桉木结构皮naoh-aq浆氧脱后二氧化氯漂浮工艺研究

桉木结构皮naoh-aq浆氧脱后二氧化氯漂浮工艺研究

随着我国造纸行业的快速发展，造纸原料供求矛盾日益突出。桉木板皮是桉木原木用旋切机沿其外围切线方向按一定厚度旋切出来的薄板。利用桉木板皮作为制浆造纸原料,在一定程度上可缓解制浆造纸原料紧缺的局面,同时也是综合利用木材资源的一个渠道,值得提倡开发。田口方法是日本著名质量工程学家田口玄一博士所创立的优化设计技术,与传统的正交方法相比,不仅不用理会交互作用,而且结果运用佳,可知各个因子何者不显著且能加以排序,多应用于机械、管理等领域。但是单一的田口方法仅适用于单个性能的优化,对于多个目标或更复杂性能的优化不太适用。灰色关联分析方法根据各因素之间发展趋势的相似或相异的程度来衡量因素间的关联程度,本方法对样本量要求不高,也不需要典型的分布规律,且不会出现定性和定量分析不一致的现象。灰色系统理论中的灰色关联分析方法可以有效解决复杂的综合评价问题,通过灰色关联分析,可以将多目标优化问题简化为仅对灰色关联度的单目标优化。二氧化氯作为一种优良的漂白剂,具有良好的脱木素选择性和良好的环境效应,其应用得到了广泛的重视和应用。本文通过田口方法结合灰色关联分析的方式来实现多目标问题的优化,探究了桉木板皮浆二氧化氯漂白段ClO2用量、H2SO4用量、温度和时间对漂白效果的影响。1原料和方法的实验1.1gg-1实验室自制桉木板皮NaOH-AQ浆,其卡伯值为24.4、白度29.7%、黏度904mL·g-1。浆料经氧脱处理后,其卡伯值为17.6、白度为41.2%、黏度896mL·g-1。1.2各因子的值和时间对双因素氧漂效果的影响采用正交实验分析二氧化氯漂白段ClO2用量、H2SO4用量、温度和时间对漂白效果的影响,各因子的取值和水平见表1。根据四因素三水平正交表L9(34)制定如表2所示的实验方案,其中A为ClO2用量、B为H2SO4用量、C为温度、D为时间,漂白浆浓均为10%。1.3信噪比的确定田口方法使用信噪比(S/N)作为分析反应的特性值,以达到改善并寻求点的最佳优化设计目标。S/N=平均数/变异数(需要的成分/不需要的成分),因此S/N值能够同时反映每一次实验的平均值和偏差。信噪比分为静态和动态特性信噪比。静态特性信噪比据场合要求分为望小特性、望目特性和望大特性,其中望大特性是希望质量特性值越大越好,望小特性是希望质量特性值越小越好。在本试验中黏度和白度越大越好,因此选用静态望大特性信噪比;卡伯值和AOX越小越好,因此选用静态望小特性信噪比。望大特性信噪比可通过公式(1)求得,望小特性信噪比可通过公式(2)求得。其中,yij表示第j个实验中第i项性能的测定结果。1.4计算关联度的确定灰色关联度评价方法是通过计算关联因素变量的数据序列和系统特征变量数据序列的灰色关联度,进行优势分析,得出评价结果。由于各因素各有不同的计量单位,因而原始数据存在量纲和数量级上的差异,不同的量纲和数量级不便于比较,或者比较时难以得出正确结论。因此,在计算关联度之前,通常要对原始数据进行无量纲化处理,可由公式(3)求得。然后通过公式(4)计算关联系数,最后通过公式(5)求得各个实验的关联度。上式中xi0为第i项指标的理想无量纲化值,本文中为1;m为性质指标的个数,本文中m=4;ζ为分辨系数,通常取0.5。2结果与讨论2.1锅调温度的确定常压二氧化氯漂白在聚乙烯密封袋中进行,用恒温水浴锅调节温度,每隔15min轻揉塑料袋,使浆样与漂白化学品均匀混合,至规定时间后取出洗净供分析用。按表2的实验方案进行实验,所得实验结果如表3所示。2.1.1差大小排秩中clo2和kso4用量的影响按田口方法进行信噪比计算,所得结果列于表3和表4中,信噪比值越大表示一个系统的稳健性越好,越大的信噪比(S/N)代表着越好的表现,也就是说信噪比越大代表该因素中此水平处理效果最佳,信噪比极差(Δ)越大则代表此因素效应越显著。