麥草氨法預處理制備化機漿工藝的研究

李軍波 韓卿 陜西科技大學造紙工程學院 陜西 西安（710021）

麥草氨法預處理制備化機漿工藝的研究

李軍波 韓卿 陜西科技大學造紙工程學院 陜西 西安（710021）

本文研究了尿素-氫氧化鉀法，通過使用尿素和氫氧化鉀對麥草進行預處理，在控制尿素和氫氧化鉀用量、溫度、升溫保溫時間條件下，使麥草化機漿成漿得率達到65%以上。結果表明：在尿素用量9%，KOH用量5%，蒸煮溫度160℃、升溫時間60min、保溫時間60min時，得率為66.72%，所抄紙張的環(huán)壓強度指數(shù)9.43N·m/g、裂斷長4..67km、緊度0.53g/cm3，已經(jīng)達到了瓦楞原紙國家標準（GB/T13023-2008）中A級水平。制漿后的黑液和洗滌液進行酸化和苛化處理，分離出沉渣和上層清液，沉渣作為含鉀的有機復合肥料，上層清液用來重新配制蒸煮液。

麥草化機漿；氨法預處理；尿素；瓦楞原紙；強度；黑液

尿素是第一個人工合成的有機物，尿素法制漿在我國的研究始于上個世紀80年代。尿素制漿法是以尿素代替蒸煮過程中使用的化學藥品的制漿方法[1-2]。尿素法制漿廢液中含氮、磷、鉀等，適合灌溉農(nóng)田，肥效明顯。尿素法制漿污染輕、腐蝕性小、簡單易行[3-5]。

尿素可以用來制漿，其原理主要有三個方面：①尿素的分子結構中含有碳酰基及氨基，并且形成了酰胺的結構，基團綜合作用使得分子整體呈現(xiàn)了微堿性，稱之為結構堿性。在蒸煮時，尿素可以與在蒸煮過程中植物纖維氧化產(chǎn)生的有機酸（如草酸）發(fā)生反應，起到中和有機酸的作用，促進了蒸煮的進行，這本身就具備了一定的蒸煮作用[6-7]；②尿素與水共熱，在100℃下發(fā)生水解生成NH3和CO2，對于NH3的脫木素可以理解為兩方面∶其一為在蒸煮溫度和壓力下，氨有一定的軟化作用，它可使木素結構引入親水基羧酸鹽-COONH4，使木素易于溶出；其二為氨與木素反應使得在木素的網(wǎng)狀結構中引入亞氨基，亞氨基的存在使得木素易于潤脹和斷裂；而對于二氧化碳的脫木素機理可以認為是它與木素結構反應生成了木素羧酸鹽，具有親水性而溶出[8]；③NH3和CO2反應可以生成碳酸銨，而尿素可以分解成氰酸，氰酸可以轉化成氰尿酸。氰尿酸與木素的醇型羥基反應生成異氰酸酯，易溶于水從而達到脫木素的目的；碳酸銨主要體現(xiàn)為NH4+活力大，能潤脹纖維并置換木素的酚羥基[9-10]。

本文通過對尿素預處理麥草機理的探討，確定了本實驗的可行性，同時探討了尿素預處理麥草后對后續(xù)紙張性能（環(huán)壓強度、裂斷長、緊度）的影響，并確定了最佳實驗條件。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料及化學試劑

原料：西安某造紙廠的新鮮麥草；

尿素：重慶川江化學試劑廠生產(chǎn)，分析純，含量≥99.0%，其中尿素按GB/T2441-91測定總氮含量，氮含量為33.75%；

氫氧化鉀：重慶川江化學試劑廠生產(chǎn)，分析純，含量≥82%。

1.1.2 儀器

蒸煮鍋；PFI磨漿機；洗漿機；德國抄片器；環(huán)壓測定儀；抗張測定儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 麥草氨化預處理

使用大鍋進行蒸煮，每次裝鍋量為90g（絕干）。液比為1：6。蒸煮時，為了確定最佳工藝條件，尿素的用量分別為5%，7%，9%，氫氧化鉀的用量分別為3%，5%，7%，最高溫度分別為 140℃，150℃，160℃，保溫時間控制分別為45min，60min，75min，升溫時間均為60min，做蒸煮正交試驗表。

1.2.2 磨漿

用PFI磨漿機對洗好的麥草漿進行機械磨漿，使其打漿度在45°SR左右。然后對其測定水分，測定得率。

1.2.3 抄片

用德國的標準紙頁成型器抄紙，定量為100g/m2。手抄片在物檢前，放到ISO標準恒溫恒濕實驗室內(nèi)平衡水分24h以上。

1.3 正交試驗與極差分析

設計實驗方案如表1所示。選取尿素用量、KOH用量、最高溫度、保溫時間4個因素并分別確定3個水平做正交實驗，采用L9(34)來安排實驗，正交實驗結果進行極差分析。

表1 尿素蒸煮正交試驗因素水平表

正交實驗結果得到了大量數(shù)據(jù)，為了進行直觀的極差分析，將得到的數(shù)據(jù)進行作圖，如圖1、2、3、4所示。這樣可以較為方便地找出尿素和KOH用量、最高溫度和保溫時間的最優(yōu)值，圖中橫坐標的1、2、3表示的是各因素的水平。

圖1 各因素對得率的影響

圖2 各因素對環(huán)壓強度指數(shù)的影響

圖3 各因素對裂斷長的影響

圖4 各因素對緊度的影響

2 結果與討論

由于所制紙漿用來生產(chǎn)瓦楞原紙，所以最佳工藝條件的選取，重點考慮得率和環(huán)壓強度指數(shù)。本文中對得率、環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度進行了測量，結果分析如下：

