廢棄新疆棉稈皮脫膠技術(shù)及效果分析

王 莉，于冉雪

新疆是我國最大的產(chǎn)棉基地，2016年新疆的棉花總產(chǎn)量達到359.4萬t，占據(jù)全國總產(chǎn)量的67%以上，棉稈產(chǎn)量大約1 200萬t，含有棉稈皮產(chǎn)量達250萬t。棉稈作為棉花的副產(chǎn)品，新疆具有豐富的棉稈資源[1]。長期以來，實行棉花秸稈還田，未經(jīng)腐熟處理的棉秸稈直接還田造成棉田土傳病害加重、土壤肥力減退、棉株營養(yǎng)失衡等問題，嚴(yán)重影響了棉花的生長發(fā)育、產(chǎn)量和質(zhì)量。如何充分利用棉花的副產(chǎn)品資源，是亟待解決的問題。在新疆實施棉稈皮纖維的開發(fā)應(yīng)用，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，拓寬農(nóng)民的增收渠道，擴大就業(yè)，將有力地推動新疆紡織工業(yè)的發(fā)展。

棉秸稈含有60%左右的纖維素，是提取纖維素纖維的良好原材料。從成分上來說，各地區(qū)的棉稈皮存在較大差異，選擇合適的方法，是實現(xiàn)新疆棉棉稈皮脫膠的關(guān)鍵，脫膠的程度也決定了棉稈皮纖維的可紡性和成紗品質(zhì)。

1 原料成分

選擇廢棄的新疆阿瓦提棉棉桿皮作為原材料，參照李龍等[2]的原料選取方法選取棉秸稈，以保證試驗的準(zhǔn)確性。按照GB 5888-89《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，測定棉稈皮成分，測試結(jié)果見表1。

由表1可知，與山東棉棉稈皮相比，新疆棉棉稈皮中半纖維素、果膠物含量更高。因此，在脫膠過程中，對半纖維素和果膠的去除是整個脫膠過程的重點。

表1 新疆棉與山東棉棉稈皮成分 單位:%

2 工藝流程

朱正峰等[3]采用果膠酶脫膠與化學(xué)脫膠相結(jié)合，除去部分果膠質(zhì)與木質(zhì)素，制備了棉稈韌皮纖維，但紡紗仍需特殊工藝。李龍等[4]采用了果膠酶與化學(xué)脫膠聯(lián)合處理棉稈皮纖維，綜合殘膠率達到5.48%，與化學(xué)脫膠相比，時間效率偏低，脫膠效果較差。棉稈皮的化學(xué)脫膠技術(shù)已經(jīng)比較成熟，采用化學(xué)法脫膠效果顯著，膠質(zhì)去除率高。因此，如何改進工藝以降低殘膠率，提高脫膠效率，降低生產(chǎn)成本，減少污水處理負擔(dān)，是棉稈皮化學(xué)脫膠研究的方向。

由于新疆棉棉稈皮中的果膠質(zhì)和半纖維素的含量很高，單一的脫膠方式不理想，先進行一定的預(yù)處理，破壞棉稈皮纖維的結(jié)構(gòu)，有利于助劑的滲透和后續(xù)工序的進行，實現(xiàn)更好的脫膠效果。本試驗預(yù)處理方法采用預(yù)堿、預(yù)氧處理，脫膠方法采用高溫脫膠。

工藝流程:試樣準(zhǔn)備→預(yù)堿預(yù)氧處理→水洗→一次堿煮→打纖→二次堿煮→酸洗→水洗→烘干。

3 脫膠前準(zhǔn)備

傳統(tǒng)的預(yù)處理常使用浸酸工藝，但對設(shè)備腐蝕大、易損傷纖維[5]。預(yù)堿-預(yù)氧處理是通過氫氧化鈉和雙氧水交互作用，除去棉稈皮中的膠質(zhì)、半纖維素、木質(zhì)素及其他雜質(zhì)，并為雙氧水的分解提供了一個堿性環(huán)境[6]，達到氧化木質(zhì)素目的，以便更好地除去木質(zhì)素。

