预汽蒸硫酸盐法制备竹浆粕工艺及机理的研究

来源 :福建农林大学 | 被引量 : 9次 | 上传用户:FLEXCN
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目前,木材资源的缺乏已成为制约我国造纸行业快速发展的重要障碍之一;另一方面,由于棉花种植面积的不断减少,棉花价格上涨,供纺织用的棉纤维也出现短缺。竹子是我国重要的非木材资源之一,而竹纤维具有木材纤维相似的特性。因此,利用竹子制备纺织浆粕,不仅降低了与造纸行业争夺资源的优势,还可实现竹子资源的高值化利用。从而,本文将以福建省丰富的绿竹作为原料,通过预汽蒸、硫酸盐法蒸煮和ECF漂白相结合的工艺来制备纺织浆粕,充分研究预汽蒸过程中聚戊糖的溶出规律,提出其移除动力学模型,同时优化预汽蒸后硫酸盐法蒸煮去除木素的工艺,最后再优化后续ECF漂白工艺,为最优化生产竹浆粕奠定基础。首先,论文研究了绿竹预汽蒸工艺、汽蒸过程中聚戊糖的溶出规律及其动力学模型。结果发现,在1.0Mpa的汽蒸压力下,随着处理时间的延长(0~60min),聚戊糖溶出量不断增加(0.6~1.4Mpa);改变汽蒸压力时发现,当汽蒸时间固定在30min时,随着汽蒸压力的增加,聚戊糖溶出量呈现开始迅速上升后平缓的趋势。这主要是由于,在汽蒸压力较低时(即处理温度较低时),60min内还未达到聚戊糖的溶出极限;然而,当汽蒸压力提高,聚戊糖进一步溶出,但当汽蒸压力在1.4Mpa内,聚戊糖有一定的溶出瓶颈,达到此瓶颈时,聚戊糖的溶出量则基本不发生明显改变。实验结果证明,出现聚戊糖溶出极限的汽蒸压力为1.2Mpa。对于汽蒸过程中聚戊糖的溶出规律及其动力学的研究表明,汽蒸压力和温度均可促使聚戊糖的降解和溶出。在汽蒸处理绿竹时,通过求解Weisz modulus(MW)模型的值时发现,其远小于0.15,从而证明,汽蒸处理过程中传质对聚戊糖溶出没有影响。从聚戊糖的溶出规律及动力学参数的求解可知,汽蒸过程中聚戊糖的溶出为一级反应,与热水抽提相似;其反应的活化能Ea为48.06kJ/mol和指前因子k0为4330min-1。将汽蒸压力和汽蒸时间统一为一个参数时发现,常规的剧烈因子并不能很好的预测聚戊糖的溶出规律,因此,以已经求解得到的活化能和指前因子为基础,本文提出一种新的汽蒸处理因子;数据拟合发现,汽蒸过程中,通入蒸汽的瞬间,由于蒸汽迅速渗透到竹片内部,从而表明仪表指示的温度并不是聚戊糖反应的真实温度;对比前述本课题组绿竹抽提的数据可知,如果通过数值算法来计算升温过程,该汽蒸处理因子仍然适用。将汽蒸因子作为统一参数来比较热水和汽蒸处理效果时发现,相同汽蒸处理因子时,汽蒸导致聚戊糖的溶出量明显高于热水抽提,同时汽蒸使纤维素降解的程度也同样低于热水处理过程,这说明汽蒸处理过程的选择性要高于热水处理过程,其对于获取高α-纤维素、低含量聚戊糖的竹浆粕极为有利。于此同时,分析汽蒸处理废液中碳水化合物成分和含量可知,其主要以寡糖形式存在,糖溶出的趋势也与固体分析结果相似。SEM和FTIR分析结果也表明,汽蒸可促使纤维细胞壁破坏,进而使得聚戊糖快速溶出。其次,论文还研究了汽蒸后固体基质的硫酸盐(KP)法蒸煮的工艺。结果发现,在固定KP法蒸煮条件时,增加汽蒸处理的剧烈程度,可促进木素和聚戊糖在KP法蒸煮过程中的溶出量;另外,固定其它条件不变,改变活性碱用量(17%到23%)时可知,随着活性碱用量的增加,木素和聚戊糖不断溶出;但当其达到21%后,两者的溶出量基本不变。因此,对于汽蒸后固体基质的KP法蒸煮,其有效的活性碱用量不应超过21%。此时,蒸煮得率为39.36%,浆料卡伯值为5.79,α-纤维素、聚戊糖、灰分含量分别为93.23%、2.20%和0.42%,粘度为26.21mPa.s。为了进一步去除KP法蒸煮后浆料中的木素和半纤维素以获得高α-纤维素的浆粕原料,本论文还进行了无元素氯(ECF)漂白的处理。在此,采用DED和DEQP两种漂序进行漂白,通过变化二氧化氯用量,对比各项纸浆性能,探讨最佳漂白工艺。研究得到,绿竹预汽蒸硫酸盐浆DED漂白工艺最佳二氧化氯用量:D1段为1.90%,D2段为0.40%。DED漂后浆粕的性能指标为:卡伯值1.19,聚戊糖含量2.43%,α-纤维素含量97.89%,白度88.2%ISO,粘度9.91mPa.s,灰分0.15%。DEQP漂白工艺最佳二氧化氯用量为1.90%,DEQP漂后浆粕的性能指标为:卡伯值0.73,聚戊糖含量3.49%,α-纤维素含量98.11%,白度87.8%ISO,粘度9.00mPa.s,灰分0.14%。基于纺织行业标准(FZ/T51002-2006),经由两种漂序的竹浆粕性能指标达到竹浆粕技术质量指标要求。
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