過氧化氫強(qiáng)化兩段氧脫木素

張 彬董元鋒劉溫霞

(1.Research&Development Center ofAPP,Indonesia,36126;2.LP3IRD,APP,Indonesia; 3.山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

·氧脫木素·

過氧化氫強(qiáng)化兩段氧脫木素

張 彬1董元鋒2劉溫霞3

(1.Research&Development Center ofAPP,Indonesia,36126;2.LP3IRD,APP,Indonesia; 3.山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353)

研究表明,在兩段氧脫木素過程加入過氧化氫會提高脫木素效果,且加在氧脫木素的第二段比加在第一段時(shí)的脫木素率和選擇性指數(shù)(脫木素率與黏度損失率的比值)好;綜合考慮,建議過氧化氫的用量控制在2～3 kg/t;螯合處理對脫木素率與選擇性指數(shù)也有影響,建議采用Q-O-OP處理程序,且螯合處理在酸性條件下的效果較好。

氧脫木素;過氧化氫;脫木素率;脫木素選擇性指數(shù)

(＊E-mail:zhangbin0521@sina.com)

Abstract:Industrial two-stage oxygen delignification systems can achieve approx imate 45%delignification,but continued reaction causes unacceptable loss in pulp quality and yield.However hydrogen peroxide can be used to reinforce the delignification in dual oxygen delignification systems.Laboratory results show that the application of hydrogen peroxide in the second oxygen delignification stage i.e.O-OP,can improve delignification efficiency,without inter-stage washing.

Key words:oxygen delignification;hydrogen peroxide;delignification efficiency;delignification selectivity index

1867年,美國專利最早提到熱空氣對紙漿具有漂白作用;1958年,尼基金等人首次在堿性條件下用分子氧漂白溶解漿,1968年,首次在J?ssefors漿廠進(jìn)行氧脫木素的工廠試驗(yàn);1970年,第一臺工業(yè)化的氧脫木素設(shè)備在南非的Kamyr廠安裝;1985年,日本王子制紙公司的Tomakomai漿廠安裝運(yùn)行了第一臺兩段氧脫木素設(shè)備[1]。自從第一臺工業(yè)化的氧脫木素設(shè)備誕生以來,氧脫木素技術(shù)獲得了快速發(fā)展。由于氧脫木素與EOP反應(yīng)條件的相似性,因此過氧化氫可以被用來作為氧脫木素的增強(qiáng)劑以提高氧脫木素效率。氧脫木素被認(rèn)為是制漿過程中除蒸煮脫木素外成本最低、操作最簡單、效率最高的脫木素方法,氧脫木素可以看作是蒸煮的延續(xù),也可以看作是漂白的開始,能夠有效地把蒸煮與漂白連接起來。

生產(chǎn)與研究表明,常規(guī)的工業(yè)化單段氧脫木素的脫木素率能達(dá)到35%左右,工業(yè)化的兩段氧脫木素的脫木素率能達(dá)到45%左右,再繼續(xù)提高脫木素率將會引起碳水化合物的嚴(yán)重降解和質(zhì)量損失[2]。為此,在保證成漿質(zhì)量的前提下,造紙工作者研究在氧脫木素過程中采用過氧化氫強(qiáng)化來提高脫木素率和改善脫木素的選擇性指數(shù)(脫木素率與黏度損失率的比值)[3]。

1 實(shí) 驗(yàn)

紙漿為APP公司Compact蒸煮系統(tǒng)的相思木硫酸鹽漿,氧脫木素前紙漿的性能指標(biāo)見表1。

紙漿氧脫木素是在混合反應(yīng)器(Quantum V)中進(jìn)行的,pH值的調(diào)節(jié)采用APP公司漿廠的氧化白液,氧氣取自APP公司氧氣廠,過氧化氫為外購,螯合劑為Buckman公司產(chǎn)品。其中,O表示氧脫木素,OP表示過氧化氫強(qiáng)化的氧脫木素,Q表示螯合處理。

表1 氧脫木素前紙漿的性能指標(biāo)

白度的測定采用TAPPI T218 sp-02標(biāo)準(zhǔn),卡伯值的測定采用TAPPI T236 om-99標(biāo)準(zhǔn),黏度的測定采用SCAN-CM 15:88標(biāo)準(zhǔn),紙漿中金屬離子的測定使用I CP Spectro Genesis,殘余過氧化氫的測定采用碘量法。

