CN107724179B - 一种具有旋转托架的纸张脱酸系统及脱酸方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了纸张脱酸技术领域的一种具有旋转托架的纸张脱酸系统及脱酸方法。该系统中脱酸液储罐的出口通过离心泵和进口阀与脱酸桶的脱酸液进口相连，脱酸桶的脱酸液出口通过出口阀和离心泵与脱酸液储罐的出口相连，脱酸桶的出口通过第一真空球阀、真空泵和第二真空球阀与冷凝器入口相连，冷凝器的出口与脱酸液储罐的入口相连，脱酸桶内部包括旋转托架，脱酸桶外部有加热系统。脱酸方法为：将待脱酸纸张置于脱酸桶，预抽真空后导入脱酸液，脱酸完成后脱酸液返回脱酸液储罐，将脱酸后的纸张干燥。本发明集成和自动化程度高，造价低，使用和清洗方便；脱酸效率高，易于批量化处理；脱酸均匀，碱保留量均匀；脱酸液可循环使用，无环境污染。

Description

一种具有旋转托架的纸张脱酸系统及脱酸方法
技术领域
本发明属于纸张脱酸技术领域，具体涉及一种具有旋转托架的纸张脱酸系统及脱酸方法。
背景技术
纸张(或书籍)一直扮演着记录历史、传递信息、辅助学习的角色，更是传承文化的重要的载体。但随着时间的推移，在内外因素的共同作用下，纸质资料(或文物)已经严重酸化，导致可能的保存年限剧减。世界各国都有大量的纸质古籍或文献，我国仅各图书馆收藏的古籍文献就多达3000万册，有相当比例的纸质古籍或近代资料尽管表观破损不明显，但已经酸化非常严重，不仅字迹趋于模糊，而且完全不能翻阅，一触即碎。尤其是民国时期，处于由手工向机械造纸的过渡阶段，技术极不成熟，这一时期的纸张酸化尤其严重，很多民国线装书的pH值在3以下，已经到了濒于毁灭的地步。据统计，全世界有三分之二的古籍和珍贵图书处于酸化的威胁中，欧美等发达国家在古籍或纸张脱酸方面已经开发了一定的技术并发展了相应的产业。
脱酸技术可以归结为脱酸剂和脱酸设备两部分。按照脱酸剂分类，可以分为液相法和气相法，不同的方法通常有对应的不同设备：对于气态法，有采用(加压)雾化喷涂的方法，如中国专利201610048917.8、201620070915.4、201110108785.0、201120130937.2等；也有采用超临界设备以CO2为载体的脱酸设备，如中国专利200910039000.1；还有采用等离子体激光脉冲电源，采用氦气、氮气为气源，携带脱酸剂的离子焰进行纸张脱酸，如中国专利201110187998.7；也有采用气态脱酸剂与电弧放电射流共同对纸张进行处理，喷在纸张表面进行脱酸的技术，如中国专利201220162209.4、201210112383.2等；还有采用氨气、吗啉、二乙基锌等对应的气态脱酸技术及相应设备。气态法可避免水溶液浸泡对纸张的损害，但气态法主要适于单张纸质材料的脱酸处理，对整本古籍文献则不易操作，难于批量化。此外，一些技术对环境会产生污染，并且安全性有待提升，也有一些技术对设备的要求很高。相比之下，液相法对于单张的纸张和整本的书籍都具有较高的批量化处理能力，不仅有利于控制碱保留量，而且还易于附带增强纸张强度的功能。对于液态法，一般采用浸泡的方式进行脱酸，如中国专利201510416162.8、201520130346.3、201320713616.4等。目前采用水溶液法脱酸时浸泡脱酸液的工序大都在常温常压容器内进行，因此处理周期长。有些纸质文物质地很脆弱，如果长时间浸泡在脱酸液中会严重影响纸质文物的外观和结构稳定性；也有采用真空浸泡的方式，但脱酸剂在书籍页面间很难扩散，对此，上述专利技术中也采用了摇摆的方式促进脱酸剂的扩散，但对脱酸剂在堆放的书籍页面中扩散也需提高。中国专利201310111061.0采用超声的方式强化脱酸剂的扩散，但超声对于本就脆弱的古籍文献可能会带来严重的二次破坏。