主要技術(shù)參數(shù):將準(zhǔn)備好的試樣以1∶15的浴比放入含有5 g/L硅酸鈉、5 g/L多聚磷酸鈉、25 g/L氫氧化鈉濃度、16 g/L雙氧水的溶液中，處理溫度90℃，時間1 h。將經(jīng)預(yù)處理過的棉稈皮，用自來水浸泡、放在試驗篩上沖洗10遍，確保試樣表面無藥品殘留。

4 高溫化學(xué)脫膠

在高溫情況下，纖維和膠雜質(zhì)膨脹迅速，增加了堿液對纖維的滲透，待滲透到一定程度后纖維開始發(fā)生堿性水解，隨著溫度的進一步升高，水解反應(yīng)加速使纖維松散。在高溫脫膠過程中，水溶物和脂蠟質(zhì)容易被去除，而果膠、半纖維素和木質(zhì)素等與纖維素黏結(jié)在一起，在不損害纖維的前提下，去除這些膠質(zhì)，需要對脫膠工藝進行設(shè)計。

4.1 一次堿煮

高溫脫膠過程中堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是影響脫膠的重要因素。堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)太小，很難破壞木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)，不易去除膠質(zhì);堿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，損傷纖維素超分子結(jié)構(gòu)[7]。在堿溶液里，一部分可溶性果膠直接從纖維上脫離，另一部分不溶性果膠在氫氧化鈉溶液作用下轉(zhuǎn)化為可溶性鈉鹽而溶解，在高溫化學(xué)脫膠處理中，半纖維素、水溶物、果膠等含量顯著下降，纖維素含量提高。在棉稈皮纖維高溫脫膠的反應(yīng)中，溫度是很重要的影響因素。在高溫條件下，棉稈皮中各組分吸收能量，將半纖維素降解成可溶性糖，并使軟化木質(zhì)素與纖維連合程度降低。所以高溫對半纖維素和木質(zhì)素的去除有較好效果。

純硫化鈉吸濕性強，易溶于水，水溶液呈強堿性。在堿液中加入Na2SO3，將其作為助練劑和穩(wěn)定劑，可以起到滲透和助溶的作用，加快反應(yīng)進行，在果膠、半纖維素和木質(zhì)素分解后，能幫助其快速溶解到堿液中，提高脫膠效果。在煮練液中加入亞硫酸鈉有助于去除煮練液中的氧氣，避免纖維素纖維被氧化。在溶液里加入尿素，有助于增加溶解度，起到滲透和助溶的作用。

主要工藝參數(shù):20 g/L NaOH、2.5 g/L Na2SiO3、7%Na2SO3(無水亞硫酸鈉)、8%(o.w.f)Na2S，2%(o.w.f)尿素，少量乳化劑，浴比1∶30，沸煮時間5 h。

4.2 打纖

為了克服新疆棉棉稈皮分纖脫膠過程中存在的纖維受敲擊不充分、纖維并絲多、分纖水洗效果差等缺點，將一煮后的纖維沖洗干凈后，用木槌將纖維正反敲打10次后，用清水洗凈，使纖維分散，去除纖維內(nèi)部的膠質(zhì)[8]。

4.3 二次堿煮

木質(zhì)素被脫除后，破壞了與木質(zhì)素相連的半纖維素，促使半纖維素還原性末端氧化成糖酸。由于半纖維素分子量較纖維素小，相對于纖維素，對酸、堿的作用不穩(wěn)定，大多數(shù)半纖維素能溶解在熱堿中。半纖維素是一些低分子量的聚糖類化合物，半纖維素中的葡萄糖甘露聚糖在脫膠的過程中最難去除。在高溫脫膠的堿液中加入15 g/L NaOH、410 ml/L有效氯，既加快脫木質(zhì)素的速度，縮短脫膠時間，又能對纖維進行漂白。脫膠過程中的浴比也會影響最終效果。浴比過小會使溶液與纖維的接觸不夠充分，導(dǎo)致脫膠效果差，脫膠不勻，而浴比過大又使得氫氧化鈉和各助劑的作用力減弱，導(dǎo)致脫膠效果不理想。綜合考慮，選擇浴比1∶30，沸煮時間5 h。