（1）當尿素用量為9%時，得率、環(huán)壓強度指數(shù)、緊度均為最高值，分別為 60.13%、9.79N·m/g、0.53 g/cm3。而這時的裂斷長為4.98km，雖然不是最高值，但比國家標準（GB/T13023-2008）中A級水平規(guī)定的4.3km要高，達到了實驗要求；尿素用量若為5%，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度均為最低值；尿素用量若為7%，得率為最低值，僅為57.77%。所以綜合考慮，尿素用量為9%是最佳選擇。

（2）因為本實驗所制漿料是用來生產(chǎn)瓦楞原紙的，所以得率和環(huán)壓強度指數(shù)的指標尤為重要。當KOH用量為5%時，環(huán)壓強度指數(shù)為9.57 N·m/g，為最高值。而這時的得率雖然不是最高值，但為次高值60.20%，與最高值相差極少，裂斷長和緊度分別為4.76 km和0.5 g/cm3，均達到了實驗要求；若KOH用量選擇3%，裂斷長和緊度則太低；若KOH用量選擇7%，則得率太低，且KOH用量大，價格昂貴，增加了生產(chǎn)成本。所以綜合考慮，KOH用量為5%是最佳選擇。

（3）當保溫時間為60min時，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度都是最高值，分別為 9.97N·m/g、5.57km、0.52 g/cm3，而這時的得率也相對較高，為58.92%，僅次于最高值。所以保溫時間為60min是最佳選擇。

（4）當最高溫度為160℃時，得率，裂斷長、緊度均為最高，分別為 60.98%、5.24km、0.54 g/cm3，而這時的環(huán)壓強度指數(shù)為9.16 N·m/g，與最高值9.98 N·m/g相差不多，且達到實驗要求；最高溫度若選擇140℃，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度均為最低值，分別為7.48 N·m/g、4.11km、0.47 g/cm3，裂斷長和緊度達不到瓦楞原紙國家標準（GB/T 13023-2008）中A級水平；最高溫度若選擇150℃，環(huán)壓強度指數(shù)雖然是最高值，裂斷長和緊度也相對較高，但得率實在太低。所以綜合考慮，最高溫度為160℃是最佳選擇

按照上述分析得出的尿素和KOH蒸煮麥草的工藝條件：尿素用量9%，KOH用量5%，保溫時間60min，最高溫度160℃，做驗證試驗。結果如表2。

表2 驗證試驗結果

從驗證試驗的結果來看，粗漿得率達到了預期的目標，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度也都達到了瓦楞原紙國家標準（GB/T 13023-2008）中A級水平，達到了實驗的要求。

3 制漿黑液的處理

制漿后的黑液和洗滌液相繼進行酸化和苛化處理后，分離出沉渣和清液，沉渣可以作為含鉀的有機復合肥料或其他用途，清液用來重新配制蒸煮液。這樣就能使制漿產(chǎn)生的黑液得以回收，變廢為寶，減少環(huán)境污染。

4 結論

1)通過正交試驗得出尿素和KOH預處理麥草的最佳工藝條件是：尿素用量為9%、氫氧化鉀用量為5%、最高溫度160℃、升溫時間60min、保溫時間60min。

2)在上述條件下預處理麥草，進行手抄片。手抄片的環(huán)壓強度指數(shù)為9.43 N·m/g，裂斷長為4.67km，緊度為0.53 g/m3，均達到了瓦楞原紙國家標準（GB13023-2008）中A級水平。

3)所產(chǎn)生的黑液含氮、磷、鉀等元素，適合灌溉農(nóng)田，肥效明顯，也可以將其制成肥料。降低了工廠處理黑液的成本，又保護了環(huán)境。

4)尿素法制漿污染輕、腐蝕性小、簡單易行，非常適合工廠的生產(chǎn)。

[1]武書彬.制漿造紙清潔生產(chǎn)新技術 [M].化學工業(yè)出版社.2003∶1-3.

[2]羅少初,劉景富,霍慶元等.尿素法制漿.中華人們共和國.發(fā)明專利CN87101508A,1987年9月30日

[3]羅少初.尿素法制漿機理的探討 [J].天津造紙,1992,14(2)∶11-15.

[4]楊汝男,王曉敏,張運展.稻草半化學漿制瓦楞原紙的研究[J].中國包裝工業(yè),1999(12)∶18-19.

[5]劉書釵,王娟,任濤.高得率棉稈漿制瓦楞原紙[J].西南造紙,2004(4)∶32-33.

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[9]黃國林,鄒麗霞,陳中勝等.稻草NH4OH-氫氧化鉀蒸煮反應歷程和動力學研究[J].林產(chǎn)化學與工業(yè),2003(1)∶1-6.

Study on nitrogen compounds pretreatment technology of wheat straw chemi-mechanical pulp

The technology of urea-potassium hydroxide for pretreating wheat straw was studied in this paper.The dosages of urea and potassium hydroxide,temperature,time and liquor ratio were investigated in order to produce a chemi-mechanical pulp which the unscreened yield of the pulp was beyond 65%.The results shown that the chemi-mechanical unscreened yield was 66.72%when the dosages of urea and potassium hydroxide were 9%,5%respectively,and pretreatment temperature,heating time and keeping time at the high temperature were 160℃,60min,60min separately.The physical properties of the hand sheet were as follow:the ring crush compression resistance index was 9.43N·m/g,breaking length was 4.67km and the tight degree was 0.53g/cm3,the physical properties had achieved the national standard A grade level(GB/T 13023-2008)of the corrugated paper.

wheat straw CMP；nitrogen compounds pretreatment；urea； corrugated paper；black liquor

2011-10-24