寻求一种脱酸设备和方法以解决现有技术中脱酸不均匀、碱保留不均匀、批量化处理难及污染环境等问题，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有旋转托架的纸张脱酸系统及脱酸方法，具体技术方案如下：
一种具有旋转托架的纸张脱酸系统包括脱酸反应器、驱动系统、脱酸液注入和回流系统、抽真空系统、脱酸液回收装置和智能操作控制台。
脱酸液储罐的出口通过离心泵和进口阀与脱酸桶的脱酸液进口相连，脱酸桶的脱酸液出口通过出口阀和离心泵与脱酸液储罐的出口相连，脱酸桶的出口通过第一真空球阀、真空泵和第二真空球阀与冷凝器入口相连，冷凝器的出口与脱酸液储罐的入口相连，脱酸桶内部包括旋转托架，脱酸桶外部有加热系统。
所述脱酸桶为圆筒形，尺寸可依处理量设计，材质为耐腐蚀的金属或非金属材料，优选不锈钢；脱酸桶的顶盖带有密封圈。
所述脱酸液进口在脱酸桶近加热包套下部位置，脱酸液出口在脱酸桶底部接近脱酸桶圆筒壁位置，酮酸桶的出口在脱酸桶上部近密封圈位置。
所述旋转托架为圆筒形，可拆卸，叠加放置在脱酸桶内，采用不锈钢管材制成，由立式多孔网分成多个扇形区；托架底部连接电机和变速箱，旋转托架与电机同步旋转，通过变速箱改变电机转动方向及转速。
所述加热系统为加热包套或包裹隔热棉的加热丝，分三段控制，可根据需要独立工作；加热包套外部有隔热保护层，所述隔热保护层为塑料或金属网，优选钢丝网。
所述脱酸桶还设有温度控制装置和压力控制装置；所述温度控制装置为温度传感器，压力控制装置为压力传感器。
所述纸张脱酸系统由智能操作控制台控制。
所述冷凝器为普通商用冷凝器，其容量与脱酸桶体积相匹配。
所述离心泵依脱酸液性质选取，真空泵型号依脱酸桶空间体积选取。
所述离心泵与脱酸桶的脱酸液进口、脱酸液出口的连接通过三通和进口阀或出口阀实现。
所述真空泵与脱酸桶、冷凝器的连接通过三通和真空球阀实现。
所述真空泵和离心泵采用自动控制。
一种使用所述纸张脱酸系统的纸张脱酸的方法，包括如下步骤：
(1)将待脱酸纸张或古籍立式放置在旋转托架中，摆好后放入脱酸桶中，封闭脱酸桶，预抽真空，泵入脱酸液；
(2)启动电机，进行脱酸反应；
(3)反应结束后将脱酸液泵回脱酸液储罐；
(4)对脱酸桶进行抽真空，尾气通过冷凝器回收至脱酸液储罐；
(5)纸张或古籍烘干后取出。
步骤(1)中脱酸液为pH在10.0～13.0范围内的碱性溶液；其中，碱性物质为镁、钙或铝的氢氧化物，碳酸盐，碳酸氢盐或醋酸盐的微纳米粒子；溶剂为水或有机溶剂，优选卤代烃类有机溶剂。
步骤(1)中所述脱酸液含少量纸张补强剂，所述纸张补强剂为甲基硅酸钾、甲基硅酸钠、改性淀粉或改性纤维素。
步骤(1)中预抽真空至100Pa以下，脱酸液以盖住纸张或古籍上端为准。
步骤(2)中电机通过变速器控制转速在60rpm以下，正反方向交替旋转，交换频率为0.5min-3min，脱酸反应时间为30min～120min。
步骤(4)还包括对脱酸桶加热至室温～80℃。
本发明的有益效果为：
1、本发明脱酸系统及脱酸方法不仅限于单页纸张或整本书籍，一方面，通过抽真空，可以将书页中的气体抽出，因为若不抽真空，页面吸附的气体膜层以及页面间留存气体形成的气泡，都会阻碍脱酸液与待脱酸纸张的充分接触，脱酸效率和脱酸均匀性均受到负面影响。另一方面，在真空辅助条件下，将书籍等立式放置，进一步利用旋转托架的正反交替旋转有利于书页适当散开，这样可以加速脱酸液在立式放置的书籍中扩散，脱酸液的充分、均匀扩散有利于固态碱性颗粒扩散，不仅有利于实现均匀脱酸，而且有利于碱(颗粒)保留的均匀分布，从而既能实现提高脱酸效率，而且可以长期保持良好的脱酸状态，延长书籍保存寿命；相对于脱酸时书籍水平堆放，优势明显，因为水平堆放时，受重力影响，书页间受压而紧密接触，这样不利于脱酸液的充分、均匀扩散，脱酸效率及脱酸效果均不如本专利技术。此外，本申请技术通过脱酸后抽真空和辅助加热的方式可加快脱酸后书籍的干燥，提高批量化处理效率。
