化機漿預浸促進劑技術工藝研究

焦國棟 李躍進 萬洪安

摘 要：以闊葉木楊木木片為原料，采用化機漿方法生產(chǎn)楊木化機漿產(chǎn)品，在楊木木片生產(chǎn)化機漿預浸階段，通過選擇性使用組合生物酶和化學活性劑，改變木片結構，使其內(nèi)部形成空隙并充分軟化，提高纖維潤脹能力，降低藥液表面張力，加快藥液在原料纖維中的滲透、擴散。因此，本研究技術可加快藥液滲透速度，提高原料與藥液的反應效果，降低化學藥品用量、電耗和水耗，提高生產(chǎn)效率，具有產(chǎn)品得率高、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)勢。

關鍵詞：楊木片；楊木化機漿；預浸促進劑；預浸工藝技術

中圖分類號：TS745 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0072-05

Research on Technological Process of Pre-dipping

Accelerator for Chemimechanical Pulp

JIAO Guodong LI Yuejin WAN Hong'an

（Henan Light Industry Scientific Research Institute Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： With wood chips of broad leaved wood poplar as raw material， poplar wood pulp was produced through chemi-mechanical pulping method. During the stage of pre-dipping， by Selectively using combinatorial biologic enzyme and chemical active agent， to change the structure of wood chips， making wood more loose and full softening， improving the ability of fiber swelling， decreasing the surface tension of liquid medicine， liquid medicine speed up infiltration and diffusion in the swelling fiber. Therefor， this research technology could speed up the infiltration rate of liquid medicine and improve reaction effect of raw material and liquid， and it could decrease the dosage of chemicals， electricity and wanter consumption are decreased， production efficiency are improved. This research also has other advantages of high yield， good quality and low cost.

Keywords： poplar wood chip；poplar chemimechanical pulp； pre-dipping accelerator；pre-dipping technology

國家發(fā)布的《造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》指出：“加快推進林紙一體化工程建設，大力發(fā)展木漿，鼓勵利用木材采伐剩余物、木材加工剩余物、進口木材和木片等生產(chǎn)木漿”，“造紙產(chǎn)業(yè)技術應向高水平、低消耗、少污染的方向發(fā)展。鼓勵發(fā)展應用高得率制漿技術，生物技術，低污染制漿技術，中濃技術，無元素氯或全無氯漂白技術，低能耗機械制漿技術，高效廢紙脫墨技術等以及相應的裝備?！盵1]化機漿是國家鼓勵的低消耗、少污染的高得率制漿技術。其采用化學預處理和機械磨解處理的制漿方法，先用化學藥品對纖維原料（闊葉木、針葉木和草類）進行輕度預處理（預蒸或預浸），除去原料中部分抽出物并軟化胞間層；再經(jīng)盤磨機處理，使纖維分離成漿，這種漿就是常說的化機漿。化機漿屬于高得率漿，產(chǎn)品得率為80%～90%，生產(chǎn)過程盡可能保留纖維、半纖維和木質(zhì)素。目前，化機漿有化學熱磨機械漿（CTMP）、堿性過氧化氫機械漿（APMP）、楊木漂白化學熱磨漿（BCTMP）和預處理加盤磨化學處理的堿性過氧化氫機械漿（P-RC APMP）等。以上這幾種是公認的高得率漿（HYP）[2]?；瘷C漿的生產(chǎn)，關鍵是化學品的用量、能耗及速度（即時間長短）。因此，開發(fā)化機漿預浸階段促進劑，促使藥液滲透，加快反應時間，提高反應效果、產(chǎn)品得率和質(zhì)量，減少能耗和降低各種污染物的產(chǎn)生，就成為創(chuàng)新研究的課題。

本項目以河南省豐富的楊木枝椏材及加工剩余物楊木木片為原料，在現(xiàn)有化機漿預浸生產(chǎn)的基礎上，研究開發(fā)生物酶和化學活性劑復合型預浸促進劑及其技術工藝。

1 研制過程

1.1 楊木片滲透性

取楊木枝椏材及加工剩余物楊木木片和商品木片，并用清水洗凈后烘干。各取3份100g的絕干木片，分別置于加有800mL清水的1 000mL燒杯中，并按木片重量3%（3g）加入燒堿，燒杯放入90℃水浴鍋中處理30min。處理完畢后，將木片置于40目網(wǎng)上濾水10min，測定木片殘堿，其結果見表1。

