CN106120418B - 一种杨木超声波化学机械法制浆工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种杨木超声波化学机械法制浆工艺，将汽蒸后经过第一段挤压疏解的杨木浆料进行超声波预处理，超声波预处理后浆料进行木聚糖酶预处理，预处理之后的浆料用钠碱过氧化氢溶液浸渍，浸渍后进行第二段挤压疏解，挤压疏解后浆料再用钠碱过氧化氢溶液进行第二段浸渍，浸渍后浆料连同浸渍液一同进行第一段磨浆及磨浆后高浓贮存漂白，然后再进行第二段磨浆生产高白度、高得率和高强度化学机械浆。本发明可改善速生杨木的机械制浆性能，扩大杨木高得率浆的应用范围，改善杨木纸浆性能，提高杨木的利用价值。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械法制浆工艺，特别涉及一种杨木超声波协同酶预处理化学机械法制浆工艺。
背景技术
制浆造纸工业在全球工业制造业中一直占据着重要地位，是国民经济重要基础原材料产业之一，纸和纸板的生产消费水平已成为衡量一个国家经济发展水平和社会进步的重要标志。目前世界造纸工业主要以木材资源为主，木纤维原料在造纸原料中的比例达到了94％。随着世界经济的发展和人民生活水平的不断提高，人民对于纸和纸板的质量要求越来越高，而传统的制浆造纸工业纤维资源利用率不高，纸张纤维抗张、耐破、撕裂强度不高的问题显的尤为突出。如何解决造纸工业木材资源利用的上述问题，制浆造纸企业一方面以多种形式建设丰产原料林基地，并将造林、营林、采伐、制浆与造纸结合起来，实施林纸一体化，形成“以纸养林、以林促纸”的发展环境，形成良性循环的产业链，使木材原料来源得到保障。另一方面积极开发新方法提高原料利用率和纸浆质量，以解决我国造纸原材料纤维质量的问题。杨木是我国北方常见的一种阔叶木，具有种植广泛原料充足，蓄积量大，生长集中，采集运输贮存方便等特点，是较理想的制浆造纸原材料。化学机械法制浆工艺(如APMP和P-RC APMP)具有纸浆得率高、纤维质量好，设备投资低、废水污染低等特点，对杨木进行高得率化学机械制浆工艺探讨，对于解决我国造纸工业和林业的发展问题具有重要意义，特别适合我国的国情。
杨木属于杨柳科落叶乔木，高大挺拔，生长较快，适应性强，含有较多的纤维素和半纤维素，纤维较短，木素含量高，这在一定程度上影响了杨木化学机械制浆性能，降低了杨木高得率浆的物理强度和成纸产品质量，限制了杨木高得率浆的生产和应用范围。与其他植物纤维相比，杨木植物纤维质地较软，成浆细腻，纸浆硬度低，弹性较强，组分中存在更多的无定形区，且纤维本身以及纤维与纤维之间的孔隙率和孔洞数较高，这些特点为纤维经预处理后的断裂和破裂提供了条件。
发明内容
为了改善杨木的机械制浆性能，提高纸浆的白度和强度性能指标，本发明提供一种物理强度性能良好的杨木化学机械法制浆工艺，提高了杨木制浆的强度、性能和纸浆得率等。
本发明采用超声波协同酶预处理技术、在磨浆过程中以氢氧化钠为碱源的过氧化氢处理技术进行高强度、高得率杨木化学机械浆的生产，从而改善杨木的化学机械制浆性能，提高纸浆的物理强度和光学性能。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种杨木超声波化学机械法制浆工艺，包括以下步骤：
将汽蒸后经过第一段挤压疏解的杨木片浆料进行超声波协同木聚糖酶预处理，然后将超声波协同木聚糖酶预处理后的浆料用浸渍液进行第一段化学预浸渍，浸渍后进行第二段挤压疏解，第二段挤压疏解后浆料用浸渍液进行第二段化学浸渍，浸渍后的浆料连同浸渍液一同进行第一段磨浆，磨浆后贮存设定时间后进行漂白反应，然后再进行第二段磨浆，第二段磨浆后的浆料进行消潜、洗涤和浓缩后得到最终浆料。
虽然以上技术方案不涉及具体的工艺参数，但是根据本发明的发明构思，特别针对杨木制浆，采用超声波协同木聚糖酶预处理，然后在磨浆过程中以氢氧化钠为碱源的过氧化氢处理技术，可以得到高强度、高得率杨木化学机械浆。
优选的，所述超声波协同木聚糖酶预处理的具体步骤是：(1)将经过汽蒸和第一段挤压疏解后的杨木浆料，在40-60℃、PH值为5-6的条件下进行超声波预处理；(2)将经过超声波预处理之后的杨木浆料，在40-60℃、PH值为5-6的条件下进行木聚糖酶预处理。
