CN101781862B

CN101781862B - 一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺

Info

Publication number: CN101781862B
Application number: CN2009102273765A
Authority: CN
Inventors: 刘洁; 翟华敏; 孙剑辉
Original assignee: 刘洁
Current assignee: Fujian Qingshan Paper Limited by Share Ltd
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: CN101781862A

Abstract

一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺，涉及造纸制浆技术领域，包括：原料加水形成浓度为3％-30％的原料液，加入原料液重量0.1％-1.0％的超声波辅助增强添加剂；再加热原料液至50℃-180℃后，开启超声发生器，超声波功率是0.25-1千瓦/立方料，频率是15-80kHz，超声波间歇作用于原料液，反应1-5小时。原料在超声波作用下纤维和木质素发生分离并形成漂白浆料；放浆后再进行筛选、净化和溶剂提取等工序。本发明具有以下有益效果：制浆与漂白同步进行；设备数量和能源用量大为减少，投资省，生产成本低；纸浆得率和漂白效率高，产品质量好；洗浆工段少，用水量少；废水排放量少，化学需氧量(COD)和色度低，不含持久性有毒污染物AOX等，污染负荷小，对环境友好。

Description

一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺

技术领域：

本发明涉及造纸制浆技术领域，进一步是利用超声波技术制浆漂白，尤其是利用超声波技术，将麦草、稻草、芦苇、蔗糖渣、玉米秸秆、竹子、棉短绒等非木材原料制成漂白纸浆的方法。

背景技术：

在我国，采用利用麦子秸秆、稻子秸秆及其它禾草造纸，仍然在造纸领域占有重要的位置，这有利于充分利用秸秆资源，同时也有利于增加农民收入。目前的以秸秆为原料的传统的烧碱法或硫酸盐法制浆的工艺路线由备料、蒸煮、洗浆、漂白、洗浆工段组成。即：由禾草经过一系列备料工序后装入蒸器内，加入碱性药物和其他一些助剂，在高温高压下经长时间反应，再高压喷放生产出低浆，进入下一工序漂白，最终生产出白色纸浆。

该工艺路线存在的问题是：1、蒸煮阶段需加入大量的化学药剂进行高温蒸煮。漂白纸浆得率30-40％，意味着每吨原料要有600-700kg有机物进入蒸煮废液。此废液成分复杂，耗氧量高，碱度大；2、采用麦草时硅化物含量高，碱回收时设备结垢影响正常运转；3、洗浆工段用水量大，排放量大，其化学需氧量(COD)高达10万mg/l；4、漂白工段多采用液氯漂白，废水中含有较多的有机氯，对环境和人体危害很大；5、整套工艺资源消耗较高，污染防治任务艰巨。传统的工艺技术的高消耗、重污染成为造纸工业可持续发展的瓶颈。随着国家环保力度的加大，一些以麦草为原料的中小造纸企业纷纷停产。

为改善传统工艺的弊端，业内人士进行了积极有益的探索，利用超声波技术改良传统造纸工艺就是其中的一例：

申请号为95193438.4名称为“超声波在造纸中的应用”的专利申请，在纸料中、机器部件上、清洗槽和涂膜槽内用在外部安装的超声振子或在内部起作用的浸入式超声单元加进频率为15-60kHz的超声能。其主要目的是：用以防止产生纤维絮凝块、分散已形成的纤维絮凝块；增进原纤化、改善存留量和有两组份的化学品的出产量；防止在白水循环路线上的机器部件和其它部件上形成微生物或其它类型的积累层、防止金属丝网和压毡堵塞、防止涂膜台或涂膜机内发生絮凝作用；其其方法是对传统造纸工序的改善，并没有革命性的进展。

2005年第4期《黑龙江造纸》发表了“超声波技术在制浆造纸中的应用”的论文，该文指出了通过超声波进行：废纸脱墨、超声波防除积垢、黑液降黏、中段废水脱色、清洗等。其方法是对碱法造纸的改进，没有革命性的进展，且处理方案不涉及制浆，无具体方案，因而不具备可操作性。

