過(guò)碳酸鈉對(duì)洋麻硫酸鹽漿漂白效果的研究

王 強(qiáng) 陳克復(fù) 李 軍 徐 峻 劉姍姍

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640;2.華南理工大學(xué)廣東省造紙技術(shù)與裝備公共實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640;3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所,江蘇南京,210042)

過(guò)碳酸鈉對(duì)洋麻硫酸鹽漿漂白效果的研究

王 強(qiáng)1,2陳克復(fù)1,2李 軍1,2徐 峻1,2劉姍姍3

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640;2.華南理工大學(xué)廣東省造紙技術(shù)與裝備公共實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州,510640;3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所,江蘇南京,210042)

對(duì)過(guò)碳酸鈉 (SPC)在洋麻硫酸鹽漿中的漂白效果進(jìn)行了研究,采用 4因素 3水平正交實(shí)驗(yàn)對(duì)其主要影響因素漂劑用量、溫度、時(shí)間及用堿量進(jìn)行了探討。結(jié)果顯示各因素對(duì)過(guò)碳酸鈉漂白有不同程度的影響,極差分析顯示溫度對(duì)白度及黏度的影響最大,較優(yōu)的漂白條件為：SPC用量 3%(以 H2O2含量計(jì)),用堿量 1%,溫度 70℃,時(shí)間 60 min。過(guò)碳酸鈉在洋麻硫酸鹽漿OpQP和OpQDP漂序中的漂白能力略?xún)?yōu)于過(guò)氧化氫,而對(duì)纖維的降解程度相當(dāng)。采用過(guò)碳酸鈉的 OpQDP漂序,終漂漿白度可達(dá) 80%以上。

過(guò)碳酸鈉;洋麻;漂白

目前,綠色、低碳經(jīng)濟(jì)在全國(guó)范圍內(nèi)受到重視,這使得制漿造紙工業(yè)在生產(chǎn)中更傾向于選擇低污染或無(wú)污染的漂劑。過(guò)碳酸鈉 (SPC,分子式 2Na2CO3·3H2O2)是一種精細(xì)化工產(chǎn)品,是由碳酸鈉和過(guò)氧化氫復(fù)合形成的新型氧系漂劑,外觀是白色松散的顆粒[1],遇水會(huì)放出原子氧,是一種對(duì)水質(zhì)沒(méi)有污染的鈉鹽,作用溫度范圍寬、水溶性好、成本低、無(wú)污染、無(wú)異味,是一種理想的漂白劑,已廣泛應(yīng)用于化工、紡織等行業(yè)。

過(guò)碳酸鈉在水中的反應(yīng)如下[2]：

國(guó)外已有研究報(bào)道[3]將過(guò)碳酸鈉應(yīng)用于混合杉木機(jī)械漿的漂白,結(jié)果顯示漂白效果及漿料白度穩(wěn)定性能良好。趙德清等[4]將過(guò)碳酸鈉應(yīng)用于蔗渣漿漂白,發(fā)現(xiàn)漂白效果良好。過(guò)碳酸鈉作為一種新型的漂劑,在紙漿漂白中的應(yīng)用研究仍處于初步探討階段,本實(shí)驗(yàn)在前人工作的基礎(chǔ)上采用四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)對(duì)洋麻硫酸鹽漿過(guò)碳酸鈉的漂白效果進(jìn)行了探討,以期為其在造紙行業(yè)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

洋麻稈原料取自江蘇省某縣,采用全洋麻稈備料,人工將洋麻稈切成3～5 cm長(zhǎng)度后在塑料袋中平衡水分備用。洋麻硫酸鹽漿為實(shí)驗(yàn)室自制,制漿工藝為：活性堿用量 20% (以Na2O計(jì)),硫化度 22%,蒸煮溫度

175℃,保溫時(shí)間 2 h,液比 1∶4。所得漿料性質(zhì)：細(xì)漿得率 44.9%,卡伯值 20.4,殘堿濃度 9.6 g/L,白度 25.3%。

過(guò)碳酸鈉 (SPC)由江西永泰化工有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

過(guò)碳酸鈉漂白采用四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表 1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

漂白實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室電熱恒溫水浴鍋內(nèi)進(jìn)行,漿料放入塑料袋中后升溫至所需溫度,加入漂劑。嚴(yán)格控制漂白溫度及時(shí)間。每隔 15 min將漿料取出揉搓 1次,保證藥液與漿料混合均勻。漂白結(jié)束后充分洗滌。Op段漂白條件：壓力 0.5 MPa,溫度 100℃,時(shí)間 60 min,NaOH用量 4%,H2O2用量 0.5%;Q段漂白條件：EDTA用量 0.1%,漿濃 4%,溫度 75℃,時(shí)間 30 min。

