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棉秆制浆漂白新工艺及其机理的研究

王键  
【摘要】:棉秆是我国北方地区丰富的农业废弃物。棉秆在制浆造纸工业上的应用一直徘徊不前。本论文详细论述了制浆造纸工业的发展和目前状况。针对我国现有非木材原料的使用情况,提出对棉秆纤维原料进行合理利用的思路。 论文以山东夏津所产棉秆作为研究对象,以棉秆木素结构的研究作为基础。对棉秆的主要化学成分进行了分析检测,并运用紫外光谱、红外光谱、~(13)C-NMR等分析手段对棉秆全秆和秆芯MWL木素结构单元进行了分析。研究结果显示,棉秆木素结构属于GSH型。棉秆皮中存在较多的侧链共轭C=0基结构,此类结构造成棉秆发色基团较多,成浆颜色深等制浆问题。 在以上研究的基础上,进一步对棉秆蒸煮脱木素反应动力学进行了研究。研究过程采用了新的实验和计算方法,即采用与实际蒸煮反应相近的液比,用较短时间周期的药液浓度变化值和木素含量变化值作为计算蒸煮脱木素反应的活化能的基本数据。在相对较短的时间间隔内,用该区间内的平均药液浓度和平均木素含量作为计算依据,根据阿伦尼乌斯理论得出棉秆硫酸盐法蒸煮脱木素反应活化能是76.94KJ/mol,烧碱-蒽醌法蒸煮脱木素反应活化能为89.42KJ/mol。烧碱-蒽醌蒸煮脱木素反应的活化能高于硫酸盐法蒸煮脱木素反应活化能,说明棉秆硫酸盐法蒸煮脱木素反应比烧碱-蒽醌法容易。 通过检测木素含量和碳水化合物含量变化规律研究了棉秆蒸煮脱木素反应历程。结果表明,棉秆烧碱—蒽醌法和硫酸盐法蒸煮具有相似的脱木素反应历程,大致分为3个阶段:(1) 初始脱木素阶段,从升温开始到140℃,脱木素率为45%:(2) 大量脱木素阶段,从140℃升温到160℃且保温30min,脱木素率达90%左右;(3) 补充脱木素阶段,在160℃从保温30min至蒸煮终点。无论烧碱-蒽醌法还是硫酸盐法,棉秆蒸煮保温时间是必需的,后期脱木素主要在保温期间进行,这不同于一般草类原料(如稻草、麦草)。根据蒸煮过程纸浆得率和筛渣量变化规律,得出了棉秆蒸煮纤维分离点。棉秆硫酸盐法蒸煮纤维分离点为160℃保温30min,此时的筛渣率为1.2%,卡伯值降为30.16,粗浆得率为52.68%。棉秆烧碱-蒽醌法蒸煮纤维分离点为160℃保温60min,此时的筛渣率为1.1%,卡伯值为25.31,粗浆得率为43.72%,达到此纤维分离点比硫酸盐法蒸煮需要更长的保温时间。 对棉秆两种常规蒸煮方法蒸煮工艺条件进行了优化。分别对硫酸盐法的用碱量、硫化度和蒸煮保温时间进行正交实验,对烧碱-蒽醌法的用碱量、AQ用量和蒸煮保温时间进行正交实验。从棉秆两种常规蒸煮方法的工艺条件优化结果可以看出,采用常规蒸煮方法进行棉秆制浆,纸浆得率均低于40%,未漂浆白度不超过20%ISO,卡伯值达到20左右。必须探索新的工艺技术来改善棉秆制浆质量。


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