逆流提取工藝中漿料濃度對(duì)黑液提取率的影響

韋之敏 李友明 劉祥星 孫起慧 侯 軼

(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)

·黑液逆流提取·

逆流提取工藝中漿料濃度對(duì)黑液提取率的影響

韋之敏 李友明 劉祥星 孫起慧 侯 軼*

(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)

為定量探究堿回收工藝中漿料濃度對(duì)黑液提取率的影響，本研究以燒堿法紅松漿和黑液為原料，采用逆流提取工藝，對(duì)不同漿濃的黑液提取率及漿料潔凈度進(jìn)行研究。結(jié)果表明，相比于15%漿濃，35%漿濃的黑液提取率從75.61%顯著增加到98.19%。高濃提取不僅能有效促進(jìn)堿回收，還可明顯提高紙漿潔凈度。漿料經(jīng)過(guò)三段提取后35%漿濃的總殘堿去除率、CODCr和BOD5提取率分別為96.01%、95.0%和98.0%。漿中殘余CODCr和BOD5的大幅降低，不僅從源頭上減少了污染物進(jìn)入后續(xù)漂白和造紙工藝，還可提高漂白效率、降低漂白廢水的污染負(fù)荷和毒性。

漿濃；逆流提?。缓谝禾崛÷?；有機(jī)污染負(fù)荷

造紙工業(yè)是關(guān)乎社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)民需求的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，當(dāng)前，中國(guó)已成為世界紙制品生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)出口大國(guó)。然而，我國(guó)造紙行業(yè)總排水量?jī)H次于化工與鋼鐵行業(yè)，位居工業(yè)行業(yè)廢水排放量第3位，COD排放量達(dá)全國(guó)工業(yè)COD排放總量的1/3。因此，造紙行業(yè)水污染治理不但是全社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，而且也是制約造紙企業(yè)生存與發(fā)展的主要障礙[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民環(huán)保意識(shí)的提高，廢水的治理也越來(lái)越受到重視。目前，已有大量學(xué)者對(duì)廢水處理新技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用，如超臨界技術(shù)、生物酶技術(shù)、光催化氧化技術(shù)和膜處理等[4]，但是高運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)費(fèi)用限制了這些技術(shù)的應(yīng)用[5]。因此，控制制漿造紙生產(chǎn)中的源頭污染就變得尤為重要。

堿法蒸煮產(chǎn)生的廢液稱為黑液[6]。黑液含有大量的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，成分復(fù)雜[7- 8]。堿回收技術(shù)是黑液處理的主要方法，提取的黑液經(jīng)蒸發(fā)、燃燒、苛化等過(guò)程回收熱和堿，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[9]。國(guó)外漿料生產(chǎn)以木材為原料，堿回收率為95%～98%；我國(guó)造紙工業(yè)以木材、竹、蘆葦和廢紙等為原料，堿回收率為80%～88%，甚至更低。這說(shuō)明未被提取的部分黑液隨著纖維漿料轉(zhuǎn)移到過(guò)程流中，與纖維一起經(jīng)受漂白作用，進(jìn)一步降解或形成具有毒性的有機(jī)氯化物[10-12]。因此，提高黑液提取率對(duì)于減少漂白負(fù)荷和降低廢水毒性顯得至關(guān)重要。

