電化學(xué)催化氧化漂白紙纖維漿

唐艷茹，丁 鵬，于婷婷，張 敏

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

電化學(xué)催化氧化漂白紙纖維漿

唐艷茹，丁 鵬，于婷婷，張 敏

(長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

紙纖維漿在漂白過程中存在漂白時(shí)間長、污染嚴(yán)重等缺陷。本文在氧化漂白紙漿基礎(chǔ)上篩選出更環(huán)保的漂白方式——電化學(xué)催化氧化法，它以紙纖維為原材料，通過對不同催化劑的篩選，獲得最優(yōu)催化劑，達(dá)到生產(chǎn)原料豐富、催化劑能重復(fù)生產(chǎn)利用、易處理和副產(chǎn)物少的目的。此方法的技術(shù)關(guān)鍵是要控制適當(dāng)?shù)碾妷?，選擇合適的電解池中的陰陽電極以及適當(dāng)?shù)臍饬髁?，產(chǎn)生適量雙氧水的濃度來對紙纖維漿進(jìn)行漂白。實(shí)驗(yàn)證明此方式能使環(huán)境污染能降到最小。

催化氧化；電化學(xué)；紙纖維漿；催化劑：漂白

紙纖維漿是用機(jī)械方法或化學(xué)方法分離植物纖維制成的，而植物纖維的原料由纖維素、半纖維素、木素、淀粉、果膠以及樹脂、丹寧等組成，這些組分除纖維素、半纖維素是白色外，其余均帶有顏色。生產(chǎn)白紙的紙漿需要一定的白度，多數(shù)紙漿都需要漂白。漂白的目的是在不破壞或改變纖維素的前提下，除去或改變木質(zhì)素，提高紙漿的白度。在不使纖維素遭到過分降解的情況下，化學(xué)制漿無法使殘余木質(zhì)素完全除去，而呈深色的未漂紙漿顏色主要由殘余木質(zhì)素而來，所以需要進(jìn)行漂白[1]。紙漿漂白在紙漿造紙生產(chǎn)過程中占有重要地位，與紙漿和成紙的質(zhì)量、料、能量消耗以及對環(huán)境的影響有密切的關(guān)系[2]。

圖1 電解池結(jié)構(gòu)示意圖

電化學(xué)催化氧化降解酚類化合物是通過產(chǎn)生強(qiáng)氧化性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性物質(zhì)的途徑分類，電化學(xué)催化氧化可以分為直接氧化與間接氧化[3]。本實(shí)驗(yàn)通過借鑒電化學(xué)催化氧化法，以紙纖維作為原材料，通過對不同催化劑的篩選，獲得最優(yōu)良的催化劑，達(dá)到生產(chǎn)原料豐富、催化劑能重復(fù)進(jìn)行使用、易進(jìn)行處理和副產(chǎn)物少、特別是對環(huán)境污染最小的目的。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

直流穩(wěn)壓電源YB1713，接觸調(diào)壓器，IrO2-RuO2涂層鈦電極，氣泵，活性炭纖維布[4]，電解池。溶液：3.5%的NaOH，3.0%的Na2SiO4，4.2%的NaClO，H2SO4，NaCO3，0.05%的MgSO4；可溶性淀粉。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置(如圖1所示)

1.3 紙漿預(yù)處理

將沒有完全干燥的麥草放入60℃水浴中處理1.5h，然后調(diào)節(jié)紙纖維漿的濃度為20%，并且將pH值調(diào)節(jié)為8.0～11.0以備用。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)裝置由電解池、直流穩(wěn)壓電源和氣泵這三部分構(gòu)成。電解池的底部是作為氣體分配室來使用的，空氣由氣體分配室進(jìn)入到電解池內(nèi)部，我們通過氣體流量劑來調(diào)節(jié)氣流的大小[5]。作為電極的陰極和陽極分別位于電解池的兩端，在實(shí)驗(yàn)正式開始之前，用鹽酸或氫氧化鈉溶液來調(diào)節(jié)電解池中水溶液的pH值，然后打開氣閥門。通入空氣20min之后，將電源進(jìn)行接通，開始進(jìn)行電解反應(yīng)。注意要每隔相應(yīng)的一段時(shí)間進(jìn)行取樣，運(yùn)用一種分光光度法快速測定電解池中過氧化氫的濃度[6]。在電解的裝置中通過對比試驗(yàn)及控制變量法，進(jìn)行電極的選取、氣流大小控制，探究最適宜的實(shí)驗(yàn)條件。

2 分析與討論

2.1 不同電極電解性能

通過實(shí)驗(yàn)分別探究不同陽極電解產(chǎn)生過氧化氫的動(dòng)力學(xué)曲線以及初始電壓對過氧化氫濃度的影響，同時(shí)探究氣體流量對生成過氧化氫濃度的影響。通過控制相關(guān)原材料的運(yùn)用及控制變量法的方式分別運(yùn)用Ti和Ir-Ru/Ti作為陽極[7]，采用ACFC作為陰極，來進(jìn)行產(chǎn)生過氧化氫的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成圖2。隨著電解時(shí)間的增加，運(yùn)用Ir-Ru/Ti作為電極產(chǎn)生過氧化氫的濃度大，所以Ir-Ru/Ti電極作為陽極電解產(chǎn)生過氧化氫的性能優(yōu)于Ti電極，是作陽極的最佳選擇。

