甜高粱稈制取酒精后固體廢渣制漿的研究

梁富政 張世杰 周廣麒 曲運(yùn)德

(大連工業(yè)大學(xué),遼寧大連,116034)

甜高粱稈制取酒精后固體廢渣制漿的研究

梁富政 張世杰 周廣麒 曲運(yùn)德

(大連工業(yè)大學(xué),遼寧大連,116034)

對甜高粱稈制取酒精后的固體廢渣制漿性能進(jìn)行了研究,著重研究了硫酸鹽漿 (KP)的制漿工藝條件。結(jié)果表明,甜高粱稈制取酒精后的固體廢渣比較適于 KP和 KP-AQ法制漿,在適宜的蒸煮條件下可以制取細(xì)漿得率分別為 51.9%和 53.5%、各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)較好的化學(xué)漿。

甜高粱稈;固體廢渣;制漿性能;KP法制漿

甜高粱是一種糧糖兼收的作物,在我國廣泛種植。其莖稈可以作為制取燃料乙醇的首選原料[1-2],有研究者對甜高粱莖稈制取酒精后的固體廢渣進(jìn)行了NaOH-AQ法制取化學(xué)漿的初步研究,結(jié)果認(rèn)為該固體廢渣是一種較好制漿造紙?jiān)蟍3-4]。本實(shí)驗(yàn)則重點(diǎn)探討了硫酸鹽 (KP法)化學(xué)漿的最適宜制出工藝條件,并在適宜條件下初步探討適宜的制漿方法,對充分利用好甜高粱稈制取酒精后的固體廢渣,緩解我國造紙工業(yè)的植物纖維原料短缺和解決乙醇燃料生產(chǎn)企業(yè)的固體廢渣的污染問題都具有十分重要的意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)所用原料為大連工業(yè)大學(xué)能源酒精項(xiàng)目組用甜高粱稈固體發(fā)酵制取酒精后的固體廢渣,長度20 mm左右的料段,含有少量的髓,放入塑料袋中平衡水分后備用。未處理的原甜高粱稈是未脫糖自然風(fēng)干的甜高粱稈。

1.2 蒸煮

蒸煮在 15 L電熱回轉(zhuǎn)蒸煮鍋 (內(nèi)置 4個 1 L小蒸煮罐)中進(jìn)行,蒸煮后的漿料經(jīng)洗滌后進(jìn)行分析檢測、打漿、抄片、測定物理強(qiáng)度,以確定適宜蒸煮工藝條件。

1.3 分析檢測

漿樣的各項(xiàng)指標(biāo)分析檢測和漿張的物理強(qiáng)度指標(biāo)檢測均按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 甜高粱稈制取酒精前后化學(xué)組成及纖維特性分析

對甜高粱稈及其制取酒精后的固體廢渣的化學(xué)組成進(jìn)行了分析,結(jié)果如表 1所示。

表1 甜高粱稈及其制取酒精后固體廢渣的化學(xué)組成 %

表 1中所有數(shù)據(jù)均以原料的絕干量為基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其苯-醇抽出物含量很高,這與其他研究者的結(jié)果相近,原因有待進(jìn)一步研究。由表 1可知,制取酒精后的固體廢渣與甜高粱稈相比在化學(xué)組成上發(fā)生了很大變化,主要體現(xiàn)是除了戊聚糖外,其他組分均有明顯差異,在制取酒精過程中除去了較多的苯-醇抽出物等可溶物,結(jié)果使其廢渣中苯-醇抽出物含量明顯降低,這有利于減少蒸煮時的堿耗,綜纖維素含量高和戊聚糖含量相近有利于提高成漿得率,但Klason木素含量高,要制成化學(xué)漿時需要消耗更多的堿。

為了了解在制取酒精過程中對纖維的損傷程度,在同樣的條件下對兩者的纖維形態(tài)進(jìn)行了分析,結(jié)果如表 2所示。

由表 2可知,甜高粱稈在制取酒精過程中對其纖維略有損傷,主要表現(xiàn)為纖維長度略有降低,但纖維寬度也降低反而提高了其長寬比,這對提高成漿強(qiáng)度有利,同時其纖維長度仍高于楊木,接近于蘆葦,所以甜高粱稈制取酒精后的廢渣仍然是一種較好的制漿造紙?jiān)稀?/p>

表2 甜高粱稈及其制取酒精后廢渣的纖維形態(tài)

2.2 甜高粱稈制取酒精后廢渣 KP法制漿適宜蒸煮條件探討

本實(shí)驗(yàn)前期已經(jīng)探索出甜高粱稈制取酒精后固體廢渣 KP法制漿時以硫化度 15%、液比 1∶5.5為宜,在此僅對其余主要的影響因素進(jìn)行四因素三水平正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的水平是根據(jù)參考文獻(xiàn)和作者的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定的,實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果如表 3所示。