黑液提取系統(tǒng)是對(duì)蒸煮過(guò)后漿料中的黑液進(jìn)行提取，以得到較干凈漿料的過(guò)程。黑液提取效率和漿料清潔程度不僅直接影響后續(xù)漂白工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，還與漂白過(guò)程中各種有機(jī)物如AOX的產(chǎn)生直接相關(guān)[13]。目前工業(yè)生產(chǎn)中黑液的提取方式一般遵循稀釋-混合-過(guò)濾的流程，用大量的水去置換漿料中的廢液，再利用濃度梯度，使?jié){料中的黑液從高濃向低濃擴(kuò)散。這種方式會(huì)給黑液的高濃提取帶來(lái)困難，因?yàn)榇罅孔⑷氲乃♂屃撕谝海w維內(nèi)外濃度差逐漸減少，分子擴(kuò)散過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，致使高濃提取效率較低為88%左右[14-15]。提高黑液提取率不僅可減少黑液木素的液液轉(zhuǎn)移，也對(duì)降低廢水污染負(fù)荷非常重要[11]。高濃提取是提高黑液提取率的有效途徑。但由于高濃提取設(shè)備的不成熟，使得提取的黑液無(wú)論從質(zhì)上還是量上都無(wú)法滿足堿回收的要求。目前已有學(xué)者進(jìn)行高濃黑液提取設(shè)備研發(fā)方面的研究。孫增貴[16]介紹了一種新型、高效的漿料洗滌設(shè)備——H T型高濃黑液提取、置換洗漿機(jī)組，利用(四+四+四)串聯(lián)洗漿機(jī)組，對(duì)漿料反復(fù)壓榨、稀釋、攪拌、打散，達(dá)到提高高濃黑液提取率的目的；曹欽等人[17]對(duì)高濃雙輥擠漿機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了研究；謝雪金等人[15]采用自行設(shè)計(jì)的三段逆流壓榨系統(tǒng)提取蔗渣漿黑液，利用機(jī)械壓榨脫水的方式，提高黑液提取率發(fā)現(xiàn)黑液提取率與蔗渣漿中黑液濃度無(wú)關(guān)，與外補(bǔ)水量和漿料濃度(漿濃)有關(guān)，當(dāng)壓漿機(jī)的出漿濃度為33%、外補(bǔ)水量為3 t/t漿，三段逆流壓榨系統(tǒng)的黑液提取率為93. 65%。由于目前關(guān)于黑液提取的定量影響研究較少，本課題主要采用逆流提取工藝，研究漿濃對(duì)黑液提取率以及漿料清潔度的影響，為制漿造紙行業(yè)調(diào)整研究思路和技術(shù)方向提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)和參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1主要藥品及儀器

實(shí)驗(yàn)所用氫氧化鈉、高錳酸鉀、重鉻酸鉀等均為市售分析純?cè)噭籊REENWOOD型計(jì)算機(jī)控制立式蒸煮器；切割式研磨儀；Hach DR 2800和Hach DR 6000型分光光度計(jì)；Hach BOD TrakTMⅡ型生化培養(yǎng)儀。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1蒸煮工藝及紙漿性質(zhì)

采用自制燒堿法紅松漿和黑液。蒸煮條件及紙漿性質(zhì)如表1所示。本實(shí)驗(yàn)為獲得較高脫木素程度的漿料，用堿量為30%，紙漿得率為39.5%。紙漿的卡伯值、黏度、白度等性質(zhì)測(cè)定參照文獻(xiàn)[18]中的規(guī)定進(jìn)行。

表1 蒸煮條件及紙漿性質(zhì)

1.2.2逆流提取

蒸煮后得到紙漿和黑液混合液，取5份相同質(zhì)量的混合液，通過(guò)擠壓提取分別得到濃度15%、20%、25%、30%、35%的漿料和一擠黑液。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M工廠的三段逆流提取，依次得到一提、二提、三提的黑液。清潔漿∶水=1∶7，每段提取時(shí)保證加入的水量與擠出黑液的量相等，所得各段提取黑液用于各項(xiàng)分析檢測(cè)。

1.2.3黑液提取率

堿法制漿的黑液提取率[19]是指每噸漿提取出來(lái)送往蒸發(fā)的黑液質(zhì)量對(duì)蒸煮后每噸漿黑液總質(zhì)量的百分比，如公式(1)所示[20]。

(1)