2、脱酸系统的集成和自动化程度高，造价低，使用和清洗方便，适用于有机和无机体系的脱酸液。
3、利用脱酸液注入和回流装置回收脱酸液，循环利用，脱酸过程安全环保；脱酸后纸张无变形、无粘连、无字迹和颜色变化，同时可增强脱酸后纸张的强度，有利于延长纸质资料的保存寿命。
附图说明
图1是本发明纸张脱酸系统的结构示意图，
其中，1-脱酸反应器，11-脱酸桶，12-加热系统，13-隔热保护层，14-旋转托架，15-压力控制装置，16-温度控制装置；2-驱动系统，21-电机，22-变速箱；3-脱酸液注入和回流系统，31-脱酸液储罐，32-离心泵，33-进口阀，34-出口阀；4-抽真空系统，41-真空泵，42-第一真空球阀；5-脱酸液回收装置，51-第二真空球阀，52-冷凝器；6-智能操作控制台。
具体实施方式
以下实施例便于更好地理解本发明。
实施例1
一种具有旋转托架的纸张脱酸系统如图1所示，包括脱酸反应器1、驱动系统2、脱酸液注入和回流系统3、抽真空系统4、脱酸液回收装置5和智能操作控制台6。
脱酸液储罐31的出口通过离心泵32和进口阀33与脱酸桶11的脱酸液进口相连，脱酸桶11的脱酸液出口通过出口阀34和离心泵32与脱酸液储罐31的出口相连，脱酸桶11的出口通过第一真空球阀42、真空泵41和第二真空球阀51与冷凝器52入口相连，冷凝器52的出口与脱酸液储罐31的入口相连，脱酸桶11内部包括旋转托架14，脱酸桶11外部有加热系统12。
所述脱酸桶11为圆筒形，材质为不锈钢；脱酸桶11的顶盖带有密封圈。
所述旋转托架14为圆筒形，叠加放置在脱酸桶11内，采用不锈钢管材制成，由立式多孔网分成多个扇形区，托架底部连接电机21和变速箱22，旋转托架14与电机21同步旋转，通过变速箱22改变电机21转动方向及转速。
所述加热系统12为加热包套，分三段控制，外部有隔热保护层13，所述隔热保护层13为钢丝网。
所述脱酸桶11还设有温度控制装置16和压力控制装置15；所述温度控制装置16为温度传感器，压力控制装置15为压力传感器。
所述纸张脱酸系统由智能操作控制台控制6。
所述冷凝器52为普通商用冷凝器，其容量与脱酸桶11体积相匹配。
所述真空泵41和离心泵32采用自动控制。
所述脱酸系统的脱酸方法包括以下步骤：
(1)将待脱酸纸张或古籍立式放置到旋转托架14中，书籍间预留松动空间，使得托架正反交替旋转时页面间可以产生松动，利于悬浮颗粒的扩散及在纸面的均匀附着，然后将旋转托架14放入脱酸桶11中，关闭脱酸桶盖，打开真空泵41和第一真空球阀42，预抽真空至100Pa以下，尽可能减少页面间残留气体对脱酸液扩散的阻碍，关闭第一真空球阀42，打开进口阀33，开启离心泵32，泵入脱酸液，以盖住书籍上端为准；
(2)启动电机21，进行脱酸反应，通过变速箱22控制电机21的旋转速度低于60rpm，同时控制电机21转动方向交替进行，交替周期为0.5min～3min，以利于页面间脱酸液的扩散，有助于碱保留的均匀分布，脱酸时间为30min～120min，具体脱酸时间根据待处理纸张(或书籍)的量及纸张初始pH值而定；
(3)反应结束后关闭进口阀33，同时打开出口阀34，利用离心泵将多余的脱酸液泵回脱酸液储罐31，然后关闭出口阀34；
(4)通过加热包套对脱酸桶11加热，温度不高于80℃，同时打开真空泵41、第一真空球阀42和第二真空球阀51抽真空，尾气通过冷凝器52冷凝后回收至脱酸液储罐31；也可以不加热，直接抽真空进行室温干燥；