2 結(jié)果與討論

2.1 過氧化氫加入點(diǎn)和段間洗滌對氧脫木素程序的影響

兩段氧脫木素系統(tǒng)包括2臺壓力反應(yīng)器、2臺混合器和1臺段間增壓泵,氧氣、氧化白液、蒸汽等經(jīng)過第一臺混合器進(jìn)入一段反應(yīng)器;然后紙漿懸浮液和氧氣、蒸汽等經(jīng)過第二臺混合器和增壓泵進(jìn)入二段反應(yīng)器。典型的兩段氧脫木素有Metso和Kvaerner兩種系統(tǒng),兩種系統(tǒng)既有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn),但都根據(jù)氧脫木素的反應(yīng)動力學(xué),第一段反應(yīng)采用高壓和低溫,第二段反應(yīng)采用低壓和高溫,但是第一段反應(yīng)時(shí)間Metso系統(tǒng)為20～30 min,Kvaerner系統(tǒng)為5～6 min,第二段反應(yīng)時(shí)間都采用45～60 min。本實(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件見表2。

表2 兩段氧脫木素的反應(yīng)工藝條件

由于氧脫木素和氧堿抽提(EOP)的條件相似性,過氧化氫可以被用來強(qiáng)化兩段氧脫木素,同時(shí)也有觀點(diǎn)認(rèn)為段間洗滌能改善氧脫木素效果,實(shí)驗(yàn)中對過氧化氫加入點(diǎn)和段間洗滌進(jìn)行研究,用符號“-”連接表示段間沒有經(jīng)過洗滌,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 H2O2加入點(diǎn)和段間洗滌對氧脫木素程序的影響

表3表明,過氧化氫的加入會提高脫木素效果,但是過氧化氫加在第二段時(shí)的脫木素率和選擇性指數(shù)比加在第一段時(shí)的好;兩段氧脫木素的段間洗滌能夠提高脫木素率,同時(shí)白度也有所提高,但是對紙漿的黏度有損傷,脫木素的選擇性指數(shù)也有所降低,這可能是因?yàn)槎伍g的洗滌去除了第一段氧脫木素中形成的氧化性木素、半纖維素等碎片,增加了過氧化氫對過渡金屬離子的敏感性(H2O2+Mnn+=Mn(n+1)+OH-+ OH·,OH·在堿性條件下對碳水化合物有嚴(yán)重的降解作用,導(dǎo)致紙漿的黏度損失)。同時(shí),兩段氧脫木素的段間洗滌還需要洗滌設(shè)備方面投資,具體采用哪一種方式要根據(jù)具體情況綜合考慮。

2.2 過氧化氫用量對脫木素率的影響

研究過氧化氫用量對氧脫木素程序的影響,過氧化氫用量分別為0、2、4、6、8 kg/t,采用O-O和O-OP脫木素,其他反應(yīng)條件同表2,結(jié)果見表4。

表4 過氧化氫用量對氧脫木素的影響

表4表明,隨著過氧化氫用量的增加,過氧化氫的消耗量有所下降,當(dāng)過氧化氫用量為8 kg/t時(shí),過氧化氫的消耗量為85.9%;紙漿的脫木素率和白度隨著過氧化氫用量的增加都有增加趨勢,脫木素率和白度最高分別達(dá)56.4%和57.4%,但是隨著過氧化氫用量的增加,紙漿的黏度和脫木素選擇性指數(shù)有明顯下降,黏度下降到了787 mL/g,此時(shí)的選擇性指數(shù)也只有3.0。雖然過氧化氫的加入有利于改善兩段氧脫木素的效率,但同時(shí)會影響紙漿的黏度,實(shí)際加入量要綜合考慮后確定,建議用量在2～3 kg/t。

2.3 過渡金屬離子的螯合處理

很多造紙工作者的研究已經(jīng)表明,為了獲得最大的脫木素效率,在應(yīng)用過氧化氫處理紙漿前需要采用螯合劑對其進(jìn)行處理以調(diào)整紙漿中金屬離子的含量,并且認(rèn)為Q段處理后的紙漿要經(jīng)過洗滌,但是增加洗滌會增加設(shè)備的投資,而且也會失去標(biāo)準(zhǔn)兩段氧脫木素的優(yōu)勢,實(shí)驗(yàn)研究了Q段的位置、洗滌以及pH值對氧脫木素的影響。