式中，“送往蒸發(fā)的固形物”為黑液和各段提取黑液的總和；“蒸煮得到的固形物”為蒸煮黑液中的總固形物。

1.2.4固形物、有機(jī)物、有效堿、CODCr和BOD5含量的測(cè)定

固形物、有機(jī)物、有效堿、CODCr和BOD5含量分別采用烘干法、灼燒法、鹽酸中和滴定法、重鉻酸鉀法和五日培養(yǎng)法測(cè)定[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1蒸煮黑液性質(zhì)

蒸煮黑液的性質(zhì)如表2所示。蒸煮黑液中有機(jī)物總量為1667.50 g，木素總量為882.35 g，其中木素總量占有機(jī)物總量的52.91%。木素降解物是蒸煮黑液有機(jī)污染物的主要來(lái)源，蒸煮黑液的CODCr和BOD5含量均較高。蒸煮黑液中含有大量微生物無(wú)法直接利用的有機(jī)物如木素等。木素是通過(guò)多種鍵合方式將苯基丙烷類化合物連接而成的一種不溶于水、無(wú)規(guī)則、分支度高的高分子聚合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物理和化學(xué)性質(zhì)特殊，可降解性較差[21]。另外，黑液的色度高達(dá)多于20萬(wàn)C.U.，外觀顏色很深，呈棕黑色，表明黑液中存在大量的發(fā)色基團(tuán)，這些發(fā)色基團(tuán)是木素在蒸煮過(guò)程中與蒸煮化學(xué)品發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的[22-23]。由此可知，木素是黑液中有機(jī)污染物的主要成分，漿中殘留黑液量的減少將有效降低進(jìn)入后續(xù)漂白或抄造過(guò)程中木素的含量，這對(duì)降低漂白負(fù)荷、減少漂劑用量和降低廢水毒性和污染負(fù)荷至關(guān)重要。

表2 蒸煮黑液的性質(zhì)

表3 不同漿濃各段提取黑液固形物含量以及固形物去除率

2.2漿濃對(duì)提取黑液中固形物含量的影響

固形物含量反映了各段提取黑液中可供利用物質(zhì)的多少，不同漿濃各段提取黑液的固形物含量和去除率結(jié)果如表3、圖1所示。

圖1 不同漿濃黑液各段提取的固形物去除率

由表3和圖1可以明顯看出，同一提取段，漿濃越大，固形物提取率越大；同一漿濃，隨著提取流程的深入，每一段的固形物去除率逐漸降低。這是因?yàn)闈{濃越大，說(shuō)明越多的一擠黑液被擠壓出來(lái)，而每份漿料的總黑液量是一定的，所以漿料中殘余黑液及固形物含量越少。漿濃15%提取黑液總固形物含量是漿濃35%的76.10%，并且經(jīng)過(guò)三次提取后，漿濃越大，提取的總固形物含量越多，漿濃15%、20%、25%、30%和35%條件下總的固形物去除率分別為60.84%、67.42%、75.49%、83.95%、92.42%。

2.3漿濃對(duì)提取黑液中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的影響

黑液中的固形物包括有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，有機(jī)物主要是糖類降解物和木素降解物，而無(wú)機(jī)物主要是堿類以及鈉鹽等[24]。不同漿濃各段提取黑液的無(wú)機(jī)物及有機(jī)物含量和去除率結(jié)果如表4、表5所示。

由表4、表5可以看出，漿濃越大，提取黑液的總無(wú)機(jī)物量和總有機(jī)物量越大，漿濃35%中黑液提取的總無(wú)機(jī)物和總有機(jī)物含量較漿濃15%分別多29.41%和32.26%。這是因?yàn)槊糠轁{料中總有機(jī)物和總無(wú)機(jī)物含量是一定的，漿濃越大，越多的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物會(huì)被擠壓到一擠黑液中，而殘留在漿料中的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物含量越少，逆流提取時(shí)轉(zhuǎn)移到各段提取黑液中的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物也就變少了。同時(shí)可知，同一漿濃，隨著提取流程的深入，無(wú)機(jī)物和有機(jī)物去除率逐漸降低；同一提取段，漿濃越大，無(wú)機(jī)物、有機(jī)物去除率越高。經(jīng)過(guò)三次提取后，從漿濃15%到漿濃35%，各段提取黑液中無(wú)機(jī)物和有機(jī)物去除率由64.28%、60.18%增加到99.20%、93.03%。

