CN102140173A

CN102140173A - 一种利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法

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Publication number: CN102140173A
Application number: CN2010106095149A
Authority: CN
Inventors: 娄卫东; 李侠; 殷江; 周俊英; 杨碧涵
Original assignee: Tianhong Paper Co Ltd Xinjiang
Current assignee: Tianhong Paper Co Ltd Xinjiang
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN102140173B

Abstract

一种利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，属于混凝土外加剂制备领域，将芦苇采用碱性亚硫酸钠法蒸煮，蒸煮液中包含亚硫酸盐离子SO₃ ² ^-和氢氧离子OH^-，控制pH值≥10，按照蒸煮曲线进行蒸煮，得所需亚硫酸钠芦苇制浆黑液；再将亚硫酸钠芦苇制浆黑液提取、蒸发浓缩、喷雾干燥即得木质素磺酸钠；本发明提供了一种工艺简单、成本低廉、能避免二次污染的用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法。

Description

一种利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法

技术领域

本发明涉及一种木质素磺酸钠的制备方法，属于混凝土外加剂的制备领域。

背景技术

作为地球上最丰富的可再生资源之一，木质素广泛存在于种子植物中，与纤维素和半纤维素构成植物的基本骨架。木质素在自然界中存在的数量非常庞大，估计每年全世界由植物生长可产生1500亿吨木质素，其中制浆造纸工业的蒸煮废液中产生的工业木质素有3000万吨。人类利用纤维素已有几千年的历史，而真正开始研究木质素则是1930年以后的事了，而且仅限于亚硫酸盐法制浆废液，其主要用在混凝土外加剂领域。1935年美国Seripture等研制出一种以木质素磺酸盐为主要成分的减水剂来改善混凝土的和易性，并提高混凝土的强度和耐久性。日本于20世纪50年代引进美国技术，生产了以Pozzlith为代表的混凝土减水剂，进而极大推动了亚硫酸盐法制浆废液和木质素磺酸盐的开发和应用。我国也于20世纪50年代开始研究亚硫酸盐法制浆废液，70年代开始对开山屯化学纤维浆厂的酸法制浆废液进行了在混凝土方面的应用和理论研究，并在全国进行大规模的推广应用。目前，我国的制浆造纸工业以碱法和硫酸盐法制浆为主，有些大型的制浆造纸企业可以通过碱回收技术将制浆黑液燃烧后回收碱液来消除制浆黑液的污染，但是该方法会造成木质素资源的巨大浪费。而中小型制浆造纸厂则将制浆黑液直接排放，进而造成严重的环境污染。因此木质素至今还没有得到很好的利用，我国仅约6％的木质素得到利用。如何有效的利用好木质素这种可再生资源，提高其附加值，并解决环境污染问题已成为各位科研工作者研究的出发点。

混凝土技术的发展极大推动了混凝土外加剂的发展，因为外加剂在混凝土中的应用，对提高混凝土地强度、和易性、耐久性以及降低生产成本产生了十分明显的作用，已成为现代混凝土必不可少的组分之一，而减水剂是应用面最广、使用量最大的一种外加剂，其中木质素磺酸盐又是使用最普遍的高效减水剂之一。因此将制浆黑液制成木质素磺酸盐，并将其用作混凝土减水剂仍是今后研究的热点之一。