到目前为止，超声处理大多还处于实验室的部分、间歇处理阶段，存在着成本相对偏高，处理量小的问题。尚未见到超声波技术在造纸工业化连续生产中的应用的报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺，它可充分利用超声波技术，将草类原料及非木材料原料制成漂白纸浆，使超声波造纸实现工业化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于包括以下步骤：备料、反应、放浆，备料指将经传统方法或其它方法处理合格非木材物质原料(麦草、稻草等)置于超声波反应釜内；所述的反应在反应釜内进行，先将原料加水，形成浓度为3％-30％的原料液，按原料液重量0.1％-1.0％的比例加入超声波辅助增强添加剂；该添加剂既能润张纤维原料，又能在超声的作用下产生绿色漂基；再加热原料液，加热可采用反应釜夹套油加热装置进行，当原料液的温度升至50℃-180℃后，开启超声发生器，超声波的功率是0.25-1千瓦/立方料，频率是15-80KHZ，超声波间歇作用于原料液，反应1-5小时。原料在超声波作用下纤维和木质素发生分离并形成漂白浆料，利用反应釜中压力打开喷放阀门，使浆料迅速成浆；这样，实现漂白与制浆同步进行。其中，所述的超声波辅助增强添加剂可以是下列之一种或几种混合：聚氧化乙烯[(Polyethylene oxide)分子式：H-(-OCH₂CH₂-)n-OH]；聚丙烯酰胺[(Polyacrylamide)分子式C₃H₅NO]二甲基亚砜[(Dimethyl sulfoxide)分子式C₂H₆OS]；乙二胺四乙酸[(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid)分子式：C₁₀H₁₆N₂O₈]；六偏磷酸钠[(Sodium Hexametaphosphate)分子式：(NaPO₃)₆]。

所述的超声波间歇作用指开3-10分钟、停30-90分钟，循环进行。

本发明可通过以下方案进一步实现：

所述的非木材物质指麦草、稻草、芦苇、蔗糖渣、玉米秸秆、竹子、棉短绒等；其中草类物质指麦草、稻草、芦苇。

2种混合时，可以是下列之一种：按重量比，二甲基亚砜∶聚氧化乙烯＝1∶1-15的混合物；按重量比，乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶聚丙烯酰胺＝1∶1-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸＝1∶1-10的混合物；按重量比，六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸＝1∶1-6的混合物。

3种混合时，可以是下列之一种：按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸∶聚氧化乙烯＝1∶1-10∶2-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶六偏磷酸钠∶聚丙烯酰胺＝1∶1-10∶2-15的混合物；按重量比，六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5∶2-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5∶2-15的混合物。

4种混合时，可以是下列之一种：按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸∶聚氧化乙烯∶聚丙烯酰胺＝1∶1-10∶1-15∶1-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5∶1-10∶1-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸∶聚氧化乙烯＝1∶1-5∶1-10∶1-15的混合物。

也可以采用其它组合。

超声发生器放置于反应釜内，反应釜包括有釜体和支架，釜体经转轴装在支架上，釜体一端转轴上装有蜗轮，蜗轮同减速机的蜗杆相啮合，减速机经皮带同电动机相连，釜体另一端转轴为空心转轴，靠空心转轴一侧的釜体内壁上装有超声反应器，釜体内下部有同空心转轴连通的出料管，釜体上部有装料口。

在放浆后再进行筛选、净化和溶剂(指超声波辅助增强添加剂反应后的产物)提取过程，溶剂提取指先进行挤浆，经去杂后再进行清洗，沉淀，经过滤后回收溶剂。经挤浆机将浆料中的水分和溶出物挤出，再对浆料进行清洗；经高浓磨浆机对浆料进行精磨，再经筛选系统把没有离解的原料(如草节)除去，经清洗机对浆料清洗，洗后的浆入贮浆池贮存，再泵送至双网挤浆机脱水至30-35％干度，同时回收溶剂，纸浆待售。

其中，所述的筛选可以由下述设备完成：池体内底部有沉降槽，沉降槽上面有带透水孔的固定透水板，固定透水板上面装有防水超声波换能器，超声波的功率和频率同前，防水超声波换能器上置有带透水孔的振动筛板，振动筛板上部有储料室。

所述的净化可以由下述设备完成：支架上部两边上下对称装有两转动轴，每转动轴两端上对应装有转动轮，转动轮上装有水平传送带，上部水平传送带的内下面在支架上装有超声清洗器，超声波的功率和频率同前，水平传送带间在支架上横向装有接水盘，水平传送带两端分别有进料口和出料口。