表4 不同漿濃各段提取黑液中無(wú)機(jī)物和有機(jī)物含量

表5 不同漿濃各段提取黑液中無(wú)機(jī)物和有機(jī)物去除率

表6 不同漿濃各段提取黑液的殘堿量及去除率

2.4漿濃對(duì)黑液提取率的影響

黑液提取通常伴隨著漿料洗滌。由于漿料中的殘余藥品及木素等物質(zhì)容易附著在纖維上，一兩次提取無(wú)法獲得質(zhì)量較好的漿料。因此通過(guò)向漿料中加水并同時(shí)提取黑液，使殘余物更容易進(jìn)入黑液，進(jìn)而提高黑液提取率。不同漿濃的黑液提取率不同，意味著被送往堿回收的固形物的量不同，同時(shí)也反應(yīng)出黑液中木素的轉(zhuǎn)移過(guò)程對(duì)漿料過(guò)程流、后續(xù)工藝處理以及終端廢水的影響程度不同。

不同漿濃的黑液提取率如圖2所示。從圖2可以看出，隨著漿濃的增加，黑液提取率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。漿濃15%時(shí)黑液提取率僅為75.61%，而漿濃為35%時(shí)黑夜提取率為98.19%。這說(shuō)明高濃提取可提高黑液提取率，減少漿中的黑液和有機(jī)物，有利于后續(xù)的漂白過(guò)程。

圖2 不同漿濃的黑液提取率

2.5漿濃對(duì)提取過(guò)程漿料洗凈度的影響

洗凈度表示黑液提取后漿料的干凈程度，一般以提取后漿料濾液中所含的殘余藥品量表示[6]。不同漿濃各段提取黑液的殘堿量和去除率如表6所示。

從表6可知，漿濃越大，一擠黑液中殘堿含量越大，漿濃15%提取的一擠黑液殘堿量比35%漿濃提取的一擠黑液殘堿量少184.24 g/kg漿。這說(shuō)明漿濃越大，越多的堿液會(huì)被擠壓到一擠黑液中。漿料經(jīng)過(guò)三次提取后，漿濃35%提取的總殘堿量比漿濃15%提取的總殘堿多104.21 g/kg漿，總殘堿去除率從64.01%增加到96.01%，這充分說(shuō)明高濃提取可以回收更多的堿。漿濃35%一提后提取出的總殘堿量比漿濃20%經(jīng)過(guò)三次提取的總殘堿量還要大，這說(shuō)明，在同一洗凈度下，高濃提取能夠大幅減少提取用水量，有利于降低后續(xù)堿回收過(guò)程的蒸發(fā)能耗。如表6所示，同一提取段，漿濃越大，殘堿去除率越大；同一漿濃，隨著提取次數(shù)的增加，殘堿去除率逐漸降低。綜上所述，高濃提取對(duì)漿料清潔度有明顯的促進(jìn)作用。