目前，国内外已得到利用的木质素多数是木质素的磺酸盐形式，因此，制浆黑液中的木质素要得以利用作为混凝土减水剂，则必须要对其进行磺化等化学改性。在木质素的磺化研究方面，国内外已有相关的文献报道。美国Dilling Peter先将木质素羟基钠甲基化，然后利用SO2磺化制备出低含盐量的木质素磺酸钠，他还利用浓硫酸磺化木质素以制取水溶性的木质素磺酸盐。此外，他还以木质素为原料，将浓硫酸与30％SO3混合物作为磺化剂来制备水溶性的木质素磺酸盐。芬兰的Forss Bengt利用超滤技术将亚硫酸钠法制浆的蒸煮黑液分级后，用作混凝土外加剂。日本的Ishitoku Hideaki等将制浆黑液酸化、沉淀分离出木质素后，以甲醛为交联剂，以Na2SO3为磺化剂来制备木质素磺酸钠。我国的科研工作者在木质素的磺化方面也做了一些研究，杨问波等利用造纸制浆反应设备，加入氢氧化钠、亚硫酸钠、甲醛、蒽醌以及硫化钠等改性剂制得液体或固体混凝土减水剂。穆环珍等取云南省新平造纸厂碱法蔗渣制浆黑液回收的木质素，加入氢氧化钠溶液使之溶解，再加入亚硫酸钠磺化剂，并用FeCl3或CuSO4作催化剂制备磺化木质素产品。喻真英利用酸化法从湘潭县造纸厂制浆造纸黑液中回收木质素后，以亚硫酸钠为在高温高压下制取木质素磺酸钠溶液。目前，木质素的磺化改性存在以下几个问题：(1)采用一般的高温磺化法，即将木质素与亚硫酸钠在150℃～200℃的条件下反应，这种方式因条件苛刻，对工业化应用难度较大。(2)若采用浓硫酸或发烟硫酸在低温下磺化，磺化产品的得率会受影响，而且工艺条件苛刻，也不利于产业化。(3)在氧化剂的作用下，以亚硫酸钠为磺化剂，在低温下进行碱木质素的自由基磺化反应，工艺简单可行，但在实际的制浆黑液中因其成分复杂，磺化效率不会令人满意。中国知识产权局于2005年12月7号公开发明专利，专利申请号200410044834.9，公开号CN1704372，本发明公开了一种利用制浆黑液制备木质素磺酸钠减水剂的方法，其制备工艺步骤如下：用浓缩器将制浆稀黑液浓缩至固含量为30～60％的浓黑液后，将浓黑液泵送入反应器中，加入酸性调节剂将反应体系的PH值调至10.5～13.5，然后加入质量分数为0.05～2.5％的催化剂和1.5～20.0％磺化剂，在80～120℃的反应温度下反应1～6h后，加入计算量的添加剂，反应0.5～3.0h后降温出料，产品为棕褐色液体，通过喷雾干燥后即得固体粉剂，产品的性能指标符合GB8076～1997标准中缓凝减水剂的一等品性能指标，而且，本发明产品的整个生产过程无“三废”排放，并解决了制浆造纸厂的黑液污染问题，因此本制备工艺是一个清洁化、环境友好工艺；但是本发明存在一下问题：1. 先进行木素的纯化过程，再进行改性，工艺流程长，设备复杂，成本高。2.黑夜浓缩设备需大量投资，一万吨规模计，浓缩装置为500～600万元，成本比较高。3.杂质含量高，需加入糖液调节性能，需加入无机酸或有机酸调节酸碱度，容易产生二次污染，且工艺步骤比较复杂。

因此，寻找一种有效的生产木质素磺酸盐的方法是制浆黑液得以充分利用并解决环境污染的关键所在。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的工艺复杂、成本高、容易产生二次污染的问题，提供了一种工艺简单、成本低廉、能避免二次污染的用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，将亚硫酸钠芦苇制浆黑液提取、蒸发浓缩、喷雾干燥即得木质素磺酸钠；所述亚硫酸钠芦苇制浆黑液的制备方法是：

将芦苇采用碱性亚硫酸钠法蒸煮，蒸煮液中包含亚硫酸盐离子SO₃ ^2～和氢氧离子OH^～，控制PH值≥10，得所需亚硫酸钠芦苇制浆黑液；

蒸煮方法如下：

在90min～120min时间内逐步升温，至规定压力0.70±0.02mpa后，维持压力不变，保温60min～130min；蒸煮完成后，在5min～15min时间内喷放料。

具体的蒸煮方法是：

（1）装锅完毕后，检查蒸球是否盖好，排水阀门是否关闭；

（2）开始运转蒸球，并打开通汽阀门开始升温；

（3）按蒸煮曲线，在90min～120min时间内逐步升温，至规定压力（0.70±0.02mpa）后，调节蒸汽阀门使压力保持不变，保温60min～130min；

（4）蒸煮完成后，打开放料阀门，在5min～15min时间内喷放，浆料被放至喷放仓。

进一步地，采用碱性亚硫酸钠法蒸煮时，芦苇kg：蒸煮液m³的重量体积比是300～400:1；所述芦苇含水分≦20%。

每100ml蒸煮液包括如下重量的组分：

氢氧化钠：3.6～4.7g；亚硫酸钠：14.4～18.8g；

固体蒽醌，占绝干芦苇重量的百分比为：0.05～0.10%；或液体蒽醌，占绝干芦苇重量的百分比为：0.07～0.15%；

其余组分为水。

提取亚硫酸钠芦苇制浆黑液的方法是：粗浆通过4+1段鼓式真空洗浆机逆流洗涤和封闭筛选，将料、液分离，黑液的提取率可达90%以上，黑液提取浓度在10%左右。

蒸发浓缩所提取的亚硫酸钠芦苇制浆黑液时，采用六体五效高效节能卧式喷淋薄膜蒸发器，黑液浓度达到35～40%。

1.本发明是在制浆蒸煮的过程中就对黑液进行改性，直接对提取的黑液进行蒸发干燥，不仅省去了繁琐的黑液变性过程，比用烧碱法黑液加亚硫酸钠进行改性处理每吨节省200元的药品费用；而且还节省黑液改性所用储存塔设备；黑液直接蒸发干燥，节省时间（药液改性需要时间为3小时），整个生产过程无“三废”(废气、废水、废渣)排放，并解决了制浆造纸厂的黑液污染问题，因此本制备工艺是一个清洁化、环境友好工艺。

