鎂堿取代鈉堿的楊木P-RC APMP高濃停留段工藝參數(shù)優(yōu)化

趙江鵬 侯慶喜

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

鎂堿取代鈉堿的楊木P-RC APMP高濃停留段工藝參數(shù)優(yōu)化

趙江鵬 侯慶喜

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

以三倍體毛白楊為原料進行P-RC APMP制漿，探討高濃停留段工藝參數(shù) (NaOH用量、H2O2用量和反應時間)對漿張性能的影響，在主要考慮漿張的白度和松厚度的情況下，對高濃停留段工藝參數(shù)進行優(yōu)化;然后在優(yōu)化的工藝條件下，研究不同的MgO取代NaOH比例對漿張性能的影響。結果表明，優(yōu)化后高濃停留段的工藝條件為NaOH用量3.5%、H2O2用量3.5%、時間90 min。在優(yōu)化的工藝條件下，隨著MgO取代NaOH比例的增加 (0～60%)，漿張抗張強度、撕裂度下降，漿張白度、不透明度、光散射系數(shù)、松厚度均增大;當MgO取代NaOH比例為40%時，漿張白度提高2.4個百分點，松厚度和光散射系數(shù)分別提高11.9%和12.4%，而漿張抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)分別下降23.9%和22.4%。

三倍體毛白楊;P-RC APMP;高濃停留段;MgO

常規(guī)的H2O2漂白工藝大多數(shù)以NaOH作為堿源，由于NaOH的強堿性，在漂白過程中會引起半纖維素部分降解，降低紙漿漂后得率，增加廢水BOD和COD污染負荷;同時，NaOH會使漂白初始堿性較高，由此形成的大量陰離子垃圾會對紙機濕部的助留助濾、紙機運行和紙幅質量帶來不良影響［1］。近年來，MgO/Mg(OH)2作為堿源的H2O2漂白機械漿技術已經(jīng)在國外一些制漿造紙廠得到應用［1-2］，這種工藝可以提高紙漿得率、降低廢液COD含量、減少陰離子垃圾的產(chǎn)生和降低漂白成本。

國外研究［3-4］結果表明，以MgO/Mg(OH)2取代NaOH作為堿源的H2O2漂白，漂后紙漿的白度下降約1～2個百分點，以70%白度為預期漂白目標，鎂堿 (MgO/Mg(OH)2)作為堿源的H2O2漂后紙漿與鈉堿 (NaOH)作為堿源的H2O2漂后紙漿相比，白度與強度性能相近，而漂白后廢液的COD負荷較低，形成的陰離子垃圾較少。前期的研究表明［5-6］，鎂堿取代鈉堿的楊木P-RC APMP制漿工藝，漂白后廢液COD、陽離子需求量和電導率均下降，紙漿白度基本不變，但是抗張強度下降大約50%。P-RC APMP制漿是在APMP制漿基礎上開發(fā)出的一種新的化學機械制漿工藝，與傳統(tǒng)的APMP制漿工藝相比，P-RC APMP制漿工藝在一段磨漿后有一個高濃停留塔，其主要作用是漂白紙漿。

本實驗以三倍體毛白楊為原料，首先對楊木P-RC APMP制漿高濃停留段漂白時間、NaOH用量、H2O2用量等參數(shù)進行優(yōu)化;然后在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下進行鎂堿取代鈉堿的研究，探討不同的MgO取代NaOH比例對三倍體毛白楊P-RC APMP漿張物理性能和光學性能的影響，在保證適當?shù)臐{張強度的前提下，以提高松厚度為主要目標，得出在三倍體毛白楊P-RC APMP制漿高濃停留段工藝中MgO取代NaOH較優(yōu)的取代比例。

1 實驗

1.1 原料

實驗原料取自湖南某漿廠P-RC APMP制漿生產(chǎn)線的三倍體毛白楊木片。原料的化學成分分析見表1。

表1 三倍體毛白楊原料化學成分分析 %

1.2 實驗工藝流程

本實驗采用的工藝流程如圖1所示。

圖1 P-RC APMP制漿工藝流程圖

1.3 工藝技術條件

1.3.1 木片預處理

木片經(jīng)洗滌后，在蒸煮鍋 (ZT1-01/15 L)中用80℃熱水浸漬 (代替預汽蒸)15 min，以除去木片中的空氣。熱水預浸漬后的木片在JS30型螺旋擠壓疏解機中進行擠壓疏解，擠壓設備的螺旋壓縮比為4∶1。

