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(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

以三倍體毛白楊為原料進(jìn)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(yīng)時(shí)間)對(duì)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(duì)高濃停留段工藝參數(shù)進(jìn)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(duì)漿張性能的影響。結(jié)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(shí)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(qiáng)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(dāng)MgO取代NaOH比例為40%時(shí)，漿張白度提高2.4個(gè)百分點(diǎn)，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(qiáng)堿性，在漂白過(guò)程中會(huì)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(fù)荷;同時(shí)，NaOH會(huì)使漂白初始?jí)A性較高，由此形成的大量陰離子垃圾會(huì)對(duì)紙機(jī)濕部的助留助濾、紙機(jī)運(yùn)行和紙幅質(zhì)量帶來(lái)不良影響［1］。近年來(lái)，MgO/Mg(OH)2作為堿源的H2O2漂白機(jī)械漿技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外一些制漿造紙廠得到應(yīng)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(guó)外研究［3-4］結(jié)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(gè)百分點(diǎn)，以70%白度為預(yù)期漂白目標(biāo)，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(qiáng)度性能相近，而漂白后廢液的COD負(fù)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(yáng)離子需求量和電導(dǎo)率均下降，紙漿白度基本不變，但是抗張強(qiáng)度下降大約50%。P-RC APMP制漿是在APMP制漿基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的一種新的化學(xué)機(jī)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(gè)高濃停留塔，其主要作用是漂白紙漿。

本實(shí)驗(yàn)以三倍體毛白楊為原料，首先對(duì)楊木P-RC APMP制漿高濃停留段漂白時(shí)間、NaOH用量、H2O2用量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;然后在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下進(jìn)行鎂堿取代鈉堿的研究，探討不同的MgO取代NaOH比例對(duì)三倍體毛白楊P-RC APMP漿張物理性能和光學(xué)性能的影響，在保證適當(dāng)?shù)臐{張強(qiáng)度的前提下，以提高松厚度為主要目標(biāo)，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(shí)驗(yàn)

1.1 原料

實(shí)驗(yàn)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(xué)成分分析見(jiàn)表1。

表1 三倍體毛白楊原料化學(xué)成分分析 %

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

本實(shí)驗(yàn)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(shù)條件

1.3.1 木片預(yù)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(yù)汽蒸)15 min，以除去木片中的空氣。熱水預(yù)浸漬后的木片在JS30型螺旋擠壓疏解機(jī)中進(jìn)行擠壓疏解，擠壓設(shè)備的螺旋壓縮比為4∶1。

1.3.2 一段化學(xué)預(yù)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(jìn)行一段化學(xué)預(yù)浸漬:NaOH用量0.3%，DTPA用量0.1%，溫度80℃，時(shí)間20 min。一段化學(xué)預(yù)浸漬處理后的木絲，在JS30型螺旋擠壓疏解機(jī)中進(jìn)行二段擠壓疏解，設(shè)備擠壓螺旋壓縮比為4∶1。

1.3.3 二段化學(xué)預(yù)浸漬

將二段擠壓疏解后的木絲裝入蒸煮鍋中進(jìn)行二段化學(xué)預(yù)浸漬，二段化學(xué)預(yù)浸漬段處理?xiàng)l件如表2所示。

表2 二段化學(xué)預(yù)浸漬化學(xué)品用量及反應(yīng)條件 %

1.3.4 磨漿

二段預(yù)浸漬處理后的木絲，在KRK高濃磨漿機(jī)中進(jìn)行一段磨漿，磨盤(pán)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(jìn)行高濃停留處理后，進(jìn)行二段磨漿，磨盤(pán)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(shí)驗(yàn)，主要探討漂白時(shí)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(duì)漿張性能的影響。高濃停留段實(shí)驗(yàn)的漂白反應(yīng)條件如表3所示。

表3 高濃停留段反應(yīng)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)疏解機(jī)疏解15000轉(zhuǎn)。在標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成形器上抄造手抄片，然后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行漿張物理性能檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 高濃停留段NaOH用量對(duì)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(shì)，不透明度和光吸收系數(shù)略有下降，漿張抗張強(qiáng)度和撕裂度呈上升趨勢(shì)。

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(shí)的結(jié)果有所區(qū)別。究其原因是二段化學(xué)預(yù)浸漬段 (見(jiàn)表2)處理過(guò)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(rùn)脹纖維、中和預(yù)浸漬段中產(chǎn)生的糖尾酸或其他酯類物質(zhì)的同時(shí)，不能為H2O2漂白提供適宜的堿性漂白條件，導(dǎo)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(shuō)明，二段預(yù)浸漬段中NaOH和H2O2的用量比對(duì)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?yàn)殡S著NaOH用量的增加，纖維的潤(rùn)脹程度增加，纖維之間的結(jié)合增多，增加了紙張中的光學(xué)接觸部分，同時(shí)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(shí)，漿張松厚度達(dá)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(shì)。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(rùn)脹，在磨漿過(guò)程中纖維易于分絲帚化，纖維之間的結(jié)合增加，從而導(dǎo)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(shì)，其中，漿張抗張指數(shù)在NaOH用量為3.5%以后，漿張抗張強(qiáng)度的增加量逐漸減小。漿張強(qiáng)度變化主要是因?yàn)殡S著NaOH用量的增加，紙漿纖維潤(rùn)脹軟化的程度增加，從而使得纖維柔軟可塑，在磨漿過(guò)程中不易切斷，從而保留有較多的長(zhǎng)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(guò)程中，可以提高漿張物理強(qiáng)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(shì)。綜合考慮漿張白度、松厚度、光散射系數(shù)和物理強(qiáng)度指標(biāo)，高濃停留段NaOH用量?jī)?yōu)化選擇3.5%。