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析如表 4所示。

2.2.1 用堿量的確定

由表 4可知,隨著用堿量的增加,紙漿的卡伯值是呈先快速下降后緩慢下降的趨勢,而細(xì)漿得率和漿張的各強(qiáng)度指標(biāo)則是先升高后下降,說明隨用堿量的增加,脫木素能力增加,使細(xì)漿得率和漿張強(qiáng)度提高,而用堿量過大,碳水化合物降解嚴(yán)重,不僅細(xì)漿得率降低,而且強(qiáng)度也降低。所以從細(xì)漿得率和強(qiáng)度等方面考慮,用堿量以 14%為宜,此時盡管卡伯值A(chǔ)2大于 A3,但二者相差不大,且 A2所對應(yīng)的卡伯值也在生產(chǎn)漂白漿的硬度范圍之內(nèi),而且黑液殘堿也在合理范圍內(nèi),所以這個用堿量較為適宜。

2.2.2 最高溫度的確定

由表 4可知,隨著蒸煮溫度的提高,紙漿的卡伯值是逐漸下降的,強(qiáng)度指標(biāo)中除了耐折度是逐漸略有增加外,其他各強(qiáng)度指標(biāo)和紙漿的細(xì)漿得率均為先增加而后又略有下降趨勢。這表明隨蒸煮溫度的提高脫木素的速度加快,在同樣蒸煮時間內(nèi)漿中木素脫出完全,使紙漿經(jīng)過打漿后暴露出更多的羥基,纖維柔軟可塑,纖維間結(jié)合力增加使成紙的各強(qiáng)度指標(biāo)增加,但若蒸煮溫度過高又會使碳水化物降解程度增加,不僅使成漿得率低,同時也使其主要強(qiáng)度指標(biāo)降低,盡管耐折度略有增加但增加很小。所以從提高強(qiáng)度和兼顧紙漿得率、卡伯值等方面考慮,認(rèn)為最高蒸煮溫度以160℃為宜。

表3 甜高粱稈制取酒精后固體廢渣 KP法制漿蒸煮正交實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析

2.2.3 保溫時間的確定

由表 4可知,隨著保溫時間的延長,細(xì)漿得率先呈快速增加而后呈緩慢降低趨勢,卡伯值則呈緩慢下降趨勢,裂斷長和撕裂指數(shù)則先呈快速增加而后呈緩慢增加趨勢,而耐破指數(shù)和耐折度先呈緩慢降低而后呈快速降低趨勢。這表明適當(dāng)延長保溫時間有利于徹底脫木素,使紙漿柔軟可塑而提高其結(jié)合力,但保溫時間過長會引起碳水化物降解從而降低紙漿強(qiáng)度和細(xì)漿得率。從細(xì)漿得率、卡伯值及各強(qiáng)度指標(biāo)看,C1和 C2相差較大,而 C2和 C3相差較小,所以綜合考慮各種因素和提高生產(chǎn)效率、降低消耗等,本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為保溫時間取 60 min為宜。

2.2.4 升溫時間的確定

由表 4可知,升溫時間對細(xì)漿得率有較大影響,而對耐破指數(shù)和耐折度有一定的影響,對其他指標(biāo)影響不大,為了提高撕裂指數(shù)和耐折度,并兼顧得率和卡伯值,認(rèn)為升溫時間以120 min為宜。

綜上所述,甜高粱稈制取酒精后固體廢渣 KP法制漿的最適宜蒸煮條件為：用堿量 14% (以 NaOH計(jì)),最高溫度 160℃,保溫時間 60 min,升溫時間 120 min。

采用以上條件進(jìn)行放大蒸煮實(shí)驗(yàn),為了驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了小范圍的擴(kuò)大實(shí)驗(yàn),考慮到影響成漿質(zhì)量的主要因素為用堿量和最高溫度,所以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)只改變這兩個因素。實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果如表 5所示。

由表 5可知,改變用堿量或改變最高溫度均使細(xì)漿得率和各強(qiáng)度指標(biāo)降低,綜合考慮再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)即 1#的條件下所對應(yīng)紙漿的各項(xiàng)指標(biāo)最好,該結(jié)果與表 3中的 4#、5#試樣各指標(biāo)相近,說明正交實(shí)驗(yàn)所確定的蒸煮條件較為可靠、正確。