2.本发明通过采用碱性亚硫酸钠蒸煮工艺，结合原料芦苇与其它原料性质不同的特点，即能得到生产木质素磺酸钠产品需要的芦苇制浆黑液，又满足了芦苇纸浆的质量要求。

3. 黑液的提取采用了一套鼓式真空洗浆机系统，黑浆通过4+1段鼓式真空洗浆机逆流洗涤和封闭筛选，将料、液分离，黑液的提取率可达到90%以上，黑液提取浓度在10%左右。在提取制浆黑液的同时，通过逆流洗涤大大降低了制浆洗浆用水量，据统计与采用水平带式洗浆机工艺相比，吨浆用水量由原来的100立方米降至50立方米，节省了一半的用水量；黑液提取率提高，减轻了中断水的处理负荷，黑液浓度的提高，减少蒸发工段的蒸汽用量。

4.本发明的生产工艺简单，生产原料易得，生产周期短，反应温和，所需设备为常规设备，便于现有制浆造纸厂生产。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明碱性亚硫酸钠蒸煮流程方框图；

图2是本发明黑液提取流程示意；

图3是本发明黑液蒸发流程示意图；

图4是本发明喷雾干燥流程示意图；

图5是本发明碱性亚硫酸钠蒸煮曲线。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图5所示，本发明包括以下步骤：

1.碱性亚硫酸钠蒸煮：将液体亚硫酸钠及液体氢氧化钠配成蒸煮液通过三级预浸加入到原料芦苇中，由螺旋预浸器输送至蒸球，按照图5的蒸煮曲线进行蒸煮，经蒸煮后的浆料的粗浆硬度达10～14；

2. 黑液的提取：将粗浆用泵送至4+1段鼓式真空洗浆机，在温度45℃～50℃下进行逆流洗涤和封闭筛选，将料、液分离，黑液提取率达到90%以上，黑液提取浓度在10%左右；

3. 黑液的蒸发：采用六体五效高效节能卧式喷淋薄膜蒸发器，浓缩黑液温度在90℃，蒸发水量为25T/H，蒸发强度18kg/m2h，耗汽量为6.14T/h，黑液浓度达到35～40%；

4. 喷雾干燥：将料液用泵送至离心喷雾干燥塔顶部转速高达12000转/分钟的高速离心雾化器，使料液被喷雾成极小的雾状液滴，与通过热风分散器进入干燥室的热空气接触，温度达360～380℃，使料液在极短的时间内干燥成品，成品含水率为2%～3％。

实施例1.

一种用亚硫酸钠法制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，依次采用步骤：

1.芦苇碱性亚硫酸钠蒸煮：

将浓度为398g/l的氢氧化钠 0.59m³和浓度为210g/l的亚硫酸钠4.5 m³加入配碱槽中，按照液比1：3.0加入水量11.33 m³配成蒸煮液，并加入液体蒽醌助剂5.90m³，加热使配碱温度达到80℃。将7200kg水分为18%的芦苇经皮带运输机输送至切草机切片，苇片送至三级预浸器与配好的蒸煮液均匀混合，通过螺旋输送器装入蒸球内，按照图5的蒸煮曲线，升温1个半小时至压力为0.7Mpa，保温1个小时40分钟后喷放至喷放仓。粗浆硬度测量为12.8。

2.黑液的提取工段：

喷放仓的粗浆经泵送至4+1段鼓式真空洗浆机，进行逆流洗涤和封闭筛选，洗涤温度为45℃～50℃，浆料、黑液分离，生产浆料2538Kg送至贮浆池，生产黑液23868Kg送至黑液槽，黑液的提取率为90%，黑液提取浓度为10%。

3.黑液的蒸发工段：采用六体五效高效节能卧式喷淋薄膜蒸发器，在蒸发连续运行不停产状况下同时进行洗涤、除垢和消泡操作，苇浆废液的蒸发强度平均达到18～25Kg/m³。黑液经过蒸发工段后，黑液浓度可达到35%。

4.喷雾干燥工段：料液送到离心喷雾干燥器，通过干燥室顶部转速为12000转/分钟的离心喷雾干燥器，将料液被喷雾成极小的雾状液滴，使料液在温度为360～380℃的干燥塔与热空气接触，水份蒸发，干燥成品。制得木质素磺酸钠2386Kg。

本批次木质素磺酸钠质量检测性能指标如下：

本批次木质素磺酸钠作为混凝土引气减水剂质量检测的性能指标如下：

实施例2.