本发明的机理：超声波在传播的过程中会引起与原料及介质的相互作用而产生机械效应、热效应和空化(空穴)效应。其中空化效应是声化学的应用理论基础，也最为重要。空化效应由成核、微泡生长、空穴塌陷三步组成。在反应体系中，液体内存在张力弱区，即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体作为气核，在超声波作用下，气核膨胀长大，并为周围的液体蒸汽或气体充满，由于内外压力悬殊使空穴塌陷、破裂，把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来，使介质局部形成5000K以上的高温和5×10⁵Pa大气压的高压环境，并产生出很大的冲击力，起到激烈搅拌的作用，同时生成大量微泡。它们又作为新的气核，使该循环继续下去。

本发明充分利用超声波作用于草料及不含氯元素的超声波辅助增强添加剂上产生的空化效应，在空化泡破裂时，极短时间在空化泡周围的极小空间内产生高压和高温，并伴生强烈的冲击波；由于能量的释放，使局部的电子能级发生变化，造成空穴界面处或泡内电子能级的跃迁，降低了化学反应的活化能，使得草料片产生纵向分裂、纤维分离、木素碎片化而形成纸浆；同时可使纤维产生维隙，比表面积增大，反应活性中心增多，可利用超声形成的绿色漂基(羟基自由基·OH)，脱除纸浆中的发色基团。

本发明产生的有益效果是：1、漂白与制浆同步进行，将传统的漂前和漂后两段洗涤为一段洗涤，简化了工艺流程。2、设备数量和能源用量大为减少，投资省，生产成本低。3、漂白效率高，产品质量好。经检测，超声无氯麦草浆各项物理指标均高于烧碱蒽醌法麦草浆，其中，抗张指数、撕裂指数、耐破指数都有明显的提高，白度提高15个百分点以上，尤其是耐折度是后者的50倍以上。4、有较高的制浆得率，超声无氯麦草浆较烧碱蒽醌法麦草浆提高得率30％以上，一般可达到60-70％。5、洗浆工段少，用水量少，废水排放量少，吨浆用水量减少20％以上，吨浆废水排放量小于80立方米。6、化学需氧量(COD)和色度低，不含持久性有毒污染物AOX(可吸附有机卤化物)等，污染负荷小，对环境友好。COD浓度不足烧碱蒽醌法麦草浆浓度的1/10，BOD浓度不足烧碱蒽醌法麦草浆浓度的1/20，制浆废水污染负荷大幅度下降，较易处理至达标排放，且处理后的废水可全部会用于生产系统中。7、运用范围广，可运用于麦草、稻草、芦苇、蔗糖渣、玉米秸秆、竹子、棉短绒等非木材原料，特别是草类原料。

具体实施方式：

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

将由备料车间处理合格麦草置于车间的超声波反应釜内，加水形成草料浓度为10％-25％的原料液；向反应釜内加入原料液重量0.1％-1.0％的超声波辅助增强添加剂，超声波辅助增强添加剂为乙二胺四乙酸，开启反应釜夹套油加热装置，当草料的温度升至70℃-160℃后开启超声发生器，超声波的功率是0.35-0.85千瓦/立方料，频率是15-80KHZ，超声波间歇作用于麦草，反应2-4.5小时；草料在超声波作用下纤维和木质素发生分离，利用反应釜中压力打开喷放阀门，使浆料迅速成浆；之后，经挤浆机将浆料中的水分和溶出物挤出，再对浆料进行清洗；经高浓磨浆机对浆料进行精磨，再经筛选系统把没有离解的草节和草料除去，经清洗机对浆料清洗，洗后的浆入贮浆池贮存，再泵送至双网挤浆机脱水至30-35％干度，同时回收溶剂(指超声波辅助增强添加剂反应后的产物)，纸浆待售。

实施例2：

将由备料车间处理合格的稻草置于车间的超声波反应釜内，加水形成草料浓度为15％-20％的原料液；向反应釜内加入原料液重量0.1％-1.0％的超声波辅助增强添加剂，超声波辅助增强添加剂由二甲基亚砜与聚氧化乙烯按重量比1∶3-10的比例混合而成，开启反应釜夹套油加热装置，当草料的温度升至90℃-140℃后开启超声发生器，超声波的功率是0.45-0.75千瓦/立方料，频率是15-80KHZ，超声波间歇作用于麦草，反应2.5-4小时；草料在超声波作用下纤维和木质素发生分离，利用反应釜中压力打开喷放阀门，使浆料迅速成浆；之后，经挤浆机将浆料中的水分和溶出物挤出，再对浆料进行清洗；经高浓磨浆机对浆料进行精磨，再经筛选系统把没有离解的草节和草料除去，经清洗机对浆料清洗，洗后的浆入贮浆池贮存，再泵送至双网挤浆机脱水至30-35％干度，同时回收溶剂(指超声波辅助增强添加剂反应后的产物)，纸浆待售。

