CN105484084B - 一种棉短绒制备溶解浆的方法 - Google Patents

一种棉短绒制备溶解浆的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及溶解浆生产技术领域，具体涉及一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理。本发明所述的方法能够非常有效的降低棉短绒聚合度，进而减少后续酶处理、化学蒸漂处理段的化学品用量，降低了生产成本；而且化学蒸漂处理阶段采用特定组成配比的蒸煮底液，并加入双氧水，大大降低了用碱量，降低了污水处理的难度，减少了污水处理的成本，减少了对环境的污染。

Description

一种棉短绒制备溶解浆的方法
技术领域
本发明涉及溶解浆生产技术领域，具体涉及一种棉短绒制备溶解浆的方法。
背景技术
棉短绒是经过轧花后的棉籽上还残留的短纤维。棉短绒是国防、纺织、化纤、造纸等轻、化工业的重要原料，是重要的战略物资。我国盛产棉花，棉短绒资源十分丰富。如将轧花后的棉籽全部剥绒，所得短绒可相当皮棉总产量的15％～20％，所以棉短绒是一项不可忽视的纤维素资源。
一级棉短绒：头道剥绒机剥下的棉短绒，大多是轧花过程中因断裂而残留在棉籽上的较长纤维。一般主体长度在13mm以上。二级棉短绒：二道剥绒机剥下的棉短绒。这部分棉短绒是棉短绒的主体，一般占棉短绒产量的50～60％。其长度在3～6mm，成熟度也是三类棉短绒中最高的。三级棉短绒：三道剥绒机剥下的棉短绒，这类棉短绒长度最短(一般在3mm一下)，含杂量高，纤维成熟度对不及二道绒，但比头道绒高。
溶解浆产能主要分布在北美、南非、巴西等林木资源丰富的地区，2011～2012年由于中国溶解浆产能集中投放，中国也成为全球溶解浆主要产地之一。传统的棉短绒制备溶解浆的方法为加碱蒸煮，用次氯酸钠漂白的制浆工艺。这些传统工艺存在一定的问题：1、为了达到合格的溶解浆产品，需要的药品量非常大且反应条件非常苛刻，生产成本较高；2、产生的污水COD较高，废液处理难度增加，处理成本增加；3、上述方法得到的溶解浆得率低，白度低，且聚合度很难控制。因此，传统工艺生产溶解浆过程中，存在着污染大、生产成本高、质量不稳定的问题，且盈利空间越来越小，这种传统工艺面临被淘汰的危险。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种生产成本低、污水易处理的棉短绒制备溶解浆的方法，并且该方法能显著降低棉短绒的聚合度，改善溶解浆的反应性能，并降低了化学蒸漂阶段的化学品用量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种棉短绒制备溶解浆的方法，以备料棉短绒为原料，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理，使最终得到的溶解浆达到一级品的质量标准。
其具体步骤如下：
1)酸预处理 向备料棉短绒中加入pH＝1.5～5的硫酸，使其浆浓为6％～10％，在30℃～90℃处理2～12小时；
2)酶处理 向上述体系中加入缓冲盐溶液，使其浆浓为5％～9％，体系pH为6.5～8，加入酶，在45℃～70℃条件下，处理2～35h；
3)化学蒸漂处理 向蒸煮容器中加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至90℃～100℃，加入双氧水，再加入70-90℃的水，调节液比至1/6～1/9，继续升温至120℃～150℃，蒸漂处理1～2.5h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行；
4)酸处理 向化学蒸漂后的浆料中加入水，调节体系液比至1/6～1/9，加入酸，在50-80℃条件下处理0.5～2.5h，反应完成，进入后处理步骤。
首先是对备料的棉短绒体进行酸预处理。通过大量实验表明，经酸预处理段较未经酸预处理的，其他工艺相同，得到的溶解浆，经酸预处理得到的溶解浆的聚合度较未经酸预处理的要低的多，棉短绒的聚合度较未进行酸预处理的空白组，聚合度降低了200左右，更容易达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品的质量标准(FZ/T 51001-2009)。经过酸预处理后，可以减少后面工艺过程中化学药品及酶的用量，达到降低生产成本的目的。发明人通过大量实验得出最佳的预处理条件为：采用pH值为1.5～5硫酸，浆浓为6％～10％，处理温度为30℃-90℃，处理时间为2-12小时。本发明中，酸预处理以后，棉短绒中的纤维素和半纤维素易于和其他物质分离，非纤维素和半纤维素在洗涤过程中即可流失，使得后期的化学处理的目的更明确，而且在pH较低的酸性条件下，硫酸根易于和棉短绒细胞壁中木质素反应，增加了棉短绒的亲水性，使后期的酶处理和化学处理反应更充分。
