CN103469663B - 一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法。通过1）样品准备与检测、2）实验设计与统计分析、3）模型的建立和统计分析、4）试验结果分析与优化、5）实验结果的有效性验证和6）各响应值综合优化的操作步骤从而得到最佳纸浆二氧化氯漂白的目的。本发明优点是：1.提供一种减少AOX形成量、提高漂白过程二氧化氯的利用率、提高化学反应的稳定性的纸浆二氧化氯漂白方法。2.本发明降低了有效氯用量，节约了能源；提高了反应速率，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及制浆造纸企业纸浆漂白清洁化生产的方法，具体是一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法。
背景技术
中国是世界纸张和纸板生产与消费大国，总生产量和总消费量居世界第一。中国又是世界最大的发展中国家，人口众多，随着国民经济形势的发展，人们物质文化生活日益丰富和提高，对纸和纸板的需求十分旺盛。如此大的需求增长，为造纸工业提供了十分难得的发展机遇。我国造纸企业数量多、规模小，清洁化生产水平相对落后，废水排放量大，污染负荷高。对于被污染的废水，一直以来工厂把重点放在优化废水处理方法上，尽管一些解决废水污染的方法取得不错的效果并已经成功推广应用，但这些方法终归是治标不治本。可吸附有机卤化物(AOX)被视为表示和测试纸浆漂白废水对环境影响的最普遍有效参数，随着社会对环境要求的提高，纸浆漂白废水的污染问题日益突出，引起了社会的广泛重视，国家已对制浆造纸废水的AOX指标调整为强制性考核指标。关于减少漂白过程排放废水中AOX的技术国内外已有一些研究，但大多数都是采取添加其他化学药品的方法来抑制AOX的形成。
对于纸浆生产，ECF漂白过程中企业关注的最主要的三个目标是AOX排放量，纸浆的白度和粘度。最新国家标准已经对AOX排放限制有了明确规定，要求制浆厂废水排放AOX浓度少于12mg/L。考虑到各个制浆厂漂白过程中总用水量的不同，国标并没有严格要求二氧化氯漂白段AOX的排放浓度小于12mg/L。白度是纸张最重要也是最直观的性能参数，因为它直接决定了纸张的质量和造纸厂的经济效益，因此造纸厂对于纸张最后的白度都有严格的要求。第一段二氧化氯漂白的主要目的是脱木素，以便于残余木素在随后的碱抽提阶段被去除。真正提高纸张白度的还是在第二甚至是第三段二氧化氯漂白段，所以第一段二氧化氯漂白段对白度没有严格限制。纸浆黏度表示纤维素降解的程度，能直接影响纸张的物理性质。由于二氧化氯脱木素的高选择性，对纤维影响相对较小，在第一段二氧化氯漂白段合适的反应条件下粘度不可能下降过快。
目前降低纸浆ECF漂白过程中AOX形成的途径很多，主要是在漂白过程中添加化学药品为主，包括添加过氧化氢、亚氯酸钠、氨基磺酸、硫化钠和二甲亚砜(DMSO)等，这些方法虽然能有效降低漂白废水中AOX含量，保证纸张质量，但消耗了化学品增加了工厂的额外投入。也有研究者通过采取分次添加二氧化氯的方法，但效果也不是十分理想，因此，寻找一种经济环保，确保纸张白度和粘度的前提下，控制AOX形成的方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少AOX形成量、提高漂白过程二氧化氯的利用率、提高化学反应的稳定性的一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法，操作步骤如下：
1.样品准备与检测
将纸浆与二氧化氯在塑料袋中混合均匀后，置于水浴锅中调节温度为30℃～90℃，每隔10min揉搓一次，反应结束时将浆料洗净，同时检测漂白废水中AOX含量及漂后浆白度和粘度。
2.实验设计与统计分析
改变有效氯用量为1%～5%，反应温度为30℃～90℃、反应pH值为1～9进行单因素实验，测定漂白后废水中AOX含量及漂后浆白度和粘度。根据单因素试验结果，选取AOX含量及漂后浆白度和粘度影响较显著的有效氯用量、反应温度、反应pH值这三个因素，并对其进行实验因素与水平的设定，然后进行实验。
3.模型的建立和统计分析
根据所得数据进行多元回归分析，得到响应变量（有效氯用量、反应温度、反应pH值）与响应值（AOX含量、白度、粘度）之间的多元二次回归方程：
Y=a+bX1+cX2+dX3+eX1X2+fX1X3+gX2X3+hX1 2+iX2 2+jX3 2
4.试验结果分析与优化
根据回归方程进行绘图分析，得到回归方程的响应面三维图，响应值由此得到优化，根据模型分析可分别得到AOX含量、白度和粘度的最优化工艺参数。