1.3.2 一段化學預浸漬和二段擠壓疏解

將擠壓疏解后的木絲裝入蒸煮鍋中進行一段化學預浸漬:NaOH用量0.3%，DTPA用量0.1%，溫度80℃，時間20 min。一段化學預浸漬處理后的木絲，在JS30型螺旋擠壓疏解機中進行二段擠壓疏解，設備擠壓螺旋壓縮比為4∶1。

1.3.3 二段化學預浸漬

將二段擠壓疏解后的木絲裝入蒸煮鍋中進行二段化學預浸漬，二段化學預浸漬段處理條件如表2所示。

表2 二段化學預浸漬化學品用量及反應條件 %

1.3.4 磨漿

二段預浸漬處理后的木絲，在KRK高濃磨漿機中進行一段磨漿，磨盤間隙0.8 mm，磨漿濃度25%;一段磨漿后的漿料在容積為3 L的漂白鍋中進行高濃停留處理后，進行二段磨漿，磨盤間隙0.15 mm，磨漿濃度15%。

1.3.5 高濃停留段

高濃停留段的實驗，主要探討漂白時間 (60、90、120、150 min)、NaOH用量 (3.0%、3.5%、4.0%、4.5%)和H2O2用量 (3.0%、3.5%、4.0%、4.5%)對漿張性能的影響。高濃停留段實驗的漂白反應條件如表3所示。

表3 高濃停留段反應條件

1.3.6 磨漿后處理

二段磨漿后的漿料，在漿濃4%和溫度95℃條件下消潛40 min;然后通過0.15 mm的縫篩篩選，篩選后的漿料在布袋中脫水至濃度約30%，備用。抄造手抄片前，先將漿料在10%濃度下用PFI磨打漿至45°SR，用標準疏解機疏解15000轉。在標準紙頁成形器上抄造手抄片，然后按照國家標準方法進行漿張物理性能檢測。

2 結果與討論

2.1 高濃停留段NaOH用量對漿張性能的影響

從圖2～圖5可以看出，隨著高濃停留段NaOH用量的增加，漿張白度上升，松厚度先上升后下降，光散射系數(shù)呈下降趨勢，不透明度和光吸收系數(shù)略有下降，漿張抗張強度和撕裂度呈上升趨勢。

增加高濃停留段的NaOH用量，紙漿白度逐漸升高，這與傳統(tǒng)的 APMP制漿［8］時的結果有所區(qū)別。究其原因是二段化學預浸漬段 (見表2)處理過程中使用了3.5%用量的H2O2和3.0%用量的NaOH，較小用量的NaOH在潤脹纖維、中和預浸漬段中產(chǎn)生的糖尾酸或其他酯類物質的同時，不能為H2O2漂白提供適宜的堿性漂白條件，導致漂白效率降低;而隨著NaOH用量的增加，漂白效率有所提高，從而白度升高。這從另一方面說明，二段預浸漬段中NaOH和H2O2的用量比對漂白效果有一定程度的影響［7］。

光散射系數(shù)、不透明度和光吸收系數(shù)的變化，主要是因為隨著NaOH用量的增加，纖維的潤脹程度增加，纖維之間的結合增多，增加了紙張中的光學接觸部分，同時由于纖維的柔軟度增加，降低了紙張的光散射系數(shù)，不透明度和光吸收系數(shù)略有下降。

隨著NaOH用量的增加，在NaOH用量為3.5%時，漿張松厚度達到最高值2.55 cm3/g，然后隨著NaOH用量的繼續(xù)增加，呈現(xiàn)下降趨勢。造成松厚度下降的主要原因是隨著用堿量的增加，纖維得到較高程度的潤脹，在磨漿過程中纖維易于分絲帚化，纖維之間的結合增加，從而導致松厚度下降。漿張抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)隨著NaOH用量的增加均呈上升趨勢，其中，漿張抗張指數(shù)在NaOH用量為3.5%以后，漿張抗張強度的增加量逐漸減小。漿張強度變化主要是因為隨著NaOH用量的增加，紙漿纖維潤脹軟化的程度增加，從而使得纖維柔軟可塑，在磨漿過程中不易切斷，從而保留有較多的長纖維組分。