向上述酸预处理后的体系中加入酶进行酶处理。本发明所述的酶为阿魏酸酯酶或脂肪酶或纤维素酶或其混合物。阿魏酸酯酶、脂肪酶均购买于诺维信公司，纤维素酶购买于苏柯汉公司。阿魏酸酯酶能水解多糖阿魏酸酯中的酯键，将阿魏酸游离出来，并切断细胞壁中多糖-多糖、多糖-木质素间的交联，有利于细胞壁物质中纤维素的降解和木素的释放；脂肪酶和纤维素酶都能切断纤维素的糖苷键，降低纤维素的聚合度。而且脂肪酶可以脱除棉短绒表面的蜡脂，从而对下一步的化学蒸漂处理起到促进作用。通过实验发现，三种酶或两种酶的协同作用能够起到较单独使用一种酶更好的效果，酶处理段优化后得到酶的最佳用量为15～150U/g绝干浆。当采用脂肪酶和阿魏酸酯酶时，脂肪酶与阿魏酸酯酶酶用量比例为3:8；当采用脂肪酶和纤维素酶时，脂肪酶与纤维素酶酶用量比例为4:15；当采用阿魏酸酯酶和纤维素酶时，阿魏酸酯酶与纤维素酶的用量比例为9:23；当采用三种酶时，脂肪酶、阿魏酸酯酶、纤维素酶三种酶的酶用量比例为1:7:20。为了给酶提供一个适宜的环境，使得酶解率最高，本发明采用缓冲盐溶液来调节体系pH至6.5～8，控制温度在45～70℃之间，然后选择这三种酶中的1～3种，酶的用量范围为15～150U/g绝干浆，处理2～35h。所述的缓冲盐溶液为磷酸氢二钾-磷酸二氢钾水溶液，其中磷酸氢二钾和磷酸二氢钾的浓度均为1mol/L。通过实验 可知，通过酶处理后，能够降低棉短绒的聚合度，改善溶解浆的反应性能，并降低了化学蒸漂阶段的化学品用量。棉短绒的聚合度较未进行酶处理的空白组，聚合度降低了100左右，反应性能由大于100s，降至20s以内。
酶处理后的棉短绒在蒸煮容器中继续进行化学蒸漂处理。向蒸煮容器中加入酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，进行化学蒸漂处理。所述的蒸煮底液的组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁，其加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：7％～12％，EDTA：0.3％～1％，硫酸镁0.2％～0.4％。本发明采用氢氧化钠代替氢氧化钾，由于相同质量的氢氧化钠和氢氧化钾，溶解在相同体积液体里，氢氧化钠溶液的氢氧根要较氢氧化钾溶液的氢氧根要多，因此可以使得反应过程中能够更好的反应，能够降低生产成本。另外，本发明化学蒸漂过程中还加入了双氧水，较传统蒸煮过程，大大降低了用碱量，而且用双氧水漂白降低了污水处理的难度，减少了污水处理的成本，减少了对环境的污染，但双氧水不稳定，故在升温以后加入，并且蒸煮底液中的EDTA稳定剂可以对其起到一定的稳定作用，以维持其高效的作用效果。本发明中如果双氧水的加入量太大，那蒸煮段浆料反应充分后会造成双氧水的浪费，如果双氧水的加入量较小，蒸煮段的反应可能会反应不充分，以致后续浆料质量下降，因此，双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为8％～12％。
最后，进行酸处理，酸处理的条件为水调节体系液比至1/6～1/9，加入盐酸、硫酸中的任何一种，其加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为0.4％，在50-80℃条件下处理0.5～2.5h。目的是降低溶解浆的灰分，提高溶解浆的白度，使溶解浆达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品的质量标准(FZ/T 51001-2009)。
综上所述，本发明在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理，能够非常有效的降低棉短绒聚合度，以减少后续酶处理、化学蒸漂处理段的化学品用量，降低了生产成本；而且化学蒸漂处理阶段采用特定组成配比的蒸煮底液，其中加入双氧水，大大降低了用碱量，而且用双氧水漂白降低了污水处理的难度，减少了污水处理的成本，减少了对环境的污染。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。实施例中所用的棉短绒是市场上购买的三类绒。所用的棉短绒已经过备料。以下所述的药品加入量都是相对于绝干棉短绒的质量。
实施例1
一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理。
其具体步骤为：
第一步：酸预处理
向不锈钢搅拌釜中加入1Kg(绝干重)的备料棉短绒，加入pH为1.5的硫酸，调节浆浓为9％，在30℃处理12小时。