超声波辅助增强添加剂既能润张纤维原料，又能在超声波的作用下产生绿色漂基，超声波辅助增强添加剂与超声波相辅相成，共同促进，完成对原料制浆与漂白。超声波辅助增强添加剂一般选用聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、二甲基亚砜、乙二胺四乙酸、六偏磷酸钠之一种或几种混合，混合时，可以是本发明已列举的几种，也可以是本领域技术人员可以想到的其它组合，还可以是本领域技术人员可以想到的其它类似物质的组合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于包括以下步骤：备料、反应、放浆，所述的反应在反应釜内进行，先将非木材原料加水，形成浓度为3％-30％的原料液，按原料液重量0.1％-1.0％的比例加入超声波辅助增强添加剂；再加热原料液，当原料液的温度升至50℃-180℃后，开启超声发生器，超声波的功率是0.25-1千瓦/立方料，频率是15-80KHZ，超声波间歇作用于原料液，反应1-5小时；所述的超声波辅助增强添加剂是下列之1种，或2种或3种或4种或5种混合：聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、二甲基亚砜、乙二胺四乙酸、六偏磷酸钠；所述的超声波间歇作用指开3-10分钟、停30-90分钟，循环进行。

2.根据权利要求1所述的一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：所述的非木材原料为草类物质。

3.根据权利要求1所述的利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：2种混合时，是下列之一种：按重量比，二甲基亚砜∶聚氧化乙烯＝1∶1-15的混合物；按重量比，乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶聚丙烯酰胺＝1∶1-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸＝1∶1-10的混合物；按重量比，六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸＝1∶1-6的混合物；

3种混合时，是下列之一种：按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸∶聚氧化乙烯＝1∶1-10∶2-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶六偏磷酸钠∶聚丙烯酰胺＝1∶1-10∶2-15的混合物；按重量比，六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5∶2-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5∶2-15的混合物；

4种混合时，是下列之一种：按重量比，二甲基亚砜∶乙二胺四乙酸∶聚氧化乙烯∶聚丙烯酰胺＝1∶1-10∶1-15∶1-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸∶聚丙烯酰胺＝1∶1-5∶1-10∶1-15的混合物；按重量比，二甲基亚砜∶六偏磷酸钠∶乙二胺四乙酸∶聚氧化乙烯＝1∶1-5∶1-10∶1-15的混合物。

4.根据权利要求1所述的利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：超声发生器放置于反应釜内，反应釜包括有釜体和支架，釜体经转轴装在支架上，釜体一端转轴上装有蜗轮，蜗轮同减速机的蜗杆相啮合，减速机经皮带同电动机相连，釜体另一端转轴为空心转轴，靠空心转轴一侧的釜体内壁上装有超声反应器，釜体内下部有同空心转轴连通的出料管，釜体上部有装料口。

5.根据权利要求1所述的利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：在放浆后再进行筛选、净化和溶剂提取过程，溶剂提取指先进行挤浆，经去杂后再进行清洗，沉淀，经过滤后回收溶剂。

6.根据权利要求5所述的利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：所述的筛选是由下述设备完成的：池体内底部有沉降槽，沉降槽上面有带透水孔的固定透水板，固定透水板上面装有防水超声波换能器，防水超声波换能器上置有带透水孔的振动筛板，振动筛板上部有储料室。

7.根据权利要求5所述的利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：所述的净化是由下述设备完成的：支架上部两边上下对称装有两转动轴，每转动轴两端上对应装有转动轮，转动轮上装有水平传送带，上部水平传送带的内下面在支架上装有超声清洗器，水平传送带间在支架上横向装有接水盘，水平传送带两端分别有进料口和出料口。

8.根据权利要求2所述的一种利用超声波制浆-漂白一体化工艺，其特征在于：草类物质指麦草、稻草、芦苇之一种。