(5)纸张(或书籍)烘干后取出检测脱酸效果，使得脱酸后纸张的pH在8.0～10.0之间，最后将纸张(或书籍)合理放置。
实施例2-8为利用实施例1脱酸系统对酸化纸张(或书籍)进行脱酸的实例。
实施例2
取pH值约为4.5的民国时期书籍若干，采用实施例1中纸张脱酸的方法，
步骤(1)中脱酸液为pH值为12.8的Mg(OH)2的全氟己烷悬浮液，同时脱酸液中含少量纸张补强剂改性淀粉。
步骤(1)中预抽真空至10Pa。
步骤(2)中电机的转速通过变速器控制在30rpm，正反方向交替旋转，交换频率为1min，脱酸反应时间为40min。
步骤(4)中加热温度为60℃，烘干120min。
分别取2g酸化纸张及脱酸处理后纸张浸泡在盛有100mL蒸馏水(pH＝6.3)的烧杯中，中间晃动一次，1h后，取出纸张，测其浸泡液的pH值及纸张强度变化。具体结果如表1。
表1脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000081
实施例3
取pH值约为5.7的民国时期书籍若干，采用实施例1中纸张脱酸的方法，
步骤(1)中脱酸液为pH值为12.1的Mg4Al-LDHs(结构式为[Mg8Al2(OH)20](CO3)·4H2O)的三氯三氟乙烷悬浮液，同时脱酸液中含少量纸张补强剂改性纤维素。
步骤(1)中预抽真空至60Pa。
步骤(2)中电机的转速通过变速器控制在45rpm，正反方向交替旋转，交换频率为3min，脱酸反应时间为30min。
步骤(4)中抽真空后室温晾干。
分别取2g酸化纸张及脱酸处理后纸张浸泡在盛有100mL蒸馏水(pH＝6.3)的烧杯中，中间晃动一次，1h后，取出纸张，测其浸泡液的pH值及纸张强度变化。具体结果如表2。
表2脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000091
实施例4
取pH值约为4.7的民国时期书籍若干，采用实施例1中纸张脱酸的方法，
步骤(1)中脱酸液为pH值为10.9的Mg10Al-LDHs(结构式为[Mg20Al2(OH)44](CO3)·4H2O)的1-氟-6-氯己烷悬浮液，同时脱酸液中含少量纸张补强剂改性淀粉。
步骤(1)中预抽真空至85Pa。
步骤(2)中电机的转速通过变速器控制在50rpm，正反方向交替旋转，交换频率为2min，脱酸反应时间为80min。
步骤(4)中抽真空后室温晾干。
分别取2g酸化纸张及脱酸处理后纸张浸泡在盛有100mL蒸馏水(pH＝6.3)的烧杯中，中间晃动一次，1h后，取出纸张，测其浸泡液的pH值及纸张强度变化。具体结果如表3。
表3脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000101
实施例5
取pH值约为5.2的民国时期书籍若干，采用实施例1中纸张脱酸的方法，
步骤(1)中脱酸液为pH值为11.4的镁铝复合氧化物Mg3Al-LDO(结构式[Mg6Al2(OH)16](CO3)·4H2O的350度焙烧产物)的全氟己烷悬浮液，同时脱酸液中含少量纸张补强剂改性纤维素。
步骤(1)中预抽真空至30Pa。
步骤(2)中电机的转速通过变速器控制在15rpm，正反方向交替旋转，交换频率为0.5min，脱酸反应时间为120min。
步骤(4)中抽真空后室温晾干。
分别取2g酸化纸张及脱酸处理后纸张浸泡在盛有100mL蒸馏水(pH＝6.3)的烧杯中，中间晃动一次，1h后，取出纸张，测其浸泡液的pH值及纸张强度变化。具体结果如表4。
表4脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000111
实施例6