表8 不同漿濃提取黑液的總有機(jī)負(fù)荷

表7 不同漿濃各段提取黑液CODCr和BOD5

2.6漿濃對(duì)各段提取黑液有機(jī)污染負(fù)荷的影響

在原料以及蒸煮工藝相同的條件下，黑液中CODCr和BOD5的含量可以間接表示黑液中有機(jī)物含量。不同漿濃各段提取黑液的CODCr和BOD5如表7所示。

從表7中可以看出，一擠黑液CODCr和BOD5隨著漿濃的增大而增大，漿濃35%的一擠黑液CODCr、BOD5分別是漿濃15%的2.09倍和2.05倍，這與上述分析得到的一擠黑液提取有機(jī)物含量的變化相一致。因?yàn)楦鳚舛鹊目傆袡C(jī)物量是一定的，漿濃越大，更多的有機(jī)物會(huì)被擠壓進(jìn)入一擠黑液中，產(chǎn)生的CODCr和BOD5也會(huì)越大。同一漿濃，隨著提取段數(shù)的增加，CODCr和BOD5均有明顯的降低；同一提取段數(shù)，漿濃越大，CODCr和BOD5越小。漿料經(jīng)過(guò)三段提取后，漿濃35%提取的總CODCr和總BOD5比漿濃15%分別增加了0.30 kg/kg漿和0.07 kg/kg漿。

不同漿濃提取黑液的總有機(jī)負(fù)荷和殘余CODCr如表8所示。由表8可知，進(jìn)入后續(xù)漂白系統(tǒng)的殘留CODCr，漿濃15%比漿濃35%多0.30 kg，這樣不僅會(huì)增加漂白藥劑的用量，降低漂白效率，同時(shí)也能會(huì)增加漂白廢水污染負(fù)荷和毒性。這也充分證明高濃提取不僅能夠較有效地提取漿料中的黑液，還能從源頭上減少后續(xù)漂白工藝污染物的產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

3.1逆流提取過(guò)程中，漿濃越大，提取的總固形物含量、總無(wú)機(jī)物和總有機(jī)物含量越大，黑液提取率也越高，表明高濃提取能夠顯著提高黑液提取率，促進(jìn)堿回收和進(jìn)一步資源化利用。

3.2高濃提取能夠明顯降低漿料中的殘留污染負(fù)荷，提高漿料潔凈度，35%漿濃下CODCr和BOD5提取率分別可達(dá)95.0%和98.0%，總殘堿去除率由漿濃15%的64.01%增加到96.01%。這說(shuō)明高濃提取能夠從源頭上有效減少殘留有機(jī)物進(jìn)入漂白過(guò)程，對(duì)降低漂白廢水的污染負(fù)荷和毒性有積極作用。

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(責(zé)任編輯：吳博士)

TheInfluenceofStockConsistencyonExtractionEfficiencyofBlackLiquorinCountercurrentExtractionProcess

WEI Zhi-min LI You-ming LIU Xiang-xing SUN Qi-hui HOU Yi*
(StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640)(*E-mail: ceyhou@scut.edu.cn)

In order to quantitatively incertigate the effect of stock consistency on extraction efficiency of black liquor, the pulp and black liquor were prepared by pulping of red pine and the countercurrent extraction process was applied to extract the black liquor. The results showed that extraction in 35% stock consistency could promote the recovery of alkali effectively compared with extraction in 15% stock consistency, the extraction efficiency of black liquor significantly increased from 75.61% to 98.19% when extraction in stock consistency increasing from 15% to 35%. In addition, the high consistency extraction could improve the cleanliness of the stock, the alkali removal rate and the extraction rate of CODCrand BOD5were 96.01%, 95% and 98% respectively after three stage extraction under 35% stock consistency, which significantly reduced the residual CODCrand BOD5. This indicated that high consistency extraction could reduced the pollutants from the source which entered to the subsequent bleaching and papermaking process, it was of benefit to improve the efficiency of bleaching processes, reduce the pollution load and toxicity of bleach effluents．

stock consistency; countercurrent extraction; extraction efficiency of black liquor; organic pollution load

韋之敏女士，在讀碩士研究生；主要研究方向：制漿造紙清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究。

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.11.003

2017- 07- 09(修改稿)

The national key research and development plan(2017-YFB0307900)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21476091)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020215009)；佛山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015AG10011)。

*通信作者：侯 軼，教授；研究方向：工業(yè)廢水處理。