圖2 不同電極電解性能曲線

2.2 空氣流量的影響

通過探究空氣流量對生成過氧化氫濃度的影響，制作出相應(yīng)的圖表(圖3)。在室溫下將電解反應(yīng)時(shí)間控制在90min，空氣流量達(dá)到80mL·min-1時(shí)，生成的過氧化氫濃度可以達(dá)到27.8mg·L-1，比在其它實(shí)驗(yàn)中所制得的過氧化氫濃度提高了將近85.33%，這是一個(gè)很適宜做催化漂白實(shí)驗(yàn)的空氣流量值，可以為漂白實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生最適宜的過氧化氫濃度，以進(jìn)行漂白的后續(xù)試驗(yàn)。

圖3 空氣流量對過氧化氫濃度的影響曲線

據(jù)有關(guān)資料顯示，電壓的大小對產(chǎn)生過氧化氫的濃度有影響。所以，接下來我們探究產(chǎn)生過氧化氫濃度最適宜的電壓[8]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鲈谥行缘臈l件下，空氣流量為80mL·min-1、電解反應(yīng)90min，過氧化氫產(chǎn)生濃度的大小有個(gè)最高點(diǎn)。在電壓為20V時(shí)，過氧化氫的濃度最高。所以，在做漂白試驗(yàn)時(shí)可以直接將電壓調(diào)節(jié)至20V。

2.3 不同電壓電解效果比較

通過上面實(shí)驗(yàn)得出做漂白實(shí)驗(yàn)的最佳條件：以Ir_Ru/Ti電極作為陽極、ACFC為陰極所構(gòu)成的電解池可以有效地電解產(chǎn)生過氧化氫，且穩(wěn)定性比Ti電極提高許多；在中性及酸性條件下都能有效地產(chǎn)生過氧化氫；提高空氣流量有利于過氧化氫的生成；電解反應(yīng)的電壓對于過氧化氫的生成有著重要的影響，過高或過低的電壓均不利于過氧化氫的生成。當(dāng)pH值為中性、不外加化學(xué)試劑、空氣流量為80mL·min-1、電壓20V、電解反應(yīng)90min時(shí)，產(chǎn)生的過氧化氫濃度會(huì)達(dá)到29.5mg·L-1。

圖4 電壓與過氧化氫濃度關(guān)系曲線

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)探究得到最適宜的實(shí)驗(yàn)條件，在此條件下進(jìn)行效果驗(yàn)證。將事先預(yù)處理好備用的紙纖維漿放入電解池內(nèi)，然后把溶液的pH調(diào)節(jié)為中性環(huán)境。不添加化學(xué)試劑，首先將工作電壓調(diào)節(jié)為20V，空氣流量調(diào)節(jié)為80mL·min-1、然后把所有的實(shí)驗(yàn)裝置檢查一遍，在沒有錯(cuò)誤的情況下，打開開關(guān)，電解反應(yīng)為1.5h，實(shí)驗(yàn)對紙纖維的漂白過程就是在反應(yīng)制成雙氧水的過程中進(jìn)行著[9]。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到達(dá)1.5h時(shí)，在紙纖維漿中加入0.05%的MgSO4和3.0%的Na2SiO4將它們攪拌均勻，然后使用功率為240W的微波輻射2.5min；在靜置的情況下進(jìn)行微波輻射之后,將H2O2漂白處理后的紙漿濃度調(diào)節(jié)為10%，然后加入3.5%的NaOH溶液，使pH值調(diào)節(jié)為8.0～11.0，最后加入10ml 4.2%的NaClO，再使用功率為240W的微波輻射5.0min后得到產(chǎn)物漂白紙漿[10]，此紙漿符合生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

整個(gè)電化學(xué)催化氧化漂白紙纖維漿的實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)步驟。首先探究漂白紙纖維漿的適宜實(shí)驗(yàn)條件，如工作電壓、空氣流量以及不同電極等，然后在找到合適的實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，在電解產(chǎn)生過氧化氫的同時(shí)對纖維漿進(jìn)行漂白。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程不僅操作簡單、時(shí)間短，原材料豐富、副產(chǎn)物易處理，對環(huán)境的污染很小。目前實(shí)驗(yàn)研究熱點(diǎn)主要致力于對環(huán)境的保護(hù)，所以這種漂白纖維漿的方法很有效。

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2014-08-28

吉林省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(吉教科合字[2005]第165號(hào))。

唐艷茹(1962- )，女，吉林長春人，長春師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事應(yīng)用化學(xué)研究。

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2095-7602(2014)06-0068-03