從表1可以看出，經(jīng)過處理后，新鮮楊木片殘堿明顯低于商品木片，可見，前者藥液滲透效果好于后者。而實際生產(chǎn)也表明，楊木商品木片原料常規(guī)預浸方法很難達到預期效果。主要原因如下：新鮮原料生物組織間溝通管道暢通，有利于實現(xiàn)預浸均勻；纖維束含量少，容易磨漿，成漿均一性好。而商品木片材種雜、材性差異大；一般為風干狀態(tài)，水分含量低（10%）；木片規(guī)格均一性較差等。因此，需要研發(fā)新型預浸促進劑，強化藥液對楊木商品木片的滲透性能，解決目前楊木商品木片預浸過程中存在的問題。

1.2 預浸促進劑選擇

目前，應用于制漿造紙行業(yè)且能滿足預浸功能要求的促進劑主要有兩種：一是高分子類化學表面活性劑；二是生物酶。主要預浸促進劑類型及功能見表2。

化機漿屬于高得率漿，生產(chǎn)過程盡可能保留纖維、半纖維和木質(zhì)素。因此，選擇的促進劑的主要功能是降解木質(zhì)素及碳水化合物而不是除去木質(zhì)素，溶解原料中果膠質(zhì)、雜多糖，達到改變木片結構、內(nèi)部形成空隙并充分軟化、提高纖維潤脹能力、促進藥液滲透的目的。此外，還要能降低藥液表面張力，加快抽出物的溶解與分散，促進藥液在原料纖維中滲透和擴散。促進劑在預浸過程中主要起到兩方面作用：一是改變原料內(nèi)部結構，改善組織性能及成分；二是降低藥液表面張力。對比初步選定的促進劑類型及預浸功能要求，生物酶類中的果膠酶和聚木糖酶主要能起到第一種作用，而化學活性劑類中的磺化琥珀酸鹽脂、烷基磺酸鈉、聚氧乙烯烷基醚和脂肪醇羥乙基磺酸鈉等主要能起到第二種作用[3，4]。

果膠酶是分解果膠質(zhì)的多種酶的復合酶系，主要由芽孢桿菌、曲霉產(chǎn)生。聚木糖酶是一組可將木聚糖降解為低聚糖和木糖的復合酶體系，主要由真菌和細菌微生物合成。果膠酶和聚木糖酶均能起到改變原料內(nèi)部結構和改善其性能的作用，但果膠酶的主要作用是水解并除去原料中果膠質(zhì)、雜多糖等雜質(zhì)；聚木糖酶的主要作用是軟化木質(zhì)素、切斷木質(zhì)素結合鍵，而不是除去原料中的木質(zhì)素，保證產(chǎn)品的高得率[5]?？紤]到兩者具有良好伍配性，為了充分發(fā)揮各自的特性，選擇組合使用果膠酶和聚木糖酶作為生物酶促進劑。

高分子類化學表面活性劑被廣泛應用于制漿造紙行業(yè)，如廢紙脫墨漿、化學漿、化機漿生產(chǎn)過程。針對化機漿，陰離子型烷基磺酸鈉和脂肪醇羥乙基磺酸鈉能溶解原料中的抽出物，保護碳水化合物不受或少受OH-的剝皮反應，而木素在活性因子的作用下參加水合反應而使整個木素軟化不降解，故漿的得率提高，漿的品質(zhì)得到了改善。而非離子型磺化琥珀酸鹽脂和聚氧乙烯烷基醚能改善液體性能，降低rL/G值使Q變小，增大原料潤濕性；加快抽出物的溶解與分散；提高藥液的耐堿性和耐高溫性，有效加快滲透及擴散過程，能達到軟化纖維原料、疏松纖維原料的目的。非離子和陰離子型表面活性劑具有良好的伍配性，組合使用兩類表面活性劑，可增加兩者活性，提高預浸效果[6]。

1.3 促進劑加入工藝點

考慮到P-RC、APMP或APMP的制漿方法采用兩段預浸工藝，本項目預浸促進劑加入點分別設在一段和二段螺旋擠壓出料口。一段同時加入果膠酶和聚木糖復合酶以及非離子型磺化琥珀酸鹽脂和陰離子型烷基磺酸鈉組合化學活性劑；二段同時加入非離子型聚氧乙烯烷基醚和陰離子型脂肪醇羥乙基磺酸鈉組合化學活性劑及化學藥品。CTMP制漿方法是在一段螺旋擠壓出料口加入果膠酶和聚木糖復合酶以及非離子型磺化琥珀酸鹽脂和陰離子型烷基磺酸鈉組合化學活性劑。