从表4各因素信噪比的极差大小排秩中可看出,ClO2用量对卡伯值的影响最大,Δ为2.6;其次是温度,Δ为1.81;H2SO4用量和时间对卡伯值的影响不大。在影响黏度的各因素中,温度和时间产生的作用最大,Δ均为0.6;其次H2SO4用量(Δ为0.3),ClO2用量(Δ为0.09)的影响相对很小。与H2SO4用量、温度、时间对白度的影响相比,ClO2用量对白度具有更大的作用;另外,温度对AOX的影响最大,Δ为3.25,其他因素对其影响相差不大。如前所述,对单个评价指标而言,产生最大信噪比的因素水平条件最优,但对于具有4个评价指标的本实验,某条件下对某一指标产生较高信噪比的同时,却可能对其他评价指标产生较低的信噪比。比如,ClO2对卡伯值的信噪比最大,但其对AOX的信噪比最小。因此,为得到较优的工艺条件,需要对信噪比进行综合评价,故本实验引入灰色关联方法分析。2.1.2确定协同机构间的灰色关联度根据前面灰色关联分析的相关公式,对表3中各指标信噪比进行无量纲化处理,处理结果见表5,然后计算关联系数,最终获得灰色关联度,处理结果列于表6中。灰色关联度数值越大,表明本组实验越接近于理想值。从表6中可知,在9个实验中,第9个实验其灰色关联度最大,具有最好的综合性能。在这个过程中,实现了将复杂的多目标优化过程转化为仅对灰色关联度的优化。由于试验设计是正交的,故可以计算出每个因素在各水平的灰色关联度,如表7所示。图1显示了每个因素在各水平的灰色关联度和平均值,其中灰色关联度的平均值为0.627。灰色关联度极差(Δ)越大则代表此因素效应越显著,从极差的大小排序中可看出,各因素对于综合漂白效果的影响程度为:A>D>B>C。通常灰色关联度越大,多因素的综合表现越好,由图1可知,A3B1C2D1的工艺条件组合能够取得最大的灰色关联度,但为了更准确地确定最优工艺条件,还需进一步知道各因素对综合性能影响程度的大小。2.2灰色关联度检验和正交试验方差分析的目的是研究不同工艺参数对性能的影响。这可以通过分析灰色关联度的总方差(SST)的来源实现,主要有两种来源:一种是因素的影响(SSd),一种是实验误差(SSe)。F-检验可以用于确定哪些工艺参数对目标特性具有显著影响,通常F值越大,说明工艺参数对漂白性能的影响越大。此外,纯平方和在总平方和中所占的比率称为贡献率,也可用来估计各因素影响的显著性程度。灰色关联度的总方差可通过公式(6)计算得到,所得方差分析结果列于表7中。式中,γm是灰色关联度的平均值,γj是第j个实验的灰色关联度。从表8的实验结果可知,ClO2用量对实验的综合性能影响最大,其次是时间,接下来为H2SO4用量和温度。从其贡献率可知,四个影响因素都不可忽略,综合以上讨论,可初步确定A3B1C2D1的工艺条件组合最优。2.3综合白砂糖用量的确定由于所选方案是正交表中没有的方案,故尚需做实验予以验证,实验结果列于表9中。在最优工艺条件A3B1C2D1下预测的灰色关联度可由公式(7)获得:式中γm是灰色关联度的平均值,是在最佳水平下灰色关联度的平均值(文中),q是影响综合漂白性能的因素个数(文中q=4),最终获得的预测值为0.910。表9的实验结果表明,优化条件后,卡伯值由8.2降到了8.17,黏度由824提高到了830;虽然白度有所降低、AOX有所增加,但综合性能得到改善,灰色关联度由0.882增大到0.895。这说明在最优条件下,可获得相对较高的黏度和白度,同时又能获得较低的卡伯值和AOX。验证实验得到的灰色关联度为0.895,与利用公式(7)预测的灰色关联度值0.910非常接近,结果较为满意。更重要的是,验证实验结果比原有实验中最大的关联度(0.882)还要高,这说明通过对信噪比(S/N)的灰度关联分析,获得了更优的工艺条件。3活化剂用量的影响(1)田口方法分析结果表明,ClO2用量对卡伯值的影响最大,H2SO4用量和时间对卡伯值的影响不大;温度和时间对黏度产生的作用最大,H2SO4和ClO2用量对