硫酸盐法蒸煮对速生桉木化学成分和性能的影响

硫酸盐法蒸煮对速生桉木化学成分和性能的影响

卡波值通常用于表征纸浆中残留的木材含量。这是控制化学法律风格生产的主要基础。对于常见木材化学法制浆中工艺条件对纸浆得率和卡伯值等重要参数影响的研究已有大量的报道。而对于近年来在我国推广的、用于制浆造纸的新树种之一的速生桉木化学制浆工艺中蒸煮终点纸浆目标卡伯值的综合研究还很有限。因此,进一步研究速生桉木化学制浆工艺,对于选择合理的蒸煮终点,提高原材料的利用率和节能减排都具有重要的指导意义。本课题在典型的硫酸盐法制浆工艺条件范围内,对速生桉木进行了蒸煮。通过对实验数据进行综合分析,得出了在本实验条件下速生桉木KP法蒸煮较为理想的终点卡伯值。1实验1.1改善alyptus长桉和巨桉品种的选育桉木由广东省雷州林业局提供,是尾叶桉(EucalyptusUrophylla)和巨桉(EucalyptusGrandies)杂交的速生新树种,树龄为6年,切片筛选后风干储存备用。1.2原料的蒸汽和氮气预处理硫酸盐法蒸煮实验所用的设备为420型CAS油浴蒸煮器,配有6个容积为2.5L的不锈钢蒸煮罐。每个蒸煮罐的顶部和底部均安装有可调节的阀门,每罐的装锅量为200g绝干木片。蒸煮条件为:有效碱用量17%～23%(以NaOH计,下同),硫化度25%～45%,最高温度145～160℃,保温时间45～135min,液比1∶4,从90℃到最高温度的升温速率为1℃/min。为加速蒸煮过程中药液的渗透和改善蒸煮的均匀性,对原料分别进行了蒸汽和氮气预处理。首先将蒸汽通入装有木片的蒸煮罐中,调节阀门使罐内压力保持在0.2MPa,持续10min,然后加入药液;再向混合了木片和药液的罐中通入氮气,罐内压力达到0.9MPa时将蒸煮罐密封,并放入温度为90℃的旋转油浴锅中30min;放出罐内的氮气,再次密封蒸煮罐并置于油浴锅中,开始升温、计时。蒸煮结束后,对浆料进行清洗、疏解、筛选、脱水并分散均匀,平衡水分后检测各项性能。1.3分析和测量残余有效碱含量、浆料卡伯值、黏度和得率的检测均按照参考文献进行,己烯糖醛酸的测定参考文献中的方法进行。2结果与讨论2.1碱浓度对原料得率的影响图1为不同工艺条件下得率随卡伯值的变化规律,其中所有实验的粗渣率为零。由图1可知,在给定的蒸煮起始有效碱浓度下,原料完全成浆后浆料得率的降低与卡伯值的减少呈现线性关系。当卡伯值降至15～16以下时,得率随卡伯值的降低更为显著,说明此时继续降低卡伯值(脱木素)将牺牲得率。因此,卡伯值15～16是一个转折点。从图1还可以看出,过高的蒸煮起始有效减浓度会导致浆料得率显著降低。2.2木素的含量与固结剂的关系对于未漂浆,其得率可基本看作是纤维素、半纤维素以及残余木素的总和,可称其为浆料的表观得率。化学制浆的目的是脱出木素,因此笔者认为用不含木素的浆得率评价工艺更为合理。由文献可知,碱法蒸煮化学浆的卡伯值主要来源于浆中的残余木素和己烯糖醛酸基团。因此可以用式(1)来近似计算浆料中残余木素的含量,即:L=0.13(K-0.086HexA)(1)其中,L表示残余木素含量,K和HexA分别表示浆料的卡伯值和己烯糖醛酸的含量(μmol/g)。0.13是卡伯值与木素含量之间的比例系数(对得率小于70%的浆料,木素的含量可用卡伯值乘以0.13进行估算),0.086是己烯糖醛酸对测量卡伯值贡献的比例系数(10μmol的HexA等同于0.84～0.86个单位的卡伯值)。据此可计算出不含木素的浆料得率(Yt),即:Yt=Y-0.13(K-0.086HexA)(2)图2是不含木素浆料的得率Yt与浆料表观得率Y的关系图。由图2可知,尽管这些工艺条件发生变化,当Y<48.5%时,Yt与Y之间依然呈很好的线性关系。从该点前后Yt随Y的变化规律(即斜率)可以推断,当Y<48.5%时,随着蒸煮的继续进行,会造成浆料中纤维素和半纤维素的显著损失。从图1可知,在蒸煮起始有效碱用量为19%～20%时,这个特征的得率值(Y≈48.5%)就落在卡伯值转折点15～16的范围内。2.3木素含量对浆料黏度的影响纸浆黏度与相应纸张的强度之间有直接关系,它也反映了纤维素和半纤维在蒸煮过程中受损的程度。严格上说,目前所使用的黏度测定方法不适于木素含量较高的未漂浆。其原因是浆料中的木素含量高会影响纤维素在铜乙二胺溶液中的溶解,从而使测得的黏度值大大低于真实值。然而,未漂浆的黏度可以用来间接判断浆中木素残留的情况。由图3可知,卡伯值的降低(木素含量的减少)有利于纸浆纤维在铜乙二胺溶液中的溶解,使测得的黏度值升高。在卡伯值15～16时其黏度达到最大值。接着纸浆的黏度值随卡伯值的进一步减小而降低。可以认为,当木素含量较低时(卡伯值小于15～16),浆中低含量的残余木素对纤维素溶解的影响已不显著,此时由于纤维素降解而造成黏度下降的程度大于木素对纤维素溶解的影响,因此,浆料黏度的变化趋势主要是由纤维素降解所造成。从图3中可以看出,浆料黏度显著下降的转折点就在卡伯值15～16之间。2.4kp法蒸煮的卡伯值对碱的消耗的影响图4是在本实验条件下,蒸煮液中残碱浓度随卡伯值的变化规律。由图4的变化趋势可知,原料成浆后残余木素的脱除阶段(即卡伯值由26降到15～16的阶段)所导致碱的消耗并不十分显著。而当卡伯值降至小于15～16时,碱消耗明显增加。结合图1、图2、图3的规律可以判断,15～16是速生桉木KP法蒸煮的特征卡伯值。当卡伯值低于特征卡伯值时,碱主要消耗于纤维素和半纤维素的降解。综上所述,尽管KP法蒸煮工艺条件的变化较大,但都存在着一个卡伯值转折点(15～16),过了该点而继续蒸煮,都会导致浆料得率、黏度以及蒸煮液中有效碱的显著降低和消耗。因而,KP法速生桉木制浆的目标卡伯值不宜低于15～16。2.5伯值处理的影响制浆目标卡伯值的合理选择不仅关系到原材料的有效利用和浆料的品质,而且对生产过程的节能减排很重要。当浆料卡伯值低于特征卡伯值时,继续蒸煮不仅造成资源和能源的浪费,如蒸煮液中碳酸盐、草酸根离子浓度会随蒸煮时间的增加而增加,较高浓度的这些离子将引起药品回收系统中蒸发器的结垢和腐蚀,而且也将产生很大的环境污染,过度的蒸煮也会使蒸煮液中的有机挥发物(主要是甲醇)含量增加,对环境产生严重的污染;可挥发性总硫化物含量在此后急剧增加,不但严重污染了空气,也由于硫的损失而增加了生产成本。3速生桉木