綜上所述，高濃停留段NaOH用量在楊木P-RC APMP制漿過程中，可以提高漿張物理強度和白度，降低漿張的光散射系數(shù)，使不透明度和光吸收系數(shù)略有下降，漿張松厚度出現(xiàn)先升高、后降低的變化趨勢。綜合考慮漿張白度、松厚度、光散射系數(shù)和物理強度指標，高濃停留段NaOH用量優(yōu)化選擇3.5%。

2.2 高濃停留段H2O2用量對漿張性能的影響

由圖6～圖9可知，隨著高濃停留段H2O2用量的增加，漿張白度上升，松厚度先上升后下降，光散射系數(shù)呈先下降后上升趨勢，不透明度基本不變，光吸收系數(shù)略微下降。漿張抗張強度呈先下降后上升趨勢，撕裂度呈先上升后下降趨勢。

隨著高濃停留段H2O2用量的增加，漿張白度呈上升趨勢，H2O2用量在4.0%以后增長幅度有所減緩。謝澄等［9］研究表明，在H2O2漂白過程中，木素先被氧化成鄰酚結構，然后將之氧化成鄰醌結構，最后鄰醌結構被破壞變成小分子結構物質，但與此同時，木素大分子結構對上述氧化過程又有阻礙作用，使?jié){中木素中的鄰酚和鄰醌結構不能夠完全消除而殘留在漿中，導致漿張的白度上升減緩或者停滯不前。

松厚度隨著H2O2用量的增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，在H2O2用量為3.5%～4.0%之間取得最大值2.44 cm3/g;撕裂指數(shù)先上升后下降，H2O2用量從3.0%增加至3.5%時，撕裂指數(shù)從2.47 mN·m2/g上升至2.97 mN·m2/g，當H2O2用量超過3.5%，撕裂指數(shù)下降明顯，同時松厚度也有所下降?？箯堉笖?shù)先下降后上升，在H2O2用量為3.5% ～4.0%之間取得較低值37.2 N·m/g。

綜合考慮白度、松厚度、光散射系數(shù)和物理強度指標，高濃停留段H2O2用量優(yōu)化選擇3.5%。

2.3 高濃停留段漂白時間對紙漿性能的影響

由圖10～圖13可以看出，隨著高濃停留段漂白時間的增加，漿張白度先上升后下降，松厚度和不透明度基本不變，光散射系數(shù)和光吸收系數(shù)下降。漿張抗張強度增加，撕裂度呈先上升后下降趨勢。

漿張白度呈先上升后下降的趨勢，在漂白時間為90 min以前，漿張白度隨著反應時間的增加，逐漸提高;漂白時間超過90 min后，漿張白度反而呈現(xiàn)下降的趨勢，說明高濃停留段漂白反應時間過長對漂后漿張的白度不利。隨著漂白反應時間的增加，光吸收系數(shù)和光散射系數(shù)有較大下降，光吸收系數(shù)由0.43 m2/kg下降到0.26 m2/kg，下降幅度39.5%;光散射系數(shù)由41.8 m2/g下降到35.4 m2/g，下降幅度15.2%。

紙漿的撕裂指數(shù)在漂白時間90 min以后，呈下降趨勢，并且下降得比較嚴重，由90 min時的2.97 mN·m2/g下降到150 min時的 1.97 mN·m2/g，下降幅度33.7%。

綜上所述，高濃停留段漂白時間主要影響紙漿的白度、光散射系數(shù)、光吸收系數(shù)和撕裂指數(shù)。綜合考慮白度、松厚度、光散射系數(shù)和物理強度指標，高濃停留段漂白時間選擇90 min。

總結以上對楊木P-RC APMP高濃停留段工藝參數(shù)的優(yōu)化，高濃停留段工藝參數(shù)變?yōu)闈{濃30%，反應溫度90℃，反應時間90 min，Na2SiO3用量2.0%，DTPA用量0.13%，H2O2用量3.5%，用堿量3.5%。

