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环境友好的麦草Soda-AQ制浆技术及其机理的研究

戴铠  
【摘要】:本论文研究了环境友好的麦草制浆技术,确定了合适的麦草蒸煮终点,系统研究了黑液回用蒸煮和深度氧脱木素,探索了解决传统草浆黑液污染、碱回收和脱木素选择性问题的有效途径。运用Design-Expert实验设计软件,XRD,FQA,FT-IR,碱性硝基苯氧化,臭氧解,SEM,HPLC等技术手段,研究新型耐热耐碱木聚糖酶处理麦草浆的选择性和酶处理前后纸浆木素、纤维素和半纤维素的物化特性、纤维表面多孔性、未漂浆滤水性以及漂白特性的变化,揭示了木聚糖酶预处理改善ECF和TCF漂白以及滤水性能的机理和应用潜在性,为建立环境友好的麦草制浆体系提供理论依据。主要结论如下: 1.麦草Soda-AQ蒸煮优化工艺为用碱量17.0%,蒸煮温度150℃,液比4.5:1,保温时间60min,AQ用量0.05%,可得到得率为48.9%,卡伯值13.3,粘度27.3mPa·s,白度37.8%ISO的纸浆。蒸煮终点的控制对纸浆的性能影响较大,在优化的蒸煮工艺下,45~60min的保温时间控制卡伯值在13~15的纸浆是较合适的蒸煮终点,此时纸浆达到较好的深度脱木素,有利于后续漂白,同时可保持较好的纸浆强度。ODQP、OQ(PO)1(PO)2和OD0EpD1D2都是选择性较高的麦草化学浆漂白方法。 2.回用黑液蒸煮过程可降低纸浆中化学组分的溶出,抑制碳水化合物的剥皮反应。当黑液替代率在50%~60%时,纸浆得率可达到51%左右,卡伯值和粘度结果与常规蒸煮相近。由纤维筛分、FQA、SEM和木质素结构特性分析可知,回用黑液蒸煮对纸浆纤维形态、滤水性能和手抄片性能,以及木素缩合程度和β-O-4醚键结构特性影响不大。 3.麦草浆单段氧脱木素率在50%左右,单段H_2O_2强化氧脱木素和两段氧脱木素率均超过60%且比较相近。通过FT-IR、SEM、XRD和木素结构特性分析可知,氧脱木素可能断裂部分LCC联接键,促进木素的溶出及后续反应,减少缩合木素含量和甲氧基含量,同时断裂侧链(芳基甘油-β-芳醚)结构,氧脱木素过程主要作用于纤维素的非结晶区,对纤维形态影响不大。H_2O_2的加入,强化了脱木素的过程,同时两段氧脱木素较单段氧脱木素和H_2O_2强化单段氧脱木素选择性高。 4.高纯度耐热耐碱木聚糖酶对木聚糖有较强的吸附性和专一降解性,在pH7.0~9.5,温度60℃~80℃范围内均有较高的活性和稳定性。通过Design-Expert设计中心响应面实验分析,建立了酶预处理纸浆漂白的回归模型。通过得到的回归方程并进行验证,纸浆酶预处理在pH7.0~8.0,温度75℃~85℃,时间1.0~1.5h,浆浓10%~13%,酶用量2.0~4.0IU/g,初始卡伯值在13~15之间,经过D0EpD1D2漂白可以得到累积得率90%左右,粘度降低率约5%,白度88%ISO左右的漂白浆。 5.酶预处理可以改善纸浆的漂白性能,终漂浆白度接近90%ISO;当漂到参照浆白度(87%ISO)时,酶处理可减少D0段23.5%的ClO_2用量,约节省相当于总ClO_2用量的14%,同时漂白废水中的污染负荷较低。通过HPLC、XRD、FT-IR、SEM和木素结构特性等分析可知,高纯耐热耐碱木聚糖酶预处理可专一地降解半纤维素,一定程度脱除木质素、己烯糖醛酸和其它化学组分,对木素结构特性影响较小。酶处理后纤维表面出现剥蚀和多孔结构,纤维横断面的内层出现密集而均匀的裂纹,疏松的纤维结构极大地增加了漂剂的可及度,并易于漂白剂的渗透和低分子量木素的溶出。 5.酶预处理在pH8.0,温度80℃,时间1.0h,浆浓10%,酶用量2.0~4.0IU/g条件下,可以改善纸浆的滤水性能,纸浆的游离度可提高约11%~14%,保水值可降低约3%。酶预处理降低了纸浆阳离子电荷需求和纤维润湿性能,对纤维素结晶区没有破坏,纤维表面出现明显的裂隙,纤维层状结构松散。酶处理磨浆后,较原浆可降低28.6%的磨浆能耗。然而过多的酶用量导致纤维表面的破损,易在磨浆过程中产生纤维切断,对纸浆的强度性能不利。 7.通过系统研究麦草Soda-AQ制浆的关键技术及其机理,建立了环境友好的麦草制浆体系:在优化的Soda-AQ蒸煮工艺下,选择适宜的深度脱木素蒸煮终点纸浆(卡伯值在13~15左右),进行高选择性的两段氧脱木素,脱木素率可达到60%以上;经过氧脱木素后的纸浆进行高纯耐热耐碱酶预处理,酶预处理纸浆得率约为95%,卡伯值有一定程度下降,粘度基本不变;预处理后纸浆的滤水性能和可漂性能均得到改善,经过ECF和TCF漂白,漂白浆的累积得率90%左右,粘度降低率约5%,白度90%ISO左右,同时可减少漂白化学品消耗,漂白废水中的污染负荷远低于传统的漂白方法;蒸煮黑液可以适当进行回用蒸煮,减少化学品消耗和黑液碱回收压力,同时在保持纸浆性能的基础上得率提高约4%。


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