表2 過(guò)碳酸鈉漂白正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.4 檢測(cè)

白度測(cè)定：漿料經(jīng)纖維疏解器疏解后,用布氏漏斗抄片,在轉(zhuǎn)鼓烘干機(jī)上烘干后,用杭州輕通儀器廠產(chǎn)的 YQ-Z-48B型白度顏色測(cè)定儀測(cè)定白度。

漿料的黏度及得率均按照參考文獻(xiàn) [5]中的方法進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中對(duì)經(jīng) OpQ漂白處理的漿料進(jìn)行過(guò)碳酸鈉漂白,結(jié)果見(jiàn)表 2,極差分析結(jié)果見(jiàn)表 3。

表 3的正交實(shí)驗(yàn)的極差分析結(jié)果表明,紙漿白度和黏度均受溫度 (B)的影響較大,而漂白時(shí)間的影響程度較小,另外漂白劑用量及用堿量對(duì)紙漿的不同指標(biāo)有不同的主次關(guān)系。

2.1.1 各因素對(duì)白度的影響

SPC用量、漂白溫度、漂白時(shí)間及用堿量對(duì)漂白漿料白度的影響見(jiàn)圖 1。

表3 極差分析結(jié)果

圖1 各因素對(duì)漂白漿料白度及白度增長(zhǎng)率的影響

由圖 1可知,隨著實(shí)驗(yàn)水平的遞增,紙漿的白度及白度增長(zhǎng)率均呈上升趨勢(shì)。白度在漂白溫度為70℃時(shí)達(dá)到最大值,結(jié)合表 3的極差分析結(jié)果可知,溫度對(duì)過(guò)碳酸鈉漂白的影響最大,是第一影響因素。繼續(xù)升溫至 90℃,紙漿的白度及白度增長(zhǎng)率開(kāi)始下降,說(shuō)明過(guò)碳酸鈉有其最適宜的漂白溫度,超過(guò)一定值后其分解作用加劇,漂白效率降低。用堿量對(duì)白度的影響也較大,是影響漂白效果的第二影響因素。表現(xiàn)為隨著用堿量的升高,紙漿的白度及白度增長(zhǎng)率呈增加趨勢(shì),有報(bào)道[6]稱(chēng)過(guò)碳酸鈉在漂白過(guò)程中通過(guò)自身離解可以生成羥基離子,從而可以提高 pH值,代替常規(guī)過(guò)氧化氫漂白中加入的堿,但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在漂白中加入一定量的堿可以更有效地改善漂白效果,提高紙漿白度,具體的作用機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。另外,圖 1顯示SPC用量在 1%～5%之間變化時(shí),對(duì)漂白效果是較次要的影響因素,隨著 SPC用量的增加,紙漿的白度及白度增長(zhǎng)率逐漸增加,但相對(duì)于溫度和用堿量而言,其改善的幅度較小,在用量為 3%時(shí)有一個(gè)拐點(diǎn),隨后白度改善幅度明顯降低,說(shuō)明漂白時(shí)SPC用量不宜過(guò)高,否則會(huì)降低漂白效率。時(shí)間對(duì)漂白效果而言是最次要的影響因素,表現(xiàn)為在 30～90 min之間變化時(shí)對(duì)白度改善程度較小,說(shuō)明過(guò)碳酸鈉在短時(shí)間內(nèi)即可完成漂白,在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)縮短漂白時(shí)間。