2.4 高濃停留段不同MgO取代NaOH的比例對漿張性能的影響

在上述優(yōu)化的楊木P-RC APMP高濃停留段工藝條件基礎上，進一步探討在總用堿量 (質量分數(shù))不變的條件下，用MgO部分取代NaOH，即MgO和NaOH共同作為高濃停留段H2O2漂白的堿源時對紙漿性能產(chǎn)生的影響。實驗中MgO取代NaOH的比例分別為:20%、40%、60%(質量分數(shù))。

由圖14可以看出，在鎂堿取代鈉堿的楊木P-RC APMP制漿工藝中，高濃停留段MgO取代NaOH的比例從0增加到60%，漂白后紙漿的白度均高于70%。白度的提高可能與堿性發(fā)黑作用的減弱有關。堿性發(fā)黑發(fā)生于過氧化氫漂白過程中，對漂白效率和機械漿的白度上限有負面的影響。Yu等［10］研究結果表明，pH值越高，堿性發(fā)黑造成的白度損失就越大。而且，并不是所有由堿性發(fā)黑造成的發(fā)色基團都對H2O2有活性。當使用MgO部分取代NaOH時，漂白系統(tǒng)的pH值要低于傳統(tǒng)的NaOH漂白系統(tǒng)的pH值［6］。這樣，堿性發(fā)黑作用得到削弱，漂后白度相應提高。Marianne等［11］的研究表明，H2O2漂白磨石磨木漿(SGW)和桉木冷堿法 (CCS，cold caustic soda)漿，使用MgO/Na2SiO3或Mg(OH)2/Na2SiO3比使用NaOH/Na2SiO3或NaHCO3/Na2SiO3或Ca(OH)2/Na2SiO3所得紙漿白度要高，而且漂白時間越長，這種差異越明顯。

隨著高濃停留段MgO取代NaOH比例的增加，漿張的光散射系數(shù)和不透明度都呈上升趨勢，光吸收系數(shù)基本保持不變 (見圖15和圖16)。鎂堿取代鈉堿的P-RC APMP工藝中，隨著MgO取代比例的增加，纖維的潤脹程度較使用100%的NaOH時減弱，纖維逐漸變得挺硬，因此紙漿松厚度逐漸提高，而纖維之間的接觸減少，紙張的光散射系數(shù)相應提高。根據(jù)Kubelka-Munk理論，光散射系數(shù)增加，則不透明度增加。

目前，高得率木漿在高級書寫印刷紙和高檔紙板中有著較廣泛的應用，添加高得率木漿的主要目的，是通過提高松厚度使紙張或紙板具有良好的挺度，同時減少漂白化學漿的用量，降低生產(chǎn)成本。

在鎂堿取代鈉堿的P-RC APMP工藝中，MgO取代NaOH后對紙漿的松厚度有著顯著的影響。隨著高濃停留段MgO取代NaOH比例的增加，紙漿的松厚度呈上升趨勢 (見圖15)。當MgO取代比例為60%時，松厚度為2.75 cm3/g，相比MgO取代比例為0時的松厚度2.27 cm3/g，提高了21.1%，可見鎂堿取代鈉堿后楊木P-RC APMP紙漿的松厚度提高效果非常顯著。在堿性H2O2漂白中，隨著高濃停留段MgO取代NaOH比例的增加，木片中的化學組分特別是木素的溶出減少，使纖維的柔軟度和可塑性降低，纖維變得較為挺硬，在造紙過程中纖維塌陷的程度減少，所以漿張緊度減小，松厚度增加。

隨著MgO取代NaOH比例的增加，漿張的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)的變化呈下降趨勢 (見圖17)。MgO取代NaOH比例由0增加至60%時，撕裂指數(shù)和抗張指數(shù)分別由3.08 mN·m2/g和39.7 N·m/g下降到2.32 mN·m2/g和27.8 N·m/g，下降幅度分別為24.7%和29.9%。撕裂指數(shù)與抗張指數(shù)的下降是由于MgO的弱堿性引起的。與 NaOH相比，MgO在水中的溶解度較低、堿性較弱，纖維的潤脹程度降低，纖維挺硬，磨漿處理后纖維分絲帚化程度較低，降低了纖維之間的結合。因此，隨著MgO取代NaOH比例的增加，抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)降低。