1.4 確定工藝參數(shù)

為獲得最佳工藝參數(shù)，本項目進行了商品楊木片藥液滲透擴散性能試驗。為保證果膠酶和聚木糖酶在一段預浸過程的最大活性，一段預浸反應溫度設定為55℃，二段預浸反應溫度按常規(guī)溫度（75℃）設定。在上述條件下，選用河南省某化機漿生產(chǎn)廠預汽蒸后楊木片（含水60%），以1%濃度的氫氧化鈉作為試驗藥液。在以上條件下進行一、二段藥液滲透擴散效果性能試驗，確定預浸時間。試驗過程及結果分別見表3和表4。

從表3和表4可以看出，隨著一、二段預浸時間增加，藥液滲透擴散性能逐步提高，當一、二段預浸時間分別達到45min和90min后，藥液滲透擴散性能提高程度趨緩。楊木化機漿（P-RC APMP或APMP）在實際應用或生產(chǎn)過程中，一段預浸之前的木片經(jīng)一段螺旋撕裂機沿縱向紋路方向壓裂成均勻的小木絲；而二段預浸之前的木片經(jīng)二段螺旋撕裂機處理后已成為粗漿。與試驗使用的木片比較，藥液滲透擴效果更為明顯?？紤]到要盡可能保證生產(chǎn)效率和原有生產(chǎn)工藝。初步確定一段和二段的預浸時間分別為45min和90min。

1.5 確定促進劑用量

預浸促進劑用量關系到本項目可能達到的技術效果及經(jīng)濟可行性和推廣應用的難易程度，需要從技術、經(jīng)濟、環(huán)境效果和可實施性等方面尋找最佳平衡效果。試驗數(shù)據(jù)如表5至表8所示。

表5至表8中，試樣0-1、0-2號為常規(guī)預浸（未使用促進劑）試驗數(shù)據(jù)，稱為對照組。氫氧化鈉、過氧化氫和硅酸鈉總用量相對風干漿用量分別為4.5%、5%、2.5%和5.5%、6%、3.0%；其他試樣均為使用預浸促進劑試驗數(shù)據(jù)，稱為實驗組。與對照組比較，實驗組減少了化學品總用量。試樣1-1、2-1和3-1氫氧化鈉、過氧化氫和硅酸鈉總用量分別為4.0%、4.5%和2.0%；試樣1-2、2-2和3-2氫氧化鈉、過氧化氫和硅酸鈉總用量分別為5.0%、5.5%和2.6%；預浸促進劑用量從1組到3組逐步提高。

試驗數(shù)據(jù)表明：常規(guī)P-RC APMP或APMP法制漿中，化學品用量與磨漿電耗、產(chǎn)品得率呈明顯負相關關系，與紙漿強度性能和白度呈明顯正相關關系。預浸促進劑的使用弱化了原有的相關關系。隨著促進劑用量增加，弱化趨勢更為明顯，但隨著促進劑用量持續(xù)增加，弱化趨緩甚至相反。

表中顯示，所有使用預浸促進劑的對應組對比對照組，隨著促進劑用量增加，化學品用量、磨漿電耗隨之減少，產(chǎn)品得率、白度和強度隨之增加；但對應組3-1、3-2數(shù)據(jù)表明，當促進劑總用量增加到2%以上時，盡管磨漿電耗明顯持續(xù)減少，但其他指標改善效果不明顯，甚至產(chǎn)品得率出現(xiàn)降低趨勢。另外，產(chǎn)品松厚度值隨著使用促進劑及其用量增加而減小，試驗對應組2-1數(shù)據(jù)中，當一段預浸組合酶用量為0.8%和化學活性劑用量0.1%、二段預浸活性劑用量0.1%時，化學品總用量為氫氧化鈉4.0%、、過氧化氫4.5%、硅酸鈉2.0%；與對照組0-1數(shù)據(jù)比較，化學品用量和磨漿電耗下降較為明顯，且產(chǎn)品得率、紙漿強度性能和白度均有所提高?？紤]到本項目經(jīng)濟可行性，初步確定采用對應組2-1促進劑用量。