1.芦苇亚钠蒸煮：

将浓度为400g/l的氢氧化钠 0.6m³和浓度为200g/l的亚硫酸钠4.75 m³加入配碱槽中，按照液比1：3.0加入水量10.45 m³配成蒸煮液，并加入液体蒽醌助剂5.95 m³，加热使配碱温度达到80℃。将7000kg水分为15%的芦苇经皮带运输机输送至切草机切片，苇片送至三级预浸器与配好的蒸煮液均匀混合，通过螺旋输送器装入蒸球内，按照图5的蒸煮曲线，升温1个半小时至压力为0.7Mpa，保温1个小时40分钟后喷放至喷放仓。粗浆硬度测量为13.2。

2.黑液的提取工段：

喷放仓的粗浆经泵送至4+1段鼓式真空洗浆机，进行逆流洗涤和封闭筛选，洗涤温度为45℃～50℃，浆料、黑液分离，生产浆料2678Kg送至贮浆池，生产黑液25673Kg送至黑液槽，黑液的提取率为90%，黑液提取浓度为10%。

3.黑液的蒸发工段：采用六体五效高效节能卧式喷淋薄膜蒸发器，在蒸发连续运行不停产状况下同时进行洗涤、除垢和消泡操作，苇浆废液的蒸发强度平均达到18～25Kg/m³。黑液经过蒸发工段后，黑液浓度可达到38%。

4.喷雾干燥工段：料液送到离心喷雾干燥器，通过干燥室顶部转速为12000转/分钟的离心喷雾干燥器，将料液被喷雾成极小的雾状液滴，使料液在温度为360～380℃的干燥塔与热空气接触，水份蒸发，干燥成品。制得木质素磺酸钠2567Kg。

本批次木质素磺酸钠质量检测性能指标如下：

实施例3.

1.芦苇亚钠蒸煮：

将浓度为405g/l的氢氧化钠 0.56m³和浓度为198g/l的亚硫酸钠4.61 m³加入配碱槽中，按照液比1：3.0加入水量10.88 m³配成蒸煮液，并加入固体蒽醌助剂2.86kg，加热使配碱温度达到80℃。将6800kg水分为16%的芦苇经皮带运输机输送至切草机切片，苇片送至三级预浸器与配好的蒸煮液均匀混合，通过螺旋输送器装入蒸球内，按照图5的蒸煮曲线，升温1个半小时至压力为0.7Mpa，保温1个小时40分钟后喷放至喷放仓。粗浆硬度测量为11.6。

2.黑液的提取工段：

喷放仓的粗浆经泵送至4+1段鼓式真空洗浆机，进行逆流洗涤和封闭筛选，洗涤温度为45℃～50℃，浆料、黑液分离，生产浆料2399Kg送至贮浆池，生产黑液23746Kg送至黑液槽，黑液的提取率为91%，黑液提取浓度为10%。

3.黑液的蒸发工段：采用六体五效高效节能卧式喷淋薄膜蒸发器，在蒸发连续运行不停产状况下同时进行洗涤、除垢和消泡操作，苇浆废液的蒸发强度平均达到18～25Kg/m³。黑液经过蒸发工段后，黑液浓度可达到40%。

4.喷雾干燥工段：料液送到离心喷雾干燥器，通过干燥室顶部转速为12000转/分钟的离心喷雾干燥器，将料液被喷雾成极小的雾状液滴，使料液在温度为360～380℃的干燥塔与热空气接触，水份蒸发，干燥成品。制得木质素磺酸钠2375Kg。

本批次木质素磺酸钠质量检测性能指标如下：

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，将亚硫酸钠芦苇制浆黑液提取、蒸发浓缩、喷雾干燥即得木质素磺酸钠；其特征在于：所述亚硫酸钠芦苇制浆黑液的制备方法是：将芦苇采用碱性亚硫酸钠法蒸煮，蒸煮液中包含亚硫酸盐离子SO₃ ^2～和氢氧离子OH^～，控制PH值≥10，得所需亚硫酸钠芦苇制浆黑液；

蒸煮方法如下：

2.根据权利要求1所述的利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，其特征在于：采用碱性亚硫酸钠法蒸煮时，芦苇kg：蒸煮液m³的重量体积比是300～400:1；

每100ml蒸煮液包括如下重量的组分：

氢氧化钠：3.6～4.7g；

亚硫酸钠：14.4～18.8g；

其余组分为水。

3.根据权利要求2所述的利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，其特征在于：所述芦苇含水分≦20%。

4.根据权利要求1所述的利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，其特征在于：

提取亚硫酸钠芦苇制浆黑液的方法是：粗浆通过4+1段鼓式真空洗浆机逆流洗涤和封闭筛选，将料、液分离。

5.根据权利要求1所述的利用亚硫酸钠芦苇制浆黑液生产木质素磺酸钠的方法，其特征在于：蒸发浓缩所提取的亚硫酸钠芦苇制浆黑液时，采用六体五效高效节能卧式喷淋薄膜蒸发器。