本发明先进行超声波处理然后进行酶处理的原因是，超声波产生的空化效应能够软化纤维，引起纤维细胞壁各层发生形态结构变化，纤维表面发生刻蚀变化，暴露更多反应中心，增强化学活性。然后进行酶处理，纤维与酶结合面积更多，酶充分作用于纤维，效果更好。如果两者同时进行，会有部分纤维未完全受到超声的作用就和酶反应。另一方面，超声波的瞬间应力集中和机械运动产生的高压和冲击波不利于酶解作用，还会在一定程度上影响酶的活力，所以选择先进行超声波出来然后进行酶处理。
进一步优选的，步骤(1)中，所述超声波功率为110～130W，超声时间10～40min，经过大量实验验证与分析，为了获得最佳的效果，超声波功率为120W，超声时间为30min。
进一步优选的，步骤(2)中，所述杨木浆料浓度为8～12wt％(较佳为10wt％)，木聚糖酶的用量为10～40U/g绝干浆，酶预处理的时间为10～40min(较佳为30min)。
优选的，所述第一段化学预浸渍的浸渍液中各化学成分的量占绝干浆质量的百分比分别为：NaOH 2.0-2.9％、H2O2 2.0-2.9％、MgSO4 0.15％、乙二胺四乙酸0.15％，浸渍温度为50-60℃，料液比1:3～5，优选为1：4。
优选的，所述第二段化学浸渍的浸渍液中各化学成分的量占绝干浆质量的百分比分别为：NaOH 2.0-2.9％，H2O2 2.0-2.9％，MgSO4 0.2％，乙二胺四乙酸0.2％，浸渍温度为40-50℃，料液比1:3～5，优选为1：4。
根据最终浆料白度需求，NaOH和H2O2的用量可进行调节，而且两段化学预浸渍中NaOH和H2O2的总质量比例应为0.8-0.9:1较适宜。当最终白度要求达到70％ISO以上，较为适宜的两段化学预浸渍H2O2总用量相对于绝干浆来说为绝干浆质量的4.0-5.8％。
所述第一段挤压疏解和第二段挤压疏解均为常压机械挤压，挤压温度为45-60℃，压缩体积比为4-5：1。
优选的，将第二段化学浸渍后的浆料与50-100v％的浸渍液一起进行第一段磨浆。
优选的，所述第一段磨浆为常压磨浆，磨浆浓度20-25wt％，磨浆过程中不进行稀释。
优选的，贮存漂白工艺条件为：浆料浓度为20-25wt％，温度70-80℃，贮存停留时间为2-2.5h。
优选的，所述第二段磨浆为常压磨浆，磨浆浓度为10-15wt％。
优选的，所述消潜温度为60-65℃，时间0.6-1.2h。
杨木经削片筛选后进行汽蒸，汽蒸后木片进行挤压疏解，疏解后浆料浸入制浆工序。常规技术以氢氧化钠为碱源的过氧化氢化学机械法制浆是将汽蒸后的杨木片浆料先用含氢氧化钠、过氧化氢、硫酸镁、乙二胺四乙酸(EDTA)和硅酸钠的溶液进行处理，然后进行挤压疏解，再用上述溶液进行处理，处理后进行第一段磨浆，第一段磨浆后进行高浓停留，然后进行第二段磨浆，磨后浆料进行消潜、洗涤和浓缩后得到最终浆料用于抄纸工序。
本发明的有益效果是：
(1)超声波预处理技术是一种低能耗、无污染、安全、廉价的预处理技术，其作用于植物纤维主要是通过空化作用实现的。由于杨木纤维具有较多的无定形区和孔隙率的独特结构特征，超声波作用在杨木纤维时，空化作用在纤维无定形区的原始缺陷处产生高压或高压释放产生冲击波或机械运动产生交变电压变化，在纤维表面产生应力、应变集中，使得纤维内部结构发生变化，导致微晶错位，比表面积增加，结晶度下降，无定形区增大，增强了纤维与纤维之间的结合强度，改善了纸浆物理性能和光学性能。通过超声波作用于杨木纤维，机械空化效应增加了纤维本身的卷曲率，提高了纤维之间的交错连接和缠绕强度，增强了纤维之间的结合能力，改善了由于杨木纤维短小而造成纤维之间结合强度低的不足。同时，纤维表面受到刻蚀产生更多的孔隙和孔洞，进一步为超声波的机械空化效应创造了条件。更多的孔隙和孔洞还有利于增加药液和酶液渗透能力，降低处理时间，减少后续化学药品用量，减轻环境污染和生产成本压力；
(2)本发明只通过木聚糖酶对超声波处理后的浆料进行处理，降解部分纤维表面的半纤维素，使纤维结构疏松和活化，促进纤维的吸水润胀和细纤维化程度，提高纸浆的白度，降低后续化学预浸渍段的化学药品用量，提高化学药品的漂白效率，减轻了对环境的污染。
(3)通过木聚糖酶与纤维之间的相互作用，在降解纤维中的半纤维素的同时，可以酶解除去纸浆中的纤维素细小组分，改善浆料纤维的打浆性能和滤水性能，提高纤维的柔韧性，从而改善纸浆的强度性能，提高纸浆得率，降低纸张的脆性。
(4)本发明只采用超声波和木聚糖酶对杨木浆料进行处理，不需要其他酶进行处理即可得到性能优异的纸浆。
(5)本发明提高了杨木制浆的利用价值，扩大了杨木高得率浆的应用范围，提高纸浆抄纸性能，可解决阻碍我国造纸工业发展的资源和环境的问题。
具体实施方式
