硫酸盐法蒸煮阔叶木原料的研究

硫酸盐法蒸煮阔叶木原料的研究

近年来，速生叶材的使用越来越受造纸行业的影响。据联合国环境署统计资料,全球森林资源中阔叶木所占的比重大约为59%,大多分布在拉丁美洲、非洲、亚洲等区域,在我国的森林资源中,阔叶木占有48%的比重。虽然针叶木在许多大中型造纸企业仍是主要的制浆原料,但确定优良的制浆阔叶树种,发展人工阔叶木纸浆林,不仅可以降低制浆成本,而且已被认为是提高造纸企业市场竞争力的战略。为了保证原料木片的供应,目前大型制浆企业的阔叶木原料木片通常有多个来源地和不同品种,由于蒸煮设备和纸浆产品的特点,往往需要采用不同木片混合蒸煮的方式。本研究结合国内某企业在生产实际中混合蒸煮不同原料木片所存在的浆料质量波动问题,对三种阔叶木速生材木片分别进行硫酸盐蒸煮,比较其制浆特性,目的是为在生产实际中制订更合理的制浆工艺条件提供参考。1实验1.1桉木进口实验用三种阔叶木原料木片由国内某企业提供:桉木1(国产),桉木2(进口),相思木(进口)。将风干后的木片装入塑料袋密封,测定水分后备用。1.2原料的提取含量和养分含量的测定三种原料木片分别经磨粉、过筛后,取40～60目试样,平衡水分备用。抽出物含量和灰分含量测定按国家标准进行。1.3小罐和检罐量采用国产ZQS1型15L电热回转式蒸煮锅,内装4小罐,每小罐容积1L,装罐量绝干木片100g。实验中设定升温时间60min,保温时间150min,液比4∶1,硫化度30%。根据H-因子计算出蒸煮最高温度。用碱量见下文表2和表3。1.4黑液和浆料浆料卡伯值按TappiUsefulMethod246方法测定。黑液残碱分析按照SCAN方法测定。1.5黑溶液中的糖含量测定黑液中的戊糖、己糖和总糖含量采用双波长可见光谱快速测定方法。2结果与讨论2.1种原料组成对桉木木片中树皮含量的影响对三种原料木片的表观状况进行比较,其中国产桉木片表面的尘土样附作物较多,进口桉木的木片颜色较深,且不规则木块相对较多,进口相思木片中树皮含量较多。对三种原料的抽出物含量和灰分含量进行了测定,结果如表1所示。试样中桉木1为国产桉木,其苯醇抽出物和灰分相对较低。桉木2为进口桉木,其1%NaOH抽出物的含量相对较高,但热水抽出物含量较低。相思木的1%NaOH抽出物相对于两种桉木明显较低,而苯醇抽出物相对较高。2.2不同用碱量对不同原料浆料卡伯值的影响在生产实际中,一般纸浆品种在一段时期内相对固定,蒸煮设备的形式和台数也是固定的。当原料木片有多种来源时,工厂往往会选择混合木片蒸煮的方式,以减少木片来源和品种改变给产品质量带来较大波动的现象。由于木片在品种、产地等方面的不同会对其制浆性能造成影响,因此对工厂混合蒸煮的木片分别进行蒸煮研究,了解其制浆特性是有必要的。本研究对国内某生产企业混合原料蒸煮中采用的三种木片分别进行硫酸盐蒸煮实验,为结合工厂蒸煮设备的特点,实验中设定蒸煮升温时间为60min,保温时间为150min,最高温度由H因子计算得出。在H因子设定为800的条件下,改变用碱量的蒸煮结果如表2所示。从表2中的数据可见,在其它蒸煮条件相同的情况下,随着用碱量增加,三种木片蒸煮后都呈现浆料得率下降,卡伯值下降的结果。参照企业设定的浆料卡伯值范围16～19,在用碱量相同或相近的条件下比较,当用碱量为20%时,桉木1(A)蒸煮后浆料的卡伯值已进入设定范围,相思木(A)蒸煮后浆料的卡伯值稍高于范围,但其浆料得率和残碱均高于桉木1(A)的结果,粗渣率较低。