2.1.2 對(duì)黏度的影響

SPC用量、漂白溫度、漂白時(shí)間及用堿量對(duì)漂白漿料黏度的影響見(jiàn)圖 2。

圖2 各因素對(duì)紙漿黏度及黏度降低率的影響

由圖 2可知,溫度是影響紙漿黏度的第一因素,隨著漂白溫度的升高,紙漿的黏度迅速降低,然后又趨于平緩,從黏度降低率來(lái)看隨著溫度的升高,黏度降低率快速升高然后保持不變,說(shuō)明較高的漂白溫度對(duì)漿料纖維的降解作用顯著。SPC用量是影響紙漿黏度的第二因素,表現(xiàn)為隨著 SPC用量的增加,漿料黏度呈下降趨勢(shì),黏度降低率呈升高趨勢(shì),這說(shuō)明過(guò)碳酸鈉漂劑對(duì)纖維有降解作用,在漂白過(guò)程中應(yīng)控制其用量,避免對(duì)纖維的大量降解。用堿量是較次要的影響因素,表現(xiàn)為隨著用堿量的增加,紙漿的黏度逐漸降低,這是因?yàn)槠左w系是堿性環(huán)境,漿料發(fā)生堿性降解,從而導(dǎo)致漿料黏度的降低,黏度降低率升高。所以在漂白中應(yīng)控制用堿量,從而保證纖維的物理及機(jī)械性能。漂白時(shí)間是影響紙漿黏度的最次要因素,隨著漂白時(shí)間的延長(zhǎng),紙漿的黏度先是有所增加,然后開(kāi)始小幅度回落,這可能是因?yàn)樾》肿淤|(zhì)量的纖維素堿性降解后在洗滌過(guò)程中除去,使得大分子質(zhì)量的纖維素含量升高,從而改善了紙漿的黏度性能,但這會(huì)導(dǎo)致漂白得率的損失,所以應(yīng)該適度控制漂白時(shí)間來(lái)提高得率。

2.1.3 漂白選擇性

由于各因素對(duì)過(guò)碳酸鈉漂白均有不同程度的影響,特別是對(duì)成漿性能的影響是一個(gè)矛盾體,所以引入漂白選擇性這一指標(biāo)來(lái)分析漂白各因素對(duì)漂白效果的影響。漂白選擇性即白度增長(zhǎng)率與黏度降低率之間的比值,其物理意義在于紙漿單位黏度降低率上的白度增長(zhǎng)率。該值越大表明在黏度降低率較小的前提下白度增長(zhǎng)率較大,漂白工藝越合理有效;反之說(shuō)明在白度升高的同時(shí)紙漿黏度降低顯著,漂白效果較差。實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)漂白選擇性的影響見(jiàn)圖 3。

圖3 各因素對(duì)漂白選擇性的影響

由圖 3可知,溫度仍然是影響漂白選擇性的第一因素,隨著漂白溫度的升高,漂白選擇性快速降低,在 70℃以后降低幅度趨緩。這說(shuō)明僅僅依靠升高漂白溫度來(lái)達(dá)到改善白度的目的是不可行的,其對(duì)纖維的降解作用過(guò)于顯著。第二影響因素是 SPC用量,隨著其用量的增加,漂白選擇性也是快速降低,說(shuō)明過(guò)碳酸鈉在提高紙漿白度的同時(shí)對(duì)纖維的降解也較強(qiáng)烈。用堿量是第三影響因素,其變化趨勢(shì)較緩和,而且用堿量的增加可以起到改善白度的效果,所以在漂白過(guò)程中可以通過(guò)適當(dāng)提高用堿量來(lái)達(dá)到改善白度的目的。最次要的影響因素為漂白時(shí)間。由圖 3可見(jiàn),隨著漂白時(shí)間的延長(zhǎng),紙漿的漂白選擇性有所改善,所以可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)漂白時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)在較低的黏度損失下提高紙漿白度。綜合考慮,較優(yōu)的漂白工藝確定為：SPC用量 3%,用堿量 1%,溫度 70℃,時(shí)間60 min。

2.2 漂白效果比較

為了進(jìn)一步討論過(guò)碳酸鈉在生產(chǎn)中的應(yīng)用前景,將其與目前主流的環(huán)保漂劑過(guò)氧化氫進(jìn)行比較,在其較適宜的漂白條件下與等量的過(guò)氧化氫漂白進(jìn)行比較,所得結(jié)果列于表 4。

由表 4可知,漿料經(jīng)過(guò) OpQ漂白后白度可達(dá)到40.8%,黏度值為 821 mL/g。OpQ漂后經(jīng)用量 3%的過(guò)氧化氫和過(guò)碳酸鈉漂白后,紙漿白度分別提高到56.2%和 58.0%,相同用量下過(guò)碳酸鈉漂白漿料的白度增長(zhǎng)率要高出 4.4個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)用量 5%的過(guò)氧化氫和過(guò)碳酸鈉漂白后,紙漿白度分別提高到61.9%和 63.2%,相同用量下的過(guò)碳酸鈉可以使白度增長(zhǎng)率提高 3.2個(gè)百分點(diǎn)。可見(jiàn),在 TCF漂序(OpQP)中,過(guò)碳酸鈉的漂白效果可以與過(guò)氧化氫相媲美,且略?xún)?yōu)。

