稻草漿蒸煮同步除硅降低黑液黏度技術(shù)1)

崔恩亮 蘇文強

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

1 材料與方法

原料準備:將原稻草人工剪斷成25～35 mm草片，充分攪拌混合后，利用自然風進行草片風選分級，自低密度部分起，除去風選總量的12%作為備料輕雜質(zhì)損失，再將剩余草片經(jīng)18目篩篩除重雜質(zhì)及谷粒，合格草片充分混勻，平衡水分后裝袋備用。

蒸煮工藝條件:最高溫度160℃，用堿量9%，蒸煮助劑 LPA130 0.015%，LCP894 0.01%，升溫時間70 min，保溫時間 10 min，液比 1 ∶3.5。

藥品:氫氧化鈉、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣皆為天津科密歐公司生產(chǎn)，分析純。蒸煮助劑 LPA130、LCP894為工廠提供使用。

儀器設備及主要參數(shù):蒸煮器型號——西北輕工業(yè)學院機械廠生產(chǎn)ZQS1型3L電熱蒸煮鍋。模擬高濃擠壓提取裝置及操作過程——模擬高濃擠壓提取裝置結(jié)構(gòu)見圖1。擠壓裝置為自制，由開口收集筒、圓周外壁和底部都分布有直徑為3 mm排液孔的過濾筒及活塞外徑比過濾筒內(nèi)徑小0.5 mm的擠壓活塞組成。模擬擠壓時，用直徑比過濾筒內(nèi)徑稍大的80目尼龍網(wǎng)袋承裝被擠壓漿料，置于過濾筒中，裝入擠壓活塞，再將過濾筒裝入收集筒，將整套裝置放置在壓力機平臺上，利用壓力機壓頭推動活塞完成擠壓。用量筒收集從排液閥門中流出的黑液。壓力機——為東大人造板機械制造有限公司生產(chǎn)的50 t試驗預壓機，壓頭油缸直徑20 cm;擠壓裝置活塞直徑8.1 cm，壓力放大比6.096 6。擠壓過程以恒溫恒壓為標準。擠壓前預先給定壓力機壓力，啟動壓力機壓頭推動活塞工作，在達到給定壓力后維持給定壓力2 min，完成擠壓操作。擠壓開始溫度(73±5)℃，擠壓全程時間小于5 min。轉(zhuǎn)子黏度計:NDJ－8S數(shù)字顯示黏度計，上海精密科學儀器有限公司生產(chǎn)。

圖1 模擬高濃擠壓提取裝置

XPS黑液硅質(zhì)量分數(shù)檢測及運行參數(shù):測試設備——美國 Thermo Fisher Scientific Co.，Ltd 生產(chǎn)KAlpha型X射線光電子能譜儀(XPS)。樣品室氣壓為5×10－7Pa，能量分析器采用固定透過能方式，儀器采用單色化Al ka射線(1 486.6 eV)激發(fā)，X射線源功率為100 W，真空度為 1.0×10－7Pa，掃描束班為400 μm，步長分別為1 eV和0.1 eV。掃描范圍為0～1 100 eV。對分析結(jié)果利用高斯函數(shù)和洛侖茲函數(shù)進行數(shù)值擬合。測試樣品為3 μm×3 μm;照射強度為1 486 eV;測試對象為除H、He外的所有元素;樣品來源為自制稻草漿及蒸煮黑液;取樣方法為隨機取樣;樣品按照 XPS檢測要求進行處理［1－3］。

檢測標準:原料各組分測定及黑液紙漿中硅質(zhì)量分數(shù)測定都采用《中國輕工業(yè)標準匯編》2006年版匯編的國家標準。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻草原料組分測定

稻草原料主要化學組分為:熱水抽出物質(zhì)量分數(shù)16.14%，苯醇抽出物質(zhì)量分數(shù)3.30%，灰分質(zhì)量分數(shù)14.53%，多戊糖質(zhì)量分數(shù)23.66%，綜纖維素質(zhì)量分數(shù)67.53%，酸不溶木素質(zhì)量分數(shù)12.87%?？梢姡狙芯克褂玫牡静菰细鹘M分質(zhì)量分數(shù)基本在稻草原料正常范圍之內(nèi)［4］。