第二步：酶处理
对酸处理后的浆料进行洗涤，洗涤后，向体系中加入磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲盐溶液，调节体系pH至7.5，浆浓为5％，加入150000U阿魏酸酯酶、脂肪酶，阿魏酸酯酶与脂肪酶的酶用量比例为8:3，在70℃条件下，处理2h。
第三步：化学蒸漂处理
蒸漂处理在带有搅拌的不锈钢压力反应器中进行，反应器外有夹套可以通入蒸汽加热。
向蒸漂容器中按比例加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至90℃，加入双氧水，再加入70℃的水调节液比至1/6，然后封闭反应器，继续升温至120℃，蒸漂处理2h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行，搅拌转速40r/min。
化学蒸漂处理过程中涉及的蒸煮底液组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁，加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：10％，EDTA：0.9％，硫酸镁0.2％。
双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为8％。
第四步：酸处理
对化学蒸漂后的浆料进行洗涤后，向其中加入水，调节体系液比至1/6，加入盐酸，用量为0.4％，在50℃条件下处理2.5h。
最终获得的溶解浆，收率可达89.5％，对溶解浆质量进行了检测，溶解浆质量指标：甲种纤维素含量为96.6％，反应性能为8秒，动力粘度为10.1mpas，灰分含量为0.075％，铁含量为16.2mg/kg，吸碱值为920％。，可达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品质量标准(FZ/T51001-2009，附表二)。
实施例2
一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理。
其具体步骤为：
第一步：酸预处理
向不锈钢搅拌釜中加入1Kg(绝干重)的备料棉短绒，加入pH为4的硫酸，调节浆浓为10％，，在90℃处理2小时。
第二步：酶处理
对酸处理后的浆料进行洗涤，洗涤后，向体系中加入磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲盐溶液，调节体系pH至6.5，浆浓为6％，加入15000U脂肪酶和纤维素酶，脂肪酶与纤维素酶酶用量比例为4:15，在45℃条件下，处理35h。
第三步：化学蒸漂处理
蒸漂处理在带有搅拌的不锈钢压力反应器中进行，反应器外有夹套可以通入蒸汽加热。
向蒸漂容器中按比例加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至100℃，加入双氧水，再加入80℃的水调节液比至1/7，然后封闭反应器，继续升温至140℃，蒸漂处理2.5h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行，搅拌转速40r/min。
化学蒸漂处理过程中涉及的蒸煮底液组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁、双氧水，加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：7％，EDTA：0.7％，硫酸镁0.3％。
双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为9％。
第四步：酸处理
对化学蒸漂后的浆料进行洗涤后，向其中加入水，水调节体系液比至1/6，加入盐酸，用量为0.4％，在50℃条件下处理0.5h。
最终获得的溶解浆，收率可达87.5％，对溶解浆质量进行了检测，溶解浆质量指标：甲种纤维素含量为96.1％，反应性能为10秒，动力粘度为9.8mpas，灰分含量为0.082％，铁含量为19.3mg/kg，吸碱值为869％，可达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品质量标准(FZ/T51001-2009，附表二)。
实施例3
一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理。
其具体步骤为：
第一步：酸预处理
向不锈钢搅拌釜中加入1Kg(绝干重)的备料棉短绒，加入pH为5的硫酸，调节浆浓为9％，，在70℃处理7小时.