4.4 酸洗

采用濃度為1.25 ml/L的硫酸溶液常溫下浸泡30 min，浴比為1∶30，中和纖維上殘留的堿液，除掉纖維上吸附的有色物質(zhì)，使纖維潔白松軟。

4.5 水洗烘干

將纖維反復(fù)洗10次后，放入鼓風(fēng)烘箱中，溫度保持在60℃，放置3 h，進行烘干處理。按照GBT 5889-1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測定殘膠率，殘膠率為3.45%。

5 優(yōu)化設(shè)計

均勻試驗設(shè)計用較少的試驗次數(shù)實現(xiàn)了完美的多因素多水平搭配?？紤]到半纖維素中的葡萄糖甘露聚糖在脫膠的過程中最難去除。在二次堿煮階段選取NaOH濃度(x1)、水浴時間(x2)和水浴溫度(x3)作為試驗因素，采用DPS 7.05軟件作為分析平臺。在菜單下依次點擊“試驗設(shè)計”→“均勻設(shè)計”→“均勻試驗設(shè)計”;因子數(shù)3，水平數(shù)3，尋優(yōu)1S完成，均勻設(shè)計表如表2所示。按照設(shè)計方案進行試驗，3次試驗殘膠率的結(jié)果為5.13%、3.45%、4.32%。

表2 均勻設(shè)計表

為了方便用DPS回歸分析模塊進行分析，則可以把試驗結(jié)果進行轉(zhuǎn)換，把最小的結(jié)果轉(zhuǎn)換成10分[9]，轉(zhuǎn)換公式為分?jǐn)?shù)=13.45-試驗結(jié)果。因樣本少，因素多，對轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)可以進行逐步回歸，結(jié)果如下:

回歸方程經(jīng)方差分析有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.013)，因素間的最佳組合為x1=12.6，x2=5，x3=98.6。因素間的最佳組合理論結(jié)果為3.46%，經(jīng)試驗驗證為3.62%，與理論值差異在5%以內(nèi)。與第二組方案對比，第二組方案為最優(yōu)方案。

6 結(jié)語

采用預(yù)堿預(yù)氧處理與高溫脫膠聯(lián)合處理棉稈皮纖維，對二次堿煮階段因素進行了優(yōu)化驗證，殘膠率最優(yōu)值為3.45%。采用預(yù)堿預(yù)氧處理，為制備棉稈皮纖維提供了研究思路。實踐說明，以上工藝技術(shù)，能夠較好地解決新疆棉棉稈皮脫膠中的難點問題，取得較好的效果，為將其通過紡紗制成高品質(zhì)的紗線提供了可能，對提高棉稈皮纖維的可紡性以及增加其產(chǎn)品的附加值有著極大的意義。

[1] 閆愛民.淺議棉稈皮纖維在新疆的應(yīng)用前景[J].中國纖檢，2014，(19):46-47.

[2] 李 龍，趙領(lǐng)航.棉秸稈提取天然纖維素纖維的工藝及其纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)[J].紡織學(xué)報，2013，(2):13-17.

[3] 朱正鋒，李 飛，楊德麗，等.果膠酶用于棉稈韌皮工藝?yán)w維生物脫膠研究[J].中原工學(xué)院學(xué)報，2009，(12):58-62.

[4] 季 延，李 龍.棉桿皮生化脫膠工藝研究[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2009，(12):16-18.

[5] 付書玉，俞建勇，吳麗莉，等.黃麻纖維預(yù)處理工藝研究[J].紡織科技進展，2007，(6):82-84.

[6] 曲麗君.大麻機械脫膠與堿氧法脫膠研究[D].上海:東華大學(xué)，2005.

[7] 崔雪峰，樊婷婷，崔永珠，等.棉稈原莖高溫脫膠工藝初步研究[J].印染助劑，2015，(9):45-47.

[8] 張勝靖，孫建磊，李 龍.棉稈皮脫膠工藝比較研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，2010，(3):34-38.

[9] 李秀昌，韓曦英，孫 健.利用DPS擻據(jù)處理系統(tǒng)進行均勻試驗設(shè)計與分析[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2010，(2):201.