以下实施例中，除有特别说明的外，其他所有百分比均为质量百分比。
实施例1：
三年生杨木木片经过汽蒸第一段挤压疏解后按以下步骤制浆：
(1)超声波预处理，超声波处理仪器为JY-98ⅢN,预处理条件为：浆浓3％，温度40-60℃，时间10min，超声波功率120W；
(2)木聚糖酶预处理，所用酶为固体木聚糖酶ZX-SP002，预处理条件为：温度40-60℃，时间30min，pH值5-6，酶用量10IU/g绝干浆，浆浓10％；
(3)将上述步骤(2)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第一段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.0％，H2O2 2.5％，MgSO4 0.15％，EDTA 0.15％，浸渍温度50-60℃，料液比1:4；
(4)将步骤(3)浸渍过的浆料进行第二段挤压疏解，挤压温度为45-60℃，疏解压缩体积比为5:1；
(5)将上述步骤(4)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第二段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.0％，H2O2 2.3％，MgSO4 0.2％，EDTA 0.2％，浸渍温度40-50℃，料液比1:4，总的质量比NaOH：H2O2＝0.83:1；
(6)将步骤(5)浸渍过的浆料连同全部浸渍液一起进行第一段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度20％，磨浆过程中不补充稀释水；
(7)第一段磨浆后的浆料在高浓状态下贮存漂白，贮存条件为：浆浓20％，温度80℃，停留时间2.5h；
(8)步骤(7)高浓贮存漂白后的浆料进行第二段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度15％；
(9)经过步骤(8)第二段磨浆后的浆料进行消潜和洗涤，消潜温度65℃，消潜时间0.6h，消潜洗涤后浆料打浆至40°SR，得到杨木化学机械浆。
结果：经过性能检测，上述处理步骤所得杨木化学机械浆白度72.4％ISO，与相同条件下使用沙柳为原料、采用实施例1中的制浆工艺相比，纸浆白度提高1.6％，浆料打至相同打浆度的能耗降低3％，纸浆得率提高4.5％，纸浆抗张指数提高10.2％，撕裂指数提高9.8％，耐破指数提高8.2％；与相同条件下未经过酶预处理的、使用相同化学药品用量、采用常规化学机械制浆工艺相比，纸浆白度提高3.7％，浆料打至相同打浆度的能耗降低5％，结晶度降低18.2％，不透明度提高2.7％，纸浆得率提高2.2％，纸浆抗张指数提高12.9％，撕裂指数提高12.7％，耐破指数提高9.4％。
实施例2：
三年生杨木木片经过汽蒸第一段挤压疏解后按以下步骤制浆：
(1)超声波预处理，超声波处理仪器为JY-98ⅢN,预处理条件为：浆浓3％，温度40-60℃，时间20min，超声波功率120W；
(2)木聚糖酶预处理，所用酶为固体木聚糖酶ZX-SP002，预处理条件为：温度40-60℃，时间30min，pH值5-6，酶用量20IU/g绝干浆，浆浓10％；
(3)将上述步骤(2)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第一段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.5％，H2O2 2.9％，MgSO4 0.15％，EDTA 0.15％，浸渍温度50-60℃，料液比1:4；
(4)将步骤(3)浸渍过的浆料进行第二段挤压疏解，挤压温度为45-60℃，疏解压缩体积比为4:1；
(5)将上述步骤(4)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第二段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.0％，H2O2 2.2％，MgSO4 0.2％，EDTA 0.2％，浸渍温度40-50℃，料液比1:4，总的质量比NaOH：H2O2＝0.88:1；
(6)将步骤(5)浸渍过的浆料连同占浸渍液体积50％的浸渍液一起进行第一段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度25％，磨浆过程中不补充稀释水；