2.3 添加蒽醌及與其他制漿方法的初步比較

2.3.1 添加蒽醌對 KP法制漿效果的影響

在 KP法蒸煮中加入蒽醌 (AQ)可以加速脫木素和保護(hù)碳水化物,從而可提高得率和紙漿強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)在最適宜 KP法蒸煮條件下探討不同AQ加入量對蒸煮效果的影響,實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果如表 6所示。

由表 6可知,隨著 AQ用量的增加,紙漿得率、裂斷長和撕裂指數(shù)明顯提高,而卡伯值、耐破指數(shù)和耐折度略有降低,這表明在 KP法蒸煮中加入 AQ確實(shí)可以保護(hù)碳水化物少降解和加速脫木素,AQ用量在 0.05%～0.10%為宜。

表5 再現(xiàn)及擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果

表6 AQ用量對 KP法蒸煮效果的影響

表7 幾種不同制漿方法實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果比較

2.3.2 幾種不同制漿方法的初步比較

甜高粱稈制取酒精后固體廢渣用 KP法可制取得率高、強(qiáng)度好的紙漿,為充分利用這種纖維原料,本實(shí)驗(yàn)對 KP法與其他制漿方法在各自適宜條件下進(jìn)行蒸煮實(shí)驗(yàn),以探討比較適宜的制漿方法,實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果如表 7所示。

由表 7可知,中性亞鈉 (即 5#和 6#樣)法制漿的細(xì)漿得率、裂斷長比 KP-AQ法 (4#樣)略高一些外,其他強(qiáng)度指標(biāo)則明顯低,NaOH-AQ法 (1#和 2#樣)的制漿得率明顯比 KP-AQ法低,強(qiáng)度除耐破指數(shù)相近外,其他指標(biāo)均明顯低,而堿性亞鈉法 (7#樣)的制漿得率和耐折度明顯偏低,其他強(qiáng)度指標(biāo)與 KP-AQ法相近,所以對甜高粱稈制取酒精后固體廢渣以 KP、KP-AQ法制漿較好。

3 結(jié) 論

3.1 甜高粱稈制取酒精后的固體廢渣的化學(xué)組成和纖維形態(tài)與原稈相比均發(fā)生一定變化,其灰分、綜纖維素和木素含量提高,而苯-醇抽出物則明顯降低,纖維長、寬略有降低,但長寬比則提高,所以是一種較好的造紙?jiān)稀?/p>

3.2 甜高粱稈制取酒精后固體廢渣比較適合 KP法制漿,其適宜的蒸煮條件：用堿量 14%(以 NaOH計(jì))最高溫度 160℃,保溫時間 60 min,升溫時間 120 min,硫化度 15%,在此條件下制得的紙漿細(xì)漿得率 51.9%,卡伯值 17.1,在打漿度為 40°SR時裂斷長 6.87 km,撕裂指數(shù)10.5 mN·m2·/g,耐破指數(shù) 5.30 kPa·m2·/g,耐折度 358次。添加用量的 0.05%～0.10%的 AQ可以使紙漿得率和裂斷長等指標(biāo)進(jìn)一步提高。

[1] 高士杰,劉曉輝,李繼洪.中國甜高粱資源與利用[J].雜糧作物,2006,26(4)：237.

[2] 張管生.甜高粱莖稈制燃料乙醇工程路線探討[J].中外能源,2006,11(4)：104.

[3] 韓金梅,孔凡功,王 彪.甜高粱稈渣制漿性能的研究[J].中國造紙,2007,26(5)：18.

[4] 李 琪,蒲俊文,李 雍,等.甜高粱稈釀酒前后化學(xué)組成纖維特性及制漿性能的研究 [J].林業(yè)科技,2007,32(5)：48.

(責(zé)任編輯：馬 忻)

Pulping of Sweet Sorghum Stalk Residue

LI ANG Fu-zheng＊ZHANG Shi-jie ZHOU Guang-qi QU Yun-de
(Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning Province,116034)
(＊ E-mail：dlfzhliang@sina.com)

Pulping properties particularly the kraft pulping conditions of solid residue of sweet sorghum stalk after producing ethanol were researched in this paper.The results showed that the sweet sorghum stalk residue was very suitable for kraft pulping and kraft-AQ pulping.The screened yields were 51.9%and 53.5%respectively under the suitable conditions,and the various strength indexes of the pulp including tensile strength,tear strength,bursting strength,folding endurance reached a higher level.

sweet sorghum stalk;solid residue;pulping properties;kraft-AQ cooking;KP

TS724

A

0254-508X(2011)02-0017-04

梁富政先生,副教授;主要從事制漿造紙新工藝和紙漿漂白助劑應(yīng)用方面的研究工作。

2010-09-26(修改稿)

本課題為遼寧省教育廳資助項(xiàng)目 (2008070)。