2.2 不同除硅劑對紙漿和黑液含硅量及黏度的影響

添加不同除硅劑對黑液中固形物質(zhì)量分數(shù)的影響見圖2。從圖2中可以看出，除了氧化鈣外，其余兩種除硅劑的加入都使黑液固形物質(zhì)量分數(shù)有不同程度下降，下降幅度在6.3%左右，說明同步除硅造成了來自于原料的可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)的減少。當添加量超過5%以后，黑液固形物又有所上升，可能是由于除硅劑添加量過多，部分殘留在黑液中所致。同時在煮漿實驗中發(fā)現(xiàn)，添加氧化鈣除硅劑會使紙漿的渣漿率大幅提高，且由于黑液固形物提高可能為后續(xù)的黑液蒸發(fā)帶來困難，所以在下面的試驗中氧化鈣除硅劑不做重點討論。

圖2 不同除硅劑添加量對黑液固形物質(zhì)量分數(shù)的影響

2.3 不同除硅劑對黑液黏度及提取率的影響

不同除硅劑的加入對黑液黏度的影響見圖3。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，除硅劑的加入可以明顯降低黑液的黏度。當除硅劑添加量為5%時，黑液黏度比未加除硅劑的黑液黏度降低20%;當加入量超過5%時，加入不同除硅劑的黑液黏度皆有不同程度的上升。結(jié)合圖2，說明黑液中固形物的增加對其黏度升高有一定的影響。

圖3 除硅劑添加量對黑液黏度的影響

添加除硅劑對黑液和紙漿中硅質(zhì)量分數(shù)的影響見圖4和圖5。由圖4、圖5所示的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，除硅劑的加入使黑液中的硅質(zhì)量分數(shù)減少，減少幅度達到66.45% ～84.39%，而紙漿中硅質(zhì)量分數(shù)上升。說明在蒸煮過程同步加入除硅劑能夠有效遏制非過程元素硅的溶出，將其保留在紙漿中，從而有效地降低黑液中硅的質(zhì)量分數(shù)，降低黑液黏度;同時由于除硅劑減少了來自于原料的可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)，使得制漿得率有小幅度上升。

圖4 氧化鋁對黑液和紙漿中硅質(zhì)量分數(shù)的影響

圖5 氧化鎂對黑液和紙漿中硅質(zhì)量分數(shù)的影響

3 結(jié)論與討論

以氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣為同步除硅劑，在不同的加入量條件下所提取黑液黏度都有所下降，黑液固形物除氧化鈣除硅劑外也都有不同程度的下降，降幅在6.3%左右。說明同步除硅造成了來自原料的可溶性固形物的減少。在蒸煮過程中同步加入3% ～5%除硅劑后，黑液中硅質(zhì)量分數(shù)降低，最大降幅達84.39%;黑液黏度最大降幅為16.7%，紙漿中硅質(zhì)量分數(shù)也有大幅度提升。說明在蒸煮過程中同步加入除硅劑的同步除硅技術(shù)能夠有效地抑制原料中硅元素的溶出，將其保留在紙漿中，使?jié)夂谝褐械墓栀|(zhì)量分數(shù)大幅減少，大大降低黑液黏度。在加入量范圍內(nèi)，隨氧化鋁除硅劑加入量的增加，除硅效果明顯，漿中硅質(zhì)量分數(shù)增加，黑液中硅質(zhì)量分數(shù)減少，黑液黏度下降，當使用量超過5%時除硅降黏效果沒有明顯提高;使用MgO除硅劑，當使用量在3%以上時，除硅效果變差，漿中硅質(zhì)量分數(shù)減少，黑液中硅質(zhì)量分數(shù)增加。綜合除硅降黏效果和經(jīng)濟因素考慮，除硅劑用量3%為理想的添加量。

除硅劑同步除硅的作用機理目前尚沒有定論，作者贊同的觀點為:作為除硅劑的氧化物與原料中物質(zhì)發(fā)生反應，形成的不溶物將原料纖維的表皮細胞覆蓋?。?－6］，從而抑制了蒸煮過程中非過程元素硅的溶出，降低了黑液中的硅質(zhì)量分數(shù)。

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