(7)第一段磨浆后的浆料在高浓状态下贮存漂白，贮存条件为：浆浓25％，温度75℃，停留时间2.5h；
(8)步骤(7)高浓贮存漂白后的浆料进行第二段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度15％；
(9)经过步骤(8)第二段磨浆后的浆料进行消潜和洗涤，消潜温度60℃，消潜时间1.2h，消潜洗涤后浆料打浆至40°SR，得到杨木化学机械浆。
结果：经过性能检测，上述处理步骤所得的杨木化学机械浆白度74.6％ISO，与相同条件下使用沙柳为原料采用实施例2中的制浆工艺相比，纸浆白度提高1.8％，浆料打至相同打浆度的能耗降低3.4％，纸浆得率提高5.5％，纸浆抗张指数提高11.2％，撕裂指数提高11.8％，耐破指数提高9.6％；与相同条件下未经过酶预处理的、使用相同化学药品用量、采用常规化学机械制浆工艺相比，纸浆白度提高6.9％，浆料打至相同打浆度的能耗降低6.7％，结晶度降低9.1％，不透明度提高4.4％，纸浆得率提高4.3％，纸浆抗张指数提高20.1％，撕裂指数提高23.0％，耐破指数提高15.0％。
实施例3：
三年生杨木木片经过汽蒸第一段挤压疏解后按以下步骤制浆：
(1)超声波预处理，超声波处理仪器为JY-98ⅢN,预处理条件为：浆浓3％，温度40-60℃，时间30min，超声波功率120W；
(2)木聚糖酶预处理，所用酶为固体木聚糖酶ZX-SP002，预处理条件为：温度40-60℃，时间30min，pH值5-6，酶用量30IU/g绝干浆，浆浓10％；
(3)将上述步骤(2)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第一段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.8％，H2O2 2.8％，MgSO4 0.15％，EDTA 0.15％，浸渍温度50-60℃，料液比1:4；
(4)将步骤(3)浸渍过的浆料进行进行第二段挤压疏解，挤压温度为45-55℃，疏解压缩体积比为5:1；
(5)将上述步骤(4)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第二段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.2％，H2O2 2.9％，MgSO4 0.2％，EDTA 0.2％，浸渍温度40-50℃，料液比1:4，总的NaOH：H2O2＝0.87:1；
(6)将步骤(5)浸渍过的浆料连同占浸渍液体积50％的浸渍液一起进行第一段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度22％，磨浆过程中不补充稀释水；
(7)第一段磨浆后的浆料在高浓状态下贮存漂白，贮存条件为：浆浓23％，温度70℃，停留时间2.5h；
(8)步骤(7)高浓贮存漂白后的浆料进行第二段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度13％；
(9)经过步骤(8)第二段磨浆后的浆料进行消潜和洗涤，消潜温度62℃，消潜时间1h，消潜洗涤后浆料打浆至40°SR，得到杨木化学机械浆。
结果：经过性能检测，上述处理步骤所得的杨木化学机械浆白度76.2％ISO，与相同条件下使用沙柳为原料、采用实施例3中的制浆工艺相比，纸浆白度提高1.2％，浆料打至相同打浆度的能耗降低6％，纸浆得率提高7.2％，纸浆抗张指数提高13.5％，撕裂指数提高12.4％，耐破指数提高10.0％；与相同条件下未经过酶预处理的、使用相同化学药品用量、采用常规化学机械制浆工艺相比，纸浆白度提高9.2％，浆料打至相同打浆度的能耗降低11.7％，结晶度降低12.7％，不透明度提高6.1％，纸浆得率提高6.5％，纸浆抗张指数提高23.2％，撕裂指数提高25.5％，耐破指数提高16.7％。
实施例4：
三年生杨木木片经过汽蒸第一段挤压疏解后按以下步骤制浆：
(1)超声波预处理，超声波处理仪器为JY-98ⅢN,预处理条件为：浆浓3％，温度40-60℃，时间40min，超声波功率120W；
(2)木聚糖酶预处理，所用酶为固体木聚糖酶ZX-SP002，预处理条件为：温度40-60℃，时间30min，pH值5-6，酶用量40IU/g绝干浆，浆浓10％；