5.实验结果的有效性验证
为确保统计模型的有效性，按照上述优化条件重复进行3～5组实验。
6.各响应值综合优化
对AOX含量、白度和粘度这三个响应值的最优条件进行平衡处理，以尽可能保证三个响应值都取得理想的优化值，从而得到最佳漂白条件。
上述步骤2实验设计与统计分析中响应面分析得到的漂白条件为：有效氯用量为3.6～3.9%，反应温度为75～77℃，pH值为8.5～9.0。
上述步骤3模型的建立和统计分析中在有效氯用量为3.6～3.9%，反应温度为75～77℃，pH值为8.5～9.0条件下检测到的AOX含量为14.51～5.0mg/L，白度为52.0～53.1%ISO，粘度为920～930mL/g。
所述响应面方法通过优化设计找到一种保证纸张白度和粘度满足工厂要求的前提下，尽可能低的减少AOX形成的方法，既节约了工厂的投入成本，又减小了环境的污染。
本发明具有如下优点：
1.应用本发明响应面分析法优化纸浆ECF清洁化漂白方法。只通过17组实验就可以对纸浆ECF漂白工艺进行优化。
2.当漂白条件为有效氯用量为3.6～3.9%，反应温度为75～77℃，pH值为8.5～9.0。时，AOX含量为14.5～15.0mg/L，而白度和粘度可以达到生产基本要求。本发明降低了有效氯用量，节约了能源；提高了反应速率，提高了生产效率。
综上所述，本发明采用的响应面分析法，用三个变化因子，只用五个水平，和正交优化分析法相比，极大的减少了实验组数，并得出满意的结果，同时所得到的最佳条件并不是原来设定的值而是在设定条件的范围之内。
附图说明
图1为本发明废水中AOX含量预测值与实际值的关系图。
图2为本发明AOX形成量响应面三维图。
图中，(a)为有效氯用量-pH图、(b)为反应温度-pH图、(c)为有效氯量-反应温度。
图3为本发明纸浆白度预测值与实际值的关系图。
图4为本发明纸浆白度响应面三维图。
图中，(a)为有效氯用量-pH关系图、(b)为反应温度-pH关系图、(c)为有效氯用量-反应温度关系图。
图5为本发明纸浆粘度预测值与实际值的关系图。
图6为本发明纸浆粘度响应面三维图。
图中，(a)为有效氯用量-pH关系图、(b)为反应温度-pH关系图、(c)为有效氯用量-反应温度关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明方法作进一步的详细描述。
一.样品准备与检测
纸浆与二氧化氯在塑料袋中混合均匀后，置于水浴锅中调节温度为30℃～90℃，每隔10min揉搓一次，反应结束时将浆料洗净。纸张白度按Tappi标准进行测定，纸浆粘度根据GB/T1548-2004测定。漂白废水中的AOX的检测是使用德国耶拿公司的MultiX2500型卤化物分析仪。MultiX2500型卤化物分析仪测量AOX的基本方法和过程是：先将漂白废水通过活性炭柱进行吸附，将废水中的有机氯化物吸附到碳柱上，将吸附后的活性炭柱经过NaNO3溶液进行洗涤，以洗掉吸附着的无机氯化物。然后将洗涤后的活性炭柱经过燃烧，最后经过微库仑滴定法来得出AOX的量。
二.实验设计与统计分析
1.单因素实验
改变有效氯用量为1%～5%，反应温度为30℃～90℃、反应pH值为1～9进行单因素实验，测定漂白后废水中AOX含量及漂后浆白度和粘度。每次处理三次重复。
2.响应面法优化设计
根据单因素试验结果，选取AOX含量及漂后浆白度和粘度影响较显著的有效氯用量、反应温度、反应pH值这三个因素，并对其进行实验因素与水平的设定，设定结果见表1。
表1实验因素与水平设定
以有效氯用量(X1)、反应温度(X2)、反应pH值(X3)为自变量，以废水中AOX含量，漂后浆白度和粘度为响应值(Y)，试验方案及结果见表2。
表2Box-Behnken试验设计与结果
3.模型的建立和统计分析
根据所得数据进行多元回归分析，得到响应变量（有效氯用量、反应温度、反应pH值）与响应值（AOX含量、白度、粘度）之间的多元二次回归方程。
AOX含量=-23.828123+6.34375X1+0.66958X2+5.85000X3-0.019167X1X2-0.25625X1X3-0.022083X2X3-0.062500X1 2-0.003X2 2-0.5287X3 2
白度=4.83375+8.89875X1+0.99725X2+4.76875X3-0.050833X1X2+0.043750X1X3-0.020417X2X3-0.4925X1 2-0.00457778X2 2-0.55750X3 2
