预处理和强化对桉木常规kp浆氧脱木素效果的影响

预处理和强化对桉木常规kp浆氧脱木素效果的影响

氧气脱木素已成为epf和tcf的标准工作范围。之前的氧脱木素脱木素的程度通常限制在45%50%之间。如果超过50%，脱木素的选择性将恶化，导致沉积物的严重分解。在氧脱木素时加入H2O2、甲醇、氨基多羧酸锰(Ⅲ)、多氧金属盐等,可一定程度地催化氧脱木素过程,改善氧脱木素效率,提高脱木素的选择性,有时还可增加氧漂浆的白度和粘度。此即“强化的氧脱木素”。此外,在氧脱木素前对浆料进行“活化”预处理也是提高氧脱木素选择性的有效途径之一。一些预处理的方法及其效果已经被报道,如过氧酸预处理、NO2预处理、酸性H2O2预处理等,这些预处理均可有效地改善氧脱木素的效果。桉木是一种优良的速生阔叶材种,具有优良的制浆造纸性能,大力发展桉木制浆,对缓解我国造纸工业原料结构不合理的矛盾具有重要的意义。桉木制浆主要以KP法制浆为主,占桉木浆总产量的80%以上。因此,研究桉木KP浆的氧脱木素具有重要的意义。笔者曾对桉木常规KP法和RDH法的制浆性能及其制浆机理、桉木常规KP浆和RDH浆的氧脱木素和改善的氧脱木素效果、桉木常规KP浆和RDH浆的漂白性能等进行过较为系统的研究。本文就预处理和强化对桉木常规KP浆氧脱木素的改善效果进行了分析和论述。1实验1.1原材料自制桉木常规KP浆。粗浆得率52.8%,卡伯值17.8,白度30.9%ISO,粘度1105mL/g(CED)。1.2分散液压法制备烟气在电热回转式压力容器中进行,每次用80g绝干浆。浆料与化学药品完全混合均匀后,移入反应器中,通入氧气至一定压力,空转3min以分散浆料。然后加热升温至所需温度。氧脱木素条件:NaOH用量2.5%,100℃,45min,浆浓17%,MgSO4用量0.5%,氧压0.75MPa。1.3氧气脱木素H2O2和甲醇分别在氧脱木素前加入到浆料中,并与浆料完全混合均匀,然后进行氧脱木素。1.4预处理反应在聚乙烯塑料袋中进行。用NaOH和H2SO4溶液调节pH值,浆料与KMnO4溶液充分混合均匀后,在恒温水浴中完成预处理反应。预处理后,先加入少量的还原剂处理,然后充分洗涤。1.5官能部门及参数设置卡伯值的测定按照GB1546-89所规定的方法进行。白度的测定用YQ-Z-48A白度颜色测定仪测定。粘度的测定采用铜乙二胺法,依照国家标准GB1548-89所规定的方法进行。1.6计算卡伯值降低率(%)=(原浆卡伯值-氧漂浆卡伯值)/原浆卡伯值×100%粘度降低率(%)=(原浆粘度-氧漂浆粘度)/原浆粘度×100%2结果与讨论2.1kp法测定聚苯乙烯酸2.1.1氧脱木素增强效果H2O2对氧脱木素的强化有2种方式,一是H2O2在氧脱木素开始时加入,以Op表示;二是H2O2在氧脱木素结束后加入,中间不洗涤,以O/P表示。前者O2和H2O2同时与木素反应,后者是在木素被O2降解和改性后再与H2O2反应。已有研究表明,强化效果Op优于O/P。本文采用Op方式研究了不同用量的H2O2对桉木常规KP浆氧脱木素的强化效果,结果见表1。由表1可知,H2O2对桉木常规KP浆的氧脱木素有较好的强化效果。与单纯的氧脱木素相比,在纸浆粘度损失较少的情况下,得到了更低卡伯值和更高白度的纸浆。纸浆的卡伯值降低和白度的增加,意味着在后续漂白段可以用较少量的漂白化学药品来达到所需要的纸浆白度或实现短程序漂白;或者是在相同的漂剂用量下,生产出更高白度的纸浆,实现纸浆的少氯或无氯漂白。虽然氧脱木素纸浆的脱木素程度和白度随着H2O2用量的增加而增加,但当H2O2用量超过0.8%时,其增加幅度将降低。因此,采用H2O2强化桉木常规KP浆的氧脱木素段,H2O2用量以0.8%为宜。2.1.2甲醇加入对脱木素段粘度和强度的影响采用甲醇强化桉木KP浆氧脱木素的实验结果见图1和图2,由图1、图2可以看出,加入甲醇对提高氧脱木素程度和增加纸浆白度有积极的效果,并影响氧脱木素后纸浆的粘度。当甲醇用量小于6%(对浆料总液量的体积百分比,下同)时,随着甲醇用量的增加,氧漂浆的卡伯值下降较快,而粘度的降低幅度却很小(如图1所示),纸浆白度也有显著的提高(如图2所示)。这是因为氧气在碱性条件下产生的游离羟基,既具有脱木素作用,又可以通过进攻纤维素长链中的联结键,导致纤维素大分子中的糖甙键断裂,使纤维素链长度下降,表现为纸浆粘度和强度的下降。