2.2 高濃停留段H2O2用量對(duì)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(shì)，不透明度基本不變，光吸收系數(shù)略微下降。漿張抗張強(qiáng)度呈先下降后上升趨勢(shì)，撕裂度呈先上升后下降趨勢(shì)。

隨著高濃停留段H2O2用量的增加，漿張白度呈上升趨勢(shì)，H2O2用量在4.0%以后增長(zhǎng)幅度有所減緩。謝澄等［9］研究表明，在H2O2漂白過(guò)程中，木素先被氧化成鄰酚結(jié)構(gòu)，然后將之氧化成鄰醌結(jié)構(gòu)，最后鄰醌結(jié)構(gòu)被破壞變成小分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)，但與此同時(shí)，木素大分子結(jié)構(gòu)對(duì)上述氧化過(guò)程又有阻礙作用，使?jié){中木素中的鄰酚和鄰醌結(jié)構(gòu)不能夠完全消除而殘留在漿中，導(dǎo)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(shì)，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(shí)，撕裂指數(shù)從2.47 mN·m2/g上升至2.97 mN·m2/g，當(dāng)H2O2用量超過(guò)3.5%，撕裂指數(shù)下降明顯，同時(shí)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(qiáng)度指標(biāo)，高濃停留段H2O2用量?jī)?yōu)化選擇3.5%。

2.3 高濃停留段漂白時(shí)間對(duì)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(shí)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(qiáng)度增加，撕裂度呈先上升后下降趨勢(shì)。

漿張白度呈先上升后下降的趨勢(shì)，在漂白時(shí)間為90 min以前，漿張白度隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，逐漸提高;漂白時(shí)間超過(guò)90 min后，漿張白度反而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明高濃停留段漂白反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)漂后漿張的白度不利。隨著漂白反應(yīng)時(shí)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(shí)間90 min以后，呈下降趨勢(shì)，并且下降得比較嚴(yán)重，由90 min時(shí)的2.97 mN·m2/g下降到150 min時(shí)的 1.97 mN·m2/g，下降幅度33.7%。

綜上所述，高濃停留段漂白時(shí)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(qiáng)度指標(biāo)，高濃停留段漂白時(shí)間選擇90 min。

總結(jié)以上對(duì)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(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)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(duì)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(chǔ)上，進(jìn)一步探討在總用堿量 (質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)對(duì)紙漿性能產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)中MgO取代NaOH的比例分別為:20%、40%、60%(質(zhì)量分?jǐn)?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(guān)。堿性發(fā)黑發(fā)生于過(guò)氧化氫漂白過(guò)程中，對(duì)漂白效率和機(jī)械漿的白度上限有負(fù)面的影響。Yu等［10］研究結(jié)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(tuán)都對(duì)H2O2有活性。當(dāng)使用MgO部分取代NaOH時(shí)，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(yīng)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(shí)間越長(zhǎng)，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(shì)，光吸收系數(shù)基本保持不變 (見(jiàn)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(rùn)脹程度較使用100%的NaOH時(shí)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(yīng)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(jí)書(shū)寫(xiě)印刷紙和高檔紙板中有著較廣泛的應(yīng)用，添加高得率木漿的主要目的，是通過(guò)提高松厚度使紙張或紙板具有良好的挺度，同時(shí)減少漂白化學(xué)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(duì)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(shì) (見(jiàn)圖15)。當(dāng)MgO取代比例為60%時(shí)，松厚度為2.75 cm3/g，相比MgO取代比例為0時(shí)的松厚度2.27 cm3/g，提高了21.1%，可見(jiàn)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(xué)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(guò)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(shì) (見(jiàn)圖17)。MgO取代NaOH比例由0增加至60%時(shí)，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(rùn)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(jié)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(qiáng)度指標(biāo)隨高濃停留段MgO取代NaOH比例的變化規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)確定楊木P-RC APMP高濃停留段MgO取代NaOH比例為40%。當(dāng)然，在實(shí)際生產(chǎn)中，這一比例會(huì)因生產(chǎn)的產(chǎn)品品種不同而做相應(yīng)的調(diào)整。在MgO取代NaOH比例為40%的條件下，漿張物理性能和光學(xué)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(duì)比

3 結(jié)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(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)高濃停留段的用堿量、H2O2用量和漂白反應(yīng)時(shí)間進(jìn)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(yīng)時(shí)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(qiáng)度和撕裂度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，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(shí)，高濃停留段較優(yōu)的MgO取代NaOH比例為40%。相比無(wú)MgO取代NaOH時(shí)所得的漿張白度提高2.35個(gè)百分點(diǎn)，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(qiáng)度指標(biāo)有一定程度的下降，但根據(jù)紙張或紙板產(chǎn)品質(zhì)量要求的不同，采用適當(dāng)?shù)呐浔?，在產(chǎn)品強(qiáng)度指標(biāo)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(biāo)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(shù)與機(jī)理。

2011-01-28(修改稿)

本課題得到中加政府國(guó)際科技合作項(xiàng)目 (2008DFA91290)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (31070528)及天津市科技創(chuàng)新體系及條件平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目 (10SYSYJC28000)資助。

(責(zé)任編輯:馬 忻)