第二步：酶处理
对酸处理后的浆料进行洗涤，洗涤后，向体系中加入磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲盐溶液，调节体系pH至8，浆浓为7％，加入100000U阿魏酸酯酶和纤维素酶，阿魏酸酯酶与纤维素酶的用量比例为9:23，在65℃条件下，处理10h。
第三步：化学蒸漂处理
蒸漂处理在带有搅拌的不锈钢压力反应器中进行，反应器外有夹套可以通入蒸汽加热。
向蒸漂容器中按比例加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至95℃，加入双氧水，再加入90℃的水调节液比至1/8，然后封闭反应器，继续升温至130℃，蒸漂处理1h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行，搅拌转速40r/min。
化学蒸漂处理过程中涉及的蒸煮底液组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁、双氧水，加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：12％，EDTA：0.5％，硫酸镁0.4％。
双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为12％。
第四步：酸处理
对化学蒸漂后的浆料进行洗涤后，向其中加入水，水调节体系液比至1/9，加入盐酸，用量为0.4％，在80℃条件下处理2h。
最终获得的溶解浆，收率可达89.3％，对溶解浆质量进行了检测，溶解浆质量指标：甲种纤维素含量为95.6％，反应性能为11秒，动力粘度为9.5mpas，灰分含量为0.091％，铁含量为17.4mg/kg，吸碱值为837％，可达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品质量标准(FZ/T51001-2009，附表二)。
实施例4
一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理。
其具体步骤为：
第一步：酸预处理
向不锈钢搅拌釜中加入1Kg(绝干重)的备料棉短绒，加入pH为3的硫酸，调节浆浓为6％，在90℃处理2小时。
第二步：酶处理
对酸处理后的浆料进行洗涤，洗涤后，向浆浓为8％的体系中加入磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲盐溶液，调节体系pH至8，浆浓为8％，加入80000U脂肪酶、阿魏酸酯酶、纤维素酶，脂肪酶、阿魏酸酯酶、纤维素酶三种酶的酶用量比例为1:7:20，在70℃条件下，处理2h。
第三步：化学蒸漂处理
蒸漂处理在带有搅拌的不锈钢压力反应器中进行，反应器外有夹套可以通入蒸汽加热。
向蒸漂容器中按比例加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至90℃，加入双氧水，再加入90℃的水调节液比至1/9，然后封闭反应器，继续升温至120℃，蒸漂处理2h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行，搅拌转速40r/min。
化学蒸漂处理过程中涉及的蒸煮底液组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁、双氧水，加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：10％，EDTA：1.0％，硫酸镁0.2％。
双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为11％。
第四步：酸处理
对化学蒸漂后的浆料进行洗涤后，向其中加入水，水调节体系液比至1/7，加入盐酸，用量为0.4％，在70℃条件下处理1h。
最终获得的溶解浆，收率可达89.2％，对溶解浆质量进行了检测，溶解浆质量指标：甲种纤维素含量为96.3％，反应性能为11秒，动力粘度为9.6mpas，灰分含量为0.080％，铁含量为17.5mg/kg，吸碱值为840％，可达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品质量标准(FZ/T51001-2009，附表二)。
实施例5