2 生產(chǎn)工藝

2.1 工藝流程

經(jīng)凈化和預蒸后，木片經(jīng)螺旋輸送機送入一段螺旋擠壓預浸機，并加入配置好的復合預浸促進劑，加入促進劑后的木片絲進入一段反應倉進行預浸反應，按要求的溫度和時間反應完畢后，再經(jīng)螺旋輸送機送入第二段螺旋擠壓預浸機，并再次加入配置好的化學預浸促進劑，同時加入配置好的其他化學藥品，與促進劑和其他化學藥品混合后的粗漿進入二段反應倉進行預浸和滲透反應。按要求的溫度和時間反應完畢后，再經(jīng)螺旋輸送機送入高濃盤磨進行磨漿、漂白等后續(xù)制漿工序。工藝流程如圖1所示。

2.2 工藝技術條件及參數(shù)

①原料：外購合格楊木商品木片（長×寬×厚）（45～50）mm×（30～35）mm×（5～8）mm。②預汽蒸后木片溫度≤60℃。③一、二段螺旋擠壓壓縮比為1∶4。④一段反應倉：反應時間30min，溫度50～55℃，終了pH值8～9。⑤二段反應倉：反應時間90min，溫度60～75℃，終了pH值8～9。⑥一段預浸復合促進劑。組合生物酶：堿性木聚糖和堿性果膠酶比例1∶1，用量0.8%；組合活性劑：非離子磺化琥珀酸鹽脂和陰離子烷基磺酸鈉比例1∶1，用量0.1%。⑦二段預浸化學促進劑。組合活性劑：非離子聚氧乙烯烷基醚和陰離子脂肪醇羥乙基磺酸鈉比例1∶1，用量0.1%。⑧主要化學品用量。二段預浸：NaOH用量為2.3%，H2O2用量為1.8%，Na2Si3用量為0.5%；高濃磨漿：NaOH用量為1.7%，H2O2用量為2.7%，Na2Si3用量為1.5%。⑨高濃廢水。一段擠壓：廢水產(chǎn)生量1.05m3/t漿，COD產(chǎn)生濃度10 000mg/L；二段擠壓：廢水產(chǎn)生量1.15m3/t漿，COD產(chǎn)生濃度11 000mg/L。

3 產(chǎn)品指標

采用本技術生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過河南省造紙?zhí)沾僧a(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測，所有性能指標均滿足河南省地方標準《APMP楊木化機漿質(zhì)量規(guī)范》（DB 41/T564—2009）A級標準要求。產(chǎn)品性能指標見表9。

4 結論

①本項目針對化機漿生產(chǎn)中商品木片預浸效果不佳的現(xiàn)狀，研制新型復合型預浸促進劑，在不改變現(xiàn)有設備的基礎上，提高了預浸效果。

②該技術在化機漿生產(chǎn)的預浸階段使用生物酶和化學活性劑復合型預浸促進劑，加快了藥液在原料纖維中滲透、擴散的速度，并提高了原料與藥液的反應效果，提高了生產(chǎn)效率，降低了化學品用量能耗，提高了產(chǎn)品得率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少了污染物的產(chǎn)生。

③采用該技術生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)檢測表明，機械強度好、透明度低、松厚度高、質(zhì)量穩(wěn)定。本項目具有良好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。

參考文獻：

[1]《造紙信息》記者.國家發(fā)展和改革委員會召開《造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》發(fā)布暨宣貫會議頒布實施我國首部造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策[J].造紙信息，2007（11）：4.

[2]劉建華，廖國良，張金聲.滲透軟化劑在化機漿生產(chǎn)中的應用與研究[J].華東紙業(yè)，2013（6）：50-55.

[3]林友鋒，房桂干，楊淑蕙，等.制漿過程中木片浸漬機理及改善措施[J].中國造紙，2007（2）：50-55.

[4]汪兵，劉葦，侯慶喜.楊木化機漿的纖維特性對其酶水解影響的研究[C]//中國造紙學會會議論文集.西安：中國造紙學會，2016.

[5]白延坤，秉鉞，何連芳.果膠酶及其在制漿造紙上的應用[J].中國造紙學報，2006（2）：88-91.

[6]張光華，顧玲.高分子表面活性劑的特性及其在造紙工業(yè)中的應用[J].日用化學工業(yè)，2003（1）：25-28.