綜合考慮漿張白度、松厚度、光散射系數(shù)和強度指標隨高濃停留段MgO取代NaOH比例的變化規(guī)律，本實驗確定楊木P-RC APMP高濃停留段MgO取代NaOH比例為40%。當然，在實際生產(chǎn)中，這一比例會因生產(chǎn)的產(chǎn)品品種不同而做相應的調整。在MgO取代NaOH比例為40%的條件下，漿張物理性能和光學性能如表4所示。

表4 在優(yōu)化的高濃停留段工藝條件下MgO取代NaOH前后漿張性能對比

3 結論

在三倍體毛白楊的P-RC APMP制漿工藝中，綜合考慮紙漿白度、松厚度、光散射系數(shù)和強度指標，對高濃停留段的用堿量、H2O2用量和漂白反應時間進行優(yōu)化。優(yōu)化后的工藝條件為:用堿量 (NaOH)3.5%，H2O2用量3.5%，反應時間90 min。

在優(yōu)化的高濃停留段工藝條件下，隨著MgO取代NaOH比例的增加，三倍體毛白楊的P-RC APMP漿白度逐漸上升;松厚度、不透明度和光散射系數(shù)均增大，光吸收系數(shù)基本保持不變;漿張抗張強度和撕裂度呈現(xiàn)下降趨勢。

綜合考慮各項指標，在優(yōu)化高濃停留段工藝條件下的三倍體毛白楊P-RC APMP制漿工藝中，采用MgO取代NaOH時，高濃停留段較優(yōu)的MgO取代NaOH比例為40%。相比無MgO取代NaOH時所得的漿張白度提高2.35個百分點，松厚度提高11.9%，光散射系數(shù)提高12.4%，光吸收系數(shù)和不透明度基本保持不變，抗張指數(shù)下降23.9%，撕裂指數(shù)下降22.4%。

高濃停留段MgO取代NaOH后，雖然紙漿強度指標有一定程度的下降，但根據(jù)紙張或紙板產(chǎn)品質量要求的不同，采用適當?shù)呐浔?，在產(chǎn)品強度指標滿足生產(chǎn)需要的前提下，使得產(chǎn)品的松厚度和挺度指標得到較大的改善。

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Optimizing the Process Parameters in High-Consistency Retention Stage of Triploid Poplar P-RC APMP by Partially Substituting MgO for NaOH

ZHAO Jiang-peng HOU Qing-xi*
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin，300457)
(*E-mail:qingxihou@tust．edu．cn)

The effects of bleaching time，NaOH and H2O2dosages in high-consistency retention stage of triploid poplar P-RC APMP on the pulp physical and optical properties were investigated．The three parametes were optimized mainly based on the brightness and the bulk of the handsheets．Under the optimized process conditions，the influences of various substitution percentages of MgO for NaOH on physical and optical properties of the pulp were studied．The results showed that the optimized parameters were 90 min of bleaching time，3．5%NaOH and 3.5%H2O2．Under the optimized process conditions，with the increase of the substitution percentage of MgO for NaOH in the high-consistency retention stage(from 0%to 60%)，the optical properties of the handsheets were improved，but the physical strength properties were decreased．As the MgO substitution percentage was 40%，the resultant P-RC APMP pulp could have a 2．4 ISO units brightness gain，a higher bulk and light-scattering coefficient，while the tensile index and the tear index were decreased by 23．9%and 22．4% ，respectively，compared to those without any MgO substitution．

triploid poplar;P-RC APMP;high-consistency retention stage;MgO

TS743+.3

A

0254-508X(2011)07-0001-06

趙江鵬先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:現(xiàn)代制漿技術與機理。

2011-01-28(修改稿)

本課題得到中加政府國際科技合作項目 (2008DFA91290)、國家自然科學基金項目 (31070528)及天津市科技創(chuàng)新體系及條件平臺建設計劃項目 (10SYSYJC28000)資助。

(責任編輯:馬 忻)