂白(D)的后续漂白,形成了含EM段的纸浆TCF漂白流程和ECF漂白流程,采用所得漂白流程对杨木硫酸盐浆进行漂白并检测漂白效果。经过电化处理后的浆料采用EQP漂序进行漂白时最终所得浆料的白度可达到81.2%ISO。经过电化学脱木素处理后浆料采用EpD0D漂序漂白时,在D0段和D段二氧化氯用量为分别为1.5%时,漂白纸浆的白度可达84.1%ISO,而粘度仍旧维持在880mL/g以上。最后,我们对电化学天然介体脱木素过程中丁香醛中间体的产生规律进行了初步研究,分别研究了在不同电压、温度、pH值条件下电化学脱木素反应体系中氧化性的介体中间体的产生规律。另外,我们还对反应介质的组成对天然介体物质丁香醛转变为中间体的规律以及中间体与浆料的反应性能进行了探讨。结果表明,丁香醛的氧化电势与还原电势分别为1.28V和1.33V,且氧化电势与还原电势相差较小,具有一定的反应可逆性。在电化学催化体系中,适当提高电解槽电压、升高温度以及维持合适的pH值均能有效缩短丁香醛中间体达到较高浓度所需要的时间,提高产生丁香醛中间体的效率。电解液中添加乙醇,提高了丁香醛的溶解性能有效提高丁香醛中间体产生速度和最高浓度,更加有利于脱木素的进行。电化学脱木素过程中丁香醛中间体与浆料的反应十分迅速,脱木素过程中氧化性丁香醛介体中间体的生成是整个电化学介体脱木素的限速步骤。
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