一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理。
其具体步骤为：
第一步：酸预处理
向不锈钢搅拌釜中加入1Kg(绝干重)的备料棉短绒，加入pH为2的硫酸，调节浆浓为8％，，在60℃处理7小时。
第二步：酶处理
对酸处理后的浆料进行洗涤，洗涤后，向浆浓为9％的体系中加入磷酸氢二钾-磷酸二氢钾缓冲盐溶液，调节体系pH至7，浆浓为9％，加入50000U脂肪酶、阿魏酸酯酶、纤维素酶，脂肪酶、阿魏酸酯酶、纤维素酶三种酶的酶用量比例为1:7:20，在60℃条件下，处理20h。
第三步：化学蒸漂处理
蒸漂处理在带有搅拌的不锈钢压力反应器中进行，反应器外有夹套可以通入蒸汽加热。
向蒸漂容器中按比例加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至100℃，加入双氧水，再加入70℃的水调节液比至1/6，然后封闭反应器，继续升温至150℃，蒸漂处理2h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行，搅拌转速40r/min。
化学蒸漂处理过程中涉及的蒸煮底液组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁、双氧水，加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：11％，EDTA：0.3％，硫酸镁0.2％。
双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为10％。
第四步：酸处理
对化学蒸漂后的浆料进行洗涤后，向其中加入水，水调节体系液比至1/7，加入盐酸，用量为0.4％，在60℃条件下处理0.5h。
最终获得的溶解浆，收率可达89.4％，对溶解浆质量进行了检测，溶解浆质量指标：甲 种纤维素含量为96.5％，反应性能为10秒，动力粘度为9.8mpas，灰分含量为0.081％，铁含量为17.7mg/kg，吸碱值为865％，可达到粘胶短纤维用棉浆粕一等品质量标准(FZ/T51001-2009，附表二)。
附表一 实施例的溶解浆质量指标
附表二 粘胶短纤维用棉浆粕一等品质量标准(FZ/T 51001-2009)
说明：实施例中动力粘度的M值设定为10mpa.s。

Claims (4)

1.一种棉短绒制备溶解浆的方法，包括酶处理，蒸漂处理和酸处理，其特征在于：在酶处理之前首先采用硫酸进行酸预处理；
其具体步骤为：
1)酸预处理 向备料棉短绒中加入pH＝1.5～5的硫酸，使其浆浓为6％～10％，在30℃～90℃处理2～12小时；
2)酶处理 向上述体系中加入缓冲盐溶液，使其浆浓为5％～9％，体系pH为6.5～8，加入酶，在45℃～70℃条件下，处理2～35h；
3)化学蒸漂处理 向蒸煮容器中加入步骤(2)中酶处理后的浆料体系和蒸煮底液，升温至90℃～100℃，加入双氧水，再加入70-90℃的水，调节液比至1/6～1/9，继续升温至120℃～150℃，蒸漂处理1～2.5h，泄压，整个过程在搅拌条件下进行；
4)酸处理 向化学蒸漂后的浆料中加入水，调节体系液比至1/6～1/9，加入酸，在50-80℃条件下处理0.5～2.5h，反应完成，进入后处理步骤；
步骤(3)所述的蒸煮底液的组分包括氢氧化钠、EDTA、硫酸镁、双氧水，其加入量相对绝干棉短绒的质量百分比如下：氢氧化钠：7％～12％，EDTA：0.3％～1％，硫酸镁0.2％～0.4％；
所述的酶为脂肪酶、阿魏酸酯酶和纤维素酶的混合物，脂肪酶、阿魏酸酯酶和纤维素酶的用量比为1:7:20；
步骤(4)中所述的酸为盐酸或硫酸，其加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为0.4％。
2.根据权利要求1所述的一种棉短绒制备溶解浆的方法，其特征在于：酶的加入量为15～150U/g绝干浆。
3.根据权利要求1所述的一种棉短绒制备溶解浆的方法，其特征在于：所述的缓冲盐溶液为磷酸氢二钾-磷酸二氢钾水溶液，其中磷酸氢二钾和磷酸二氢钾的浓度均为1mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种棉短绒制备溶解浆的方法，其特征在于：步骤(3)中双氧水的加入量相对绝干棉短绒的质量百分比为8％～12％。
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