在OpQDP漂白流程中,漿料經(jīng)過(guò) OpQD漂白后,白度達(dá)到 64.2%,黏度值為 742 mL/g。再經(jīng)用量1.5%的過(guò)氧化氫和過(guò)碳酸鈉漂白后,紙漿白度分別提高到 76.6%和 78.6%,相同用量下過(guò)碳酸鈉可使白度增長(zhǎng)率提高 3.1個(gè)百分點(diǎn)。經(jīng)用量 3%的過(guò)氧化氫和過(guò)碳酸鈉漂白后,紙漿白度分別提高到 79.0%和 80.2%,相同用量下的過(guò)碳酸鈉可使白度增長(zhǎng)率提高 1.8個(gè)百分點(diǎn)。從紙漿黏度來(lái)看,相同用量下兩種漂劑對(duì)黏度的降低率基本相同。

表4 過(guò)碳酸鈉與過(guò)氧化氫漂白效果的比較

過(guò)碳酸鈉與過(guò)氧化氫的漂白效果相近或較優(yōu),因?yàn)檫^(guò)碳酸鈉為固體物料,比液態(tài)的過(guò)氧化氫穩(wěn)定性好,便于遠(yuǎn)程運(yùn)輸和長(zhǎng)期儲(chǔ)存,從而可以降低運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本,是一種具有良好應(yīng)用前景的漂劑。

3 結(jié) 論

3.1 通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)過(guò)碳酸鈉 (SPC)在洋麻硫酸鹽漿漂白中的主要影響因素進(jìn)行了探討,得出較適宜的漂白條件為：SPC用量 3%,用堿量 1%,溫度70℃,時(shí)間 60 min。

3.2 在 OpQP和 OpQDP漂序中,過(guò)碳酸鈉的漂白效果略?xún)?yōu)于過(guò)氧化氫,對(duì)纖維的降解程度與過(guò)氧化氫相近。漿料經(jīng)過(guò) P段為過(guò)碳酸鈉漂白時(shí),OpQP漂白漿料白度可達(dá) 63.2%,OpQDP漂白漿料白度可達(dá)80.2%。

[1] 喬建芬.新型氧化劑-過(guò)碳酸鈉 [J].山西化工,2002,22(4)：61.

[2] 伍玉碧,周日尤.過(guò)碳酸鈉的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].廣西輕工業(yè),2000(2)：8.

[3] Leduc C,Garceau M,Daneault C,et al.Bleaching of a mechanical pulp with Sodium Percarbonate and Amineborane—Bleaching response and brightness stability[J].JPPS,2002,28(5)：171.

[4] 趙德清,李 軍,莫立煥,等.蔗渣 Soda-AQ漿過(guò)碳酸鈉與過(guò)氧化尿素短序少氯漂白[J].中國(guó)造紙,2008,27(10)：1.

[5] 石淑蘭,何福望.制漿造紙分析與檢測(cè)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社,2003.

(責(zé)任編輯：郭彩云)

Bleaching of Hibiscus Cannabines Kraft Pulp with Sodium Percarbonate

WANG Qiang1,2,＊CHEN Ke-fu1,2LI Jun1,2XU Jun1,2LIU Shan-shan3
(1.State Key Lab of Pulp&Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;2.Guangdong Public Lab of Paper Technology and Equipment,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;3.Institute of Chemical Industry of Forest Products,Chinese Academy of Forestry,Nanjing,Jiangsu Province,210042)
( ＊ E-mail：wangqiang8303@163.com)

The bleachability of Hibiscus cannabines kraft pulp bleaching with sodium percarbonate(SPC)was studied.The key factors,including SPC dosage,bleaching temperature,ti me and active alkali charge,were investigated by orthogonal experiment.The results showed that the four factors have different effects on SPC bleaching,and the range analysis shows temperature has maximal effect on brightness and viscosity.The optimal bleaching condition could be proposed as follows：SPC charge 3%,alkali charge 1%,bleaching temperature 70℃ and time 60min.The bleaching performance of SPC is lightly better than hydrogen peroxide in OPQP and OPQDP sequences,then degradation effect on cellulose is similar,the brightness can reach to higher than 80%ISO when OPQDP bleaching sequence is employed.

sodium percarbonate(SPC);Hibiscus cannabines;bleaching

TS745

A

0254-508X(2011)01-0018-05

王 強(qiáng)先生,在讀博士研究生;主要從事制漿造紙清潔生產(chǎn)與污染控制方面的研究。

2010-09-06(修改稿)