取pH值约为5.2的民国时期书籍若干，采用实施例1中纸张脱酸的方法，
步骤(1)中脱酸液为pH值为11.2的镁铝复合氧化物Mg3Al-LDO(结构式[Mg6Al2(OH)16](CO3)·4H2O的600度焙烧产物)的全氟庚烷悬浮液，同时脱酸液中含少量纸张补强剂改性淀粉。
步骤(1)中预抽真空至20Pa。
步骤(2)中电机的转速通过变速器控制在30rpm，正反方向交替旋转，交换频率为1min，脱酸反应时间为60min。
步骤(4)中抽真空后室温晾干。
分别取2g酸化纸张及脱酸处理后纸张浸泡在盛有100mL蒸馏水(pH＝6.3)的烧杯中，中间晃动一次，1h后，取出纸张，测其浸泡液的pH值及纸张强度变化。具体结果如表5。
表5脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000112
实施例7
取pH值约为6.3的民国时期书籍若干，采用实施例1中纸张脱酸的方法，
步骤(1)中脱酸液为pH值为11.7的Mg10Al-LDHs(结构式为[Mg20Al2(OH)44](CO3)·4H2O)的1-氟-6-氯己烷悬浮液，同时脱酸液中含少量纸张补强剂改性淀粉。
步骤(1)中预抽真空至50Pa。
步骤(2)中电机的转速通过变速器控制在55rpm，正反方向交替旋转，交换频率为2.5min，脱酸反应时间为30min。
步骤(4)中抽真空后室温晾干。
分别取2g酸化纸张及脱酸处理后纸张浸泡在盛有100mL蒸馏水(pH＝6.3)的烧杯中，中间晃动一次，1h后，取出纸张，测其浸泡液的pH值及纸张强度变化。具体结果如表6。
表6脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000121
实施例8
脱酸液的重复使用：将实施例4中脱酸处理后回收的脱酸液，重复用于酸性纸张处理，条件同实施例4，结果如表7。该脱酸液重复使用七次仍然具有脱酸效果。
表7脱酸前后纸张pH值
Figure BDA0001448666910000131

Claims (2)

1.一种具有旋转托架的纸张脱酸系统，其特征在于，脱酸液储罐的出口通过离心泵和进口阀与脱酸桶的脱酸液进口相连，脱酸桶的脱酸液出口通过出口阀和离心泵与脱酸液储罐的出口相连，脱酸桶的出口通过第一真空球阀、真空泵和第二真空球阀与冷凝器入口相连，冷凝器的出口与脱酸液储罐的入口相连，脱酸桶内部包括旋转托架，脱酸桶外部有加热系统；所述纸张脱酸系统由智能操作控制台控制；
所述旋转托架为圆筒形，叠加放置在脱酸桶内，由立式多孔网分成扇形区；旋转托架底部连接电机和变速箱，旋转托架与电机同步旋转，通过变速箱改变电机转动方向及转速；
所述加热系统为加热包套或包裹隔热棉的加热丝，分三段控制，加热包套外部有隔热保护层。
2.一种使用权利要求1所述纸张脱酸系统的纸张脱酸的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待脱酸纸张或古籍立式放置在旋转托架中，摆好后放入脱酸桶中，封闭脱酸桶，预抽真空至100Pa以下，脱酸液以盖住纸张或古籍上端为准，泵入脱酸液；脱酸液为pH在10.0～13.0范围内的碱性溶液，溶剂为水或有机溶剂；
(2)启动电机，电机通过变速器控制转速在60rpm以下，正反方向交替旋转，交换频率为0.5min-3min，脱酸反应时间为30min～120min进行脱酸反应；
(3)反应结束后将脱酸液泵回脱酸液储罐；
(4)对脱酸桶进行抽真空，对脱酸桶加热至室温～80℃，尾气通过冷凝器回收至脱酸液储罐；
(5)纸张或古籍烘干后取出。
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