(3)将上述步骤(2)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第一段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.5％，H2O2 2.8％，MgSO4 0.15％，EDTA 0.15％，浸渍温度50-60℃，料液比1:4；
(4)将步骤(3)浸渍过的浆料进行第二段挤压疏解，挤压温度为45-60℃，疏解压缩体积比为4-5.5:1；
(5)将上述步骤(4)处理过的浆料用钠碱过氧化氢溶液进行第二段化学预浸渍，相对于绝干浆的质量，浸渍液中各化学成分的量及工艺条件为：NaOH 2.4％，H2O2 2.8％，MgSO4 0.2％，EDTA 0.2％，浸渍温度40-50℃，料液比1:4，总的NaOH：H2O2＝0.8:1；
(6)将步骤(5)浸渍过的浆料连同全部浸渍液一起进行第一段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度22％，磨浆过程中不补充稀释水；
(7)第一段磨浆后的浆料在高浓状态下贮存漂白，贮存条件为：浆浓14％，温度80℃，停留时间2h；
(8)步骤(7)高浓贮存漂白后的浆料进行第二段磨浆，磨浆压力为常压，磨浆浓度12％；
(9)经过步骤(8)第二段磨浆后的浆料进行消潜和洗涤，消潜温度65℃，消潜时间1.2h，消潜洗涤后浆料打浆至40°SR，得到杨木化学机械浆。
结果：经过性能检测，上述处理步骤所得杨木化学机械浆白度73.8％ISO，与相同条件下使用沙柳为原料、采用实施例4中的制浆工艺相比，纸浆白度提高1.1％，浆料打至相同打浆度的能耗降低3.2％，纸浆得率提高3.6％，纸浆抗张指数提高9.7％，撕裂指数提高8.4％，耐破指数提高7.3％；与相同条件下未经过酶预处理的、使用相同化学药品用量、采用常规化学机械制浆工艺相比，纸浆白度提高5.7％，浆料打至相同打浆度的能耗降低10％，结晶度降低22.2％，不透明度提高3.3％，纸浆得率提高2.2％，纸浆抗张指数提高11.2％，撕裂指数提高14.6％，耐破指数提高11.7％。
Claims (7)
1.一种杨木超声波化学机械法制浆工艺，其特征是，包括以下步骤：
将汽蒸后经过第一段挤压疏解的杨木片浆料进行超声波协同木聚糖酶预处理，然后将超声波协同木聚糖酶预处理后的浆料用浸渍液进行第一段化学预浸渍，浸渍后进行第二段挤压疏解，第二段挤压疏解后浆料用浸渍液进行第二段化学预浸渍，浸渍后的浆料连同浸渍液一同进行第一段磨浆，磨浆后贮存设定时间后进行漂白反应，然后再进行第二段磨浆，最后进行消潜、洗涤和浓缩后得到最终浆料；所述超声波协同木聚糖酶预处理的具体步骤是：（1）将经过汽蒸和第一段挤压疏解后的杨木浆料，在40-60℃、PH值为5-6的条件下进行超声波预处理；（2）将经过超声波预处理之后的杨木浆料，在40-60℃、PH值为5-6的条件下进行木聚糖酶预处理；步骤（1）中，所述超声波功率为110~130W，超声时间10~40min；步骤（2）中，所述杨木浆料浓度为8~12wt%，木聚糖酶的用量为10~40U/g绝干浆。
2.如权利要求1所述的制浆工艺，其特征是：所述第一段挤压疏解和第二段挤压疏解均为常压机械挤压，挤压温度为45-60℃，压缩体积比为4-5：1。
3. 如权利要求1所述的制浆工艺，其特征是：贮存漂白工艺条件为：浆料浓度为20-25wt %，温度70-80℃，贮存停留时间为2-2.5h。
4. 如权利要求1所述的制浆工艺，其特征是：所述第一段磨浆为常压磨浆，磨浆浓度20-25 wt %，磨浆过程中不进行稀释。
5. 如权利要求1所述的制浆工艺，其特征是：所述第二段磨浆为常压磨浆，磨浆浓度为10-15 wt %。
6.如权利要求1所述的制浆工艺，其特征是：所述消潜温度为60-65℃，时间0.6-1.2h。
7. 如权利要求1所述的制浆工艺，其特征是：所述第一段化学预浸渍的浸渍液中各化学成分的量占绝干浆质量的百分比分别为：NaOH 2.0-2.9%、H2O2 2.0-2.9%、MgSO4 0.15%、乙二胺四乙酸 0.15%，浸渍温度为50-60℃；所述第二段化学浸渍的浸渍液中各化学成分的量占绝干浆质量的百分比分别为：NaOH 2.0-2.9%，H2O2 2.0-2.9%，MgSO4 0.2%，乙二胺四乙酸0.2%，浸渍温度为40-50℃。
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