粘度=1219.8500-49.39375X1-6.87042X2-37.28125X3+0.50833X1X2+0.15625X1X3+0.16458X2X3-0.1375X1 2+0.027167X2 2+4.23125X3 2
各因子与响应值之间线性关系显著性，由F值检验来判定，P值越小，则说明变量的显著性越高。由方差分析可知，其因变量和全体自变量之间的线性关系显著(R2分别为0.98、0.98和0.97)，模型的显著水平为小于0.0001，图1、图3和图5表明实验值与预测值均匀分布，线性关系良好，所以该回归方差模型是极显著的。
4.试验结果分析与优化
根据回归方程进行绘图分析，得到回归方程的响应面三维图，分别如图2、图4和图6所示。
根据模型分析得知，AOX含量优化工艺参数为：有效氯用量为0.8～1.2%、反应温度为29.8～31.2℃、反应pH值为8.0～9.0。在此条件下，AOX含量预测值为3.0～4.0mg/L。
白度优化工艺参数为：有效氯用量为4.7～5.2%、反应温度为78.1～79.2℃、反应pH值为1.8～2.3。在此条件下，白度预测值为70.2～72.1%ISO。
粘度优化工艺参数为：有效氯用量为2.1～3.0%、反应温度为39.5～40.9℃、反应pH值为8.5～9.3。在此条件下，粘度预测值为978～986mL/g。
5.实验结果的有效性验证
为确保统计模型的有效性，按照上述优化条件重复进行了三组实验。所选的有效氯用量、反应温度、反应pH值以及预测及实验结果如表3所示，可见模型的预测值和实际值之间相差非常小。
表3验证型实验的实际值与计算值
6.各响应值综合优化
由上面的分析可知，AOX含量、白度和粘度这三个独立响应值分别是在不同的条件下取得最优值，因此需要对这三个响应值进行平衡处理，以尽可能保证三个响应值都取得理想的优化值。同时优化这三个目标值，得到最优条件如下：有效氯用量为3.6～3.9%，反应温度为75～77℃，pH值为8.5～9.0。此时，预测到的AOX含量为14.5～15.0mg/L，白度为52.0～53.1%ISO，粘度为920～930mL/g。
在此最优条件下对实验进行验证，如表4所示，实验得到的平均AOX含量、白度及粘度分别为14.7mg/L为52.6%ISO及929mL/g，与模型的预测值保持了高度的一致性。
表4同等条件下实验值与计算值
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法，其特征在于，操作步骤如下：
1）样品准备与检测
将纸浆与二氧化氯在塑料袋中混合均匀后，置于水浴锅中调节温度为30℃～90℃，每隔10min揉搓一次，反应结束时将浆料洗净，同时检测漂白废水中AOX含量及漂后浆白度和粘度；
2）实验设计与统计分析
改变有效氯用量为1%～5%，反应温度为30℃～90℃、反应pH值为1～9进行单因素实验，测定漂白后废水中AOX含量及漂后浆白度和粘度，根据单因素试验结果，选取AOX含量及漂后浆白度和粘度影响较显著的有效氯用量、反应温度、反应pH值这三个因素，并对其进行实验因素与水平的设定，然后进行实验；
3）模型的建立和统计分析
根据所得数据进行多元回归分析，得到响应变量：有效氯用量、反应温度、反应pH值与响应值：AOX含量、白度、粘度之间的多元二次回归方程：
Y=a+bX1+cX2+dX3+eX1X2+fX1X3+gX2X3+hX1 2+iX2 2+jX3 2
4）试验结果分析与优化
根据回归方程进行绘图分析，得到回归方程的响应面三维图，响应值由此得到优化，根据模型分析可分别得到AOX含量、白度和粘度的最优化工艺参数；
5）实验结果的有效性验证
为确保统计模型的有效性，按照上述优化条件重复进行3～5组实验；
6）各响应值综合优化
对AOX含量、白度和粘度这三个响应值的最优条件进行平衡处理，以尽可能保证三个响应值都取得理想的优化值，从而得到最佳漂白条件。
2.根据权利要求书1的一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法，其特征在于，所述步骤2）实验设计与统计分析中响应面分析得到的漂白条件为：有效氯用量为3.6～3.9%，反应温度为75～77℃，pH值为8.5～9.0。
3.根据权利要求书1的一种通过响应面法优化纸浆二氧化氯漂白方法，其特征在于，所述步骤3）模型的建立和统计分析中在有效氯用量为3.6～3.9%，反应温度为75～77℃，pH值为8.5～9.0条件下检测到的AOX含量为14.51～5.0mg/L，白度为52.0～53.1%ISO，粘度为920～930mL/g。
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