2.3.1 Q段的位置和洗滌對氧脫木素的影響

Q段的不同位置與處理后是否有洗滌對氧脫木素的影響見表5。分析表5數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),Q段處理后洗滌與不洗滌對金屬離子的去除效果沒有很大的影響,但對脫木素選擇性指數(shù)和黏度有較大的影響,與不洗滌相比,Q段后采用洗滌處理會使紙漿黏度降低幅度較大,這可能是因?yàn)橄礈烊コ私到獾睦w維素與半纖維素碎片,失去了它們對纖維的保護(hù)作用;Q段后洗滌對紙漿的白度有影響,白度提高2個(gè)單位。Q段處理時(shí),采取段前處理與段間處理對金屬離子的去除、脫木素效率、黏度、白度以及脫木素選擇性指數(shù)都沒有大的影響。因此,建議Q段處理后不采取洗滌處理,即采用Q-O-OP處理。

表5 Q段的位置和洗滌對氧脫木素的影響

2.3.2 Q段pH值對Q-O-OP氧脫木素的影響

Q段后進(jìn)行O-OP程序的兩段氧脫木素,即Q-OOP。Q段pH值對O-OP程序的影響見表6。由表6可見,雖然Q段的pH值在酸性范圍對Mn、Fe和Cu離子的去除效果較好,同時(shí)脫木素的選擇性指數(shù)也高,但由于隨后的氧脫木素是在堿性條件下進(jìn)行的, Q段在低pH值下勢必會增加氧脫木素段的氧化白液或氫氧化鈉的消耗量,造成化學(xué)品消耗量增加,因此Q段采用的pH值要根據(jù)質(zhì)量與成本進(jìn)行綜合權(quán)衡。

表6 Q段pH值對氧脫木素的影響

3 結(jié) 論

3.1 過氧化氫可以用來改善段間沒有洗滌設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)兩段氧脫木素,使標(biāo)準(zhǔn)兩段氧脫木素發(fā)揮最大的脫木素效率。

3.2 兩段氧脫木素過程中加入過氧化氫會提高脫木素效果,但是過氧化氫的加入點(diǎn)對脫木素效率和選擇性指數(shù)有影響,加在第二段時(shí)比加在第一段時(shí)的脫木素效率和選擇性指數(shù)好。

3.3 兩段氧脫木素中過氧化氫的加入量對脫木素效率有影響,但是綜合考慮建議過氧化氫的用量控制在2～3 kg/t。

3.4 過氧化氫強(qiáng)化兩段氧脫木素系統(tǒng)中的螯合處理對脫木素效率與選擇性指數(shù)有影響,同時(shí)螯合劑的加入點(diǎn)與反應(yīng)條件對其有影響,建議采用Q-O-OP處理程序。

[1] Kondo S.Two-stage MC oxygen delignification and operating experiences[J].Japan Tappi,1992,46(1):32.

[2] Pikka O,Vilpponen A,Vehmaa J.The Two-stage Delignification Process and Recent Experiences[C]//International Pulp Bleaching Conference.Atlanta:TAPPI PRESS,1996.

[3] DevenynsJohan,Desprez Francios.Enhanced two-stage oxygen delignification[C]//5thInternational Conference on New Available Techniques.Stockholm:STFI,1996.

(責(zé)任編輯:郭彩云)

Enhanced DualO2Delign ification with H2O2Reinforcement

ZHANGBin1,＊DONG Yuan-feng2L IU Wen-xia3
(1.Research&Developm ent Center,APP,Indonesia,36126;2.LP3I RD,APP,Indonesia; 3.Key Lab of Pulp and Paper Engineering ofM inistry of Education,Shandong Institute of Light Industry, Ji'nan,Shandong Province,250353)

張 彬先生,工程師;主要研究方向:新產(chǎn)品和新原料、新技術(shù)、新化學(xué)品在制漿造紙中的應(yīng)用與推廣。

TS745

A

0254-508X(2010)05-0014-03

2009-11-29(修改稿)