甲醇的加入,抑制了游离基的产生,使碳水化合物的降解减少,保护了纸浆的粘度;其次,甲醇作为脱木素助剂,能使残余木素含有较多的酚羟基,从而更有利于氧气同残余木素发生反应,因为氧脱木素主要是通过氧与残留木素的酚型单元起反应来实现的。此外,同乙醇类似,甲醇在较高的温度下也具有脱木素作用,并能改善木素的溶解性能,从而提高了木素脱除率,另一方面,加入甲醇,降低了反应体系中OH-的浓度,有利于碳水化合物的稳定。因此,加入甲醇可以有效地改善氧脱木素段的脱木素效率,提高氧漂后纸浆的白度。但甲醇在改善氧脱木素段脱木素效果的同时,也使碳水化合物受到少量的降解,用量超过一定限度时,碳水化合物的降解作用将会加剧。本研究中当甲醇用量超过6%时,继续增加甲醇用量,氧脱木素浆的卡伯值降低和白度的增加趋势均趋于平缓,但粘度却迅速下降。综合考虑,认为在桉木常规KP浆甲醇强化的氧脱木素段,甲醇用量在6%时为最佳,此时,氧脱木素段的脱木素率达到49.4%,纸浆白度为59.1%ISO。同单纯的氧脱木素段相比,脱木素程度增加4.5%(对未漂浆),氧漂浆白度增加5.1%ISO,而粘度仅多降低1.72%(对未漂浆),达到987mL/g。2.2kmno4预处理条件的确定KMnO4作为一种较强的氧化剂,在适宜的条件下,能够活化浆中残余木素,提高后续氧漂段的脱木素效率。KMnO4在中性或酸性条件下均具有氧化作用,但在中性或酸性H+浓度不足时,KMnO4在反应过程中会生成褐色沉淀MnO2,MnO2易被纤维吸附,从而使纸浆颜色加深并影响后续漂白。因此,KMnO4预处理时,溶液中必须具有足够的H+浓度,另外还须在预处理后加入少量的还原剂进行还原处理,以除去生成的MnO2。MnO2与还原剂反应生成Mn2+,此外,KMnO4在酸性条件下也会发生下列反应:MnO4−+8H++5e==Mn2++4H2O而生成Mn2+。因此,KMnO4预处理后,必须对浆料进行充分洗涤,以除去Mn2+,否则将会影响后续氧漂段脱木素的选择性,加速碳水化合物的降解反应。特别是对H2O2强化的氧脱木素段,影响效果会更加明显。由于KMnO4与木素的反应比较迅速,因此不需要太长的反应时间,也不需要通过加热来促使其反应的进行,室温下即可满足要求。此外,太高的反应浓度会影响KMnO4与浆料混合的均匀性,容易出现局部反应,因此,KMnO4活化预处理时的浆浓不宜太高,但过低的浓度则会影响生产能力。本实验选取的KMnO4预处理条件为:浆浓3%,室温,H2SO4用量2.0%,反应时间30min。在此条件下,不同用量的KMnO4预处理对桉木常规KP浆氧脱木素的改善效果见表2。由表2可以看出,KMnO4预处理对桉木常规KP浆的氧脱木素具有明显的改善效果,能有效地提高氧脱木素段的脱木素程度,降低纸浆卡伯值,提高氧漂浆白度。例如:与单纯的氧脱木素段相比,用1%KMnO4预处理浆料,氧漂段的脱木素程度从44.9%增加到61.2%,脱木素率增加16.3%;纸浆白度从54%ISO上升到64.2%ISO,提高10.2%ISO。KMnO4预处理后,氧漂浆的粘度虽有所降低,但仍都保持在920mL/g以上。增加KMnO4用量,氧漂段的脱木素程度和氧漂浆的白度均随之增高,但当KMnO4用量超过1.5%时,纸浆粘度将会有较大的降低。此外,如KMnO4用量过大,剩余的KMnO4还会在酸性条件下产生更多的MnO2褐色沉淀,导致在KMnO4预处理后要使用更多的还原剂进行处理,另外还会涉及到大量Mn2+的去除问题。因此,KMnO4的用量不宜过高,但如果KMnO4用量太少,将达不到明显的改善效果。在实验条件下,KMnO4用量在1%~1.5%之间为宜。2.3mno4预处理KMnO4预处理和H2O2强化均可以改善氧脱木素的效率,因此,本实验探讨了将两者结合使用对氧脱木素的影响。实验结果见图3和图4。由图3可知,KMnO4预处理与H2O2强化相结合,可以更有效地改善氧脱木素段的脱木素效率,进一步降低纸浆硬度和提高纸浆白度。氧脱木素后,纸浆卡伯值可降低到5.0,脱木素程度达71.9%;纸浆白度达到71.8%ISO,而纸浆粘度仅比单纯氧脱木素段多降低8.23%,仍在900mL/g以上(如图4所示)。此外,改善的氧脱木素段的纸浆得率比单纯的氧脱木素段稍有降低。说