当用碱量增加至24%时,桉木1(B)和相思木(C)蒸煮后浆料的卡伯值均已低于企业设定的卡伯值范围,浆料中已基本没有粗渣。将桉木1(C)与桉木2(B)、2(C)的结果进行比较可以看出,桉木2在蒸煮用碱量高低相差1%的条件下,对应浆料的得率都明显低,而卡伯值却明显高。归纳表2中的数据可见,在相近的用碱量条件下,蒸煮后浆料的得率为相思木最高,桉木1其次,桉木2的得率明显低而卡伯值却最高。由此可见,这三种木片的硫酸盐制浆性能存在比较明显的差异。在相同的H因子下要获得接近目标卡伯值的浆料,国产桉木需要相对较低的用碱量,而进口桉木需要较高的用碱量。与国产桉木和进口相思木相比,进口桉木在相近的用碱量下得率明显低而卡伯值却明显高,这可能与原料中的化学组成有关,由表1中的数据可以看到,这种原料(桉木2)的1%NaOH抽出物含量和灰分含量相对较高。更多的原因有待进一步实验探讨,对原料中的木素含量、碳水化合物含量及浆料中己烯糖醛酸含量进行测定与分析。由于表2中各木片原料在H因子800的条件下蒸煮后黑液中的残碱均比较高(企业设定黑液残碱范围为2.3～6.2g/L,Na2O计),因此在提高蒸煮H因子的条件下还可能进一步脱木素。考虑到蒸煮的升温时间和保温时间与实际生产中的设备特点有关而不宜改变,所以进一步的实验采取提高蒸煮最高温度的方式,将H因子提高到1100,对应的最高温度为160.5℃,用碱量根据表2的实验结果进行了调整,蒸煮结果见表3。将表3中的数据与表2中桉木1(A)、桉木2(A)和相思木(A)的数据进行比较可以看出,蒸煮H因子从800提高到1100,在用碱量降低1%～2%的条件下,各原料对应浆料的卡伯值下降,桉木的浆料得率有所上升,相思木得率变化不大。相思木在用碱量18%的条件下其浆料卡伯值已进入企业设定的16～19范围,且浆料得率明显较高。而桉木2在提高H因子的蒸煮后,在浆料得率已经很低的情况下卡伯值仍然高出目标值近1个单位,由于黑液中的残碱仍然较高,因此在用碱量22%的条件下再适当提高H因子应可以降低浆料卡伯值,但可能导致浆料得率的进一步下降。由此可见,在将这三种木片混合蒸煮的情况下,选择适当的木片比例和合适的用碱量对其最终浆料卡伯值进入合格范围十分重要,这方面的实验研究将在下一步开展。2.3低聚糖和单糖溶入黑液在碱法蒸煮过程中,原料中的碳水化合物不可避免地会发生一定程度的降解,降解产物主要以糖酸的形式进入黑液,也可能有低聚糖和单糖溶入黑液。实验中用双波长法测定了表2条件蒸煮后黑液中的戊糖和己糖含量,由二者计算出总糖的含量,结果列于表4。表4中的数据表明,增加蒸煮用碱量,三种木片蒸煮后黑液中的戊糖含量有上升趋势,而己糖含量呈下降趋势。桉木2蒸煮黑液中的己糖和总糖含量相对较高,这有可能对表2中此种木片的蒸煮得率较低提供解释。3不同碱量对原料得率的影响对某工厂用于混合蒸煮的三种阔叶木原料分别进行硫酸盐蒸煮的实验结果表明,这三种原料在制浆性能上存在比较明显的差别,主要表现在达到合格的浆料卡伯值时所需要的用碱量明显不同。在蒸煮H因子800的条件下,在相近的用碱量时,蒸煮后浆料的得率为进口相思木最高,国产桉木其次,进口桉木的得率明显低而卡伯值却最高,在此H因子条件下要达到企业设定的浆料卡伯值要求,三种原料对应的用碱量分别为国产桉木20%、进口桉木27%、进口相思木22%,但在此条件下黑液中的残碱偏高。提高