麦草浆氧脱木素工艺的优化与控制

【摘要】：近年来,随着国家经济的快速发展,对纸制品的需求量逐渐增加,同时,对纸制品的质量要求也提高。然而,造纸纤维原料短缺是制约造纸行业发展的瓶颈问题之一,虽然通过增加木浆比例和提高废纸利用率来调整造纸纤维原料结构,但麦草作为我国丰富的非木材植物纤维原料仍将在很长时间内在我国占据着重要的地位。因此,研究麦草浆氧脱木素过程中工艺参数对氧脱木素选择性的影响对发展我国造纸行业有重要的意义。本论文以麦草浆为研究对象,探讨了麦草浆常规氧脱木素的工艺优化条件,并在其它条件不变的情况下,通过改变浆浓进一步对麦草浆氧脱木素工艺进行了整体优化。同时,分析了氧脱木素废液中各主要组分的变化规律,并建立了相应的预测相关组分的数学模型,为麦草浆漂白提供理论依据和技术支持。 论文首先研究了常规氧脱木素工艺条件下用碱量,保温时间,反应温度和氧压对麦草浆氧脱木素选择性的影响。实验结果表明,用碱量、反应温度和保温时间对氧脱木素选择性有较大影响,氧压对其影响比较小。优化后的常规麦草浆氧脱木素工艺条件为浆浓10%,用碱量2.50%,反应温度100℃,氧压0.70MPa,保温时间60min。卡伯值6.40,木素脱除率41.37%,粘度989ml/g,纸浆得率90%。 揭示了麦草浆常规氧脱木素过程中甲醇的生成量与用碱量、反应温度、保温时间和氧压的关系。对于任意的用碱量条件下,甲醇的生成量随着保温时间的增长而不断增加；反应温度的提高,有利于甲醇的生成；而氧压改变时,在起始阶段甲醇生成较快,后续甲醇的生成率逐渐变慢。根据它们之间的关系建立了麦草浆常规氧脱木素过程中甲醇生成量的数学经验模型。该模型具有较高的准确性,相关系数为0.9860,可以将其用于麦草浆常规氧脱木素废液中甲醇含量的预测。 同时,揭示了常规氧脱木素过程中碳酸根的生成规律,研究表明：随着氧脱木素过程的进行碳酸根的含量逐渐增加；提高温度会促进氧脱木素过程中碳酸根的形成；用碱量增加,氧脱木素废液中碳酸根的含量也增加；氧压的变化对碳酸根的形成影响不大。因此,建立了麦草浆常规氧脱木素过程中碳酸根生成量的数学经验模型。该模型的预测值与实验值的相关系数R2为0.9686,说明此模型的预测具有较高的可靠性,可以用于麦草浆常规氧脱木素废液中碳酸根含量的预测。 此外,还揭示了常规氧脱木素过程中草酸根的生成规律。随着用碱量的增加,氧脱木素废液中的草酸根含量也随之增加；氧脱木素过程中草酸根的含量随着反应温度的提高而有所增加；相比较而言,氧脱木素过程中氧压的变化对草酸根的形成影响不显著。根据它们之间的关系建立了麦草浆氧脱木素过程中草酸根生成量的数学经验模型。此模型的预测值与实验值具有很好的线性相关性,相关系数为0.9520,说明此模型的预测具有较高的准确性,可以用于麦草浆氧脱木素废液中草酸根含量的预测。 研究了常规氧脱木素工艺条件下脱木素动力学,结果表明：氧脱木素过程中对木素的反应级数为8.79；对碱浓的反应级数为1.96；对氧压的反应级数为0.47；氧脱木素过程中反应的活化能为87.06kJ/mol。建立了麦草浆氧脱木素过程中脱木素动力学模型。该动力学模型的预测值与实验值呈现出很好的线性关系,相关系数为0.9544。表明该模型具有很高的准确性,可以用于麦草浆氧脱木素过程中卡伯值的预测。 进一步研究了在改变浆浓条件下对常规氧脱木素选择性的影响。优化的麦草浆氧脱木素工艺条件为：浆浓15%,用碱量2.50%,反应温度100℃,氧压0.70MPa,保温时间60min。卡伯值6.70,木素脱除率38.20%,粘度967ml/g,纸浆得率96%。 当氧压固定为0.70MPa,反应温度为60℃,保温时间为60min时,优化了常规麦草浆氧脱木素脱木素动力学方程,实验结果表明：氧脱木素过程中对碱浓的反应级数为2.11；随着浆料浓度的提高卡伯值不断降低,说明浆浓对麦草浆氧脱木素效果也有较大影响。建立了麦草浆氧脱木素过程中基于浆浓修正的脱木素动力学数学模型：该动力学模型具有很高的准确性,相关系数为0.9392,可以用于麦草浆氧脱木素过程中卡伯值的预测。