CN108589368A - 一种利用木材浆生产高纯纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，尤其是是以木材浆为原料，采用催化过氧化氢法制备纯纤维的方法。具体是将木材浆依次经过预处理阶段、酸处理阶段、氧环境处理、过氧化氢处理、氢氧化钠处理阶段、生物酶漂白阶段、臭氧漂白阶段、SO2洗涤和蒸馏水洗涤处理，得到亮度好、纯度高的木质纤维。该发明在漂白过程中未使用含氯化合物，因而不会产生AOX，也不会产生对环境和人体有害的物质二噁英。并且在过氧化氢处理前加入Cu（Ⅱ）络合物和NaOH溶液可以增强过氧化氢对于纤维中木质素的去除，提高纤维的纯度。同时将生物酶漂白与臭氧漂白结合，能够提高纤维的漂白效果。

Description

一种利用木材浆生产高纯纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，具体是一种将原浆提纯、漂白的方法。
技术背景
木材纤维原料包括针叶材原料和阔叶材原料，针叶材原料树种的材质一般比较松软，造纸行业用得最多的是云杉、冷杉、马尾松、落叶松等；阔叶材原料树种的材质较坚硬，造纸行业中所使用的仅是材质较松软的杨木、桦木、桉木、榉木等。木材制浆得率高、杂质少，滤水性好、易洗涤，抄造性能好，成纸强度大，白度高，不仅大量用于质量好、档次高的印刷用纸、生活用纸和包装用纸板，而且广泛用于工业、农业、国防、通讯、医疗卫生等领域技术含量高的纸种。并且木材制浆造纸企业规模较大，适合采用先进工艺与大型高效装备，有利于提高企业生产率，营建纸浆材速生丰产林，有利于企业发展与生态平衡，改善环境，且木材供应稳定、集中、便于运输保存，适于大型企业生产所需的原料。但是，木材纤维在制造时需要经过纯化和漂白过程，漂白技术仍然在使用氯气和次氯酸盐漂白。但是此类漂白废水中含有包括二恶英和AOX在内的一系列有机卤化物，对人类的健康和环境均将造成巨大的危害，含氯漂白所产生的污染相当严重，已远不能满足环境保护对漂白废水中有机卤化物排放量限制的要求。目前，国际上已明令禁止采用含氯漂白方法。因此，尽快找到适用草浆的无氯漂白方法迫在眉捷。
中国专利CN101812812B提供了一种无元素氯的漂白方法，所述方法采用D 段加上P 段的两段漂白，从源头上消除了二恶英和AOX，采用本发明所述的方法对草浆进行漂白，解决了污染最为严重的含氯漂白废水的问题，而且漂白流程简单可行。但是该方法主要应用于软木纤维的漂白。
中国专利CN1312354C 提供了一种含有木质纤维素的非木纸浆的漂白方法，包括用二氧化氯进行处理，再在最高pH 约2.9 的条件下，在独立的段中用螯合剂进行处理，最后用含过氧化物的化合物进行最终漂白，其中在二氧化氯处理和螯合剂处理之间进行洗涤。该专利的发明点在于找到了适合于草浆的螯合剂的处理条件，以及二氧化氯处理和螯合剂处理之间必须进行洗涤。
中国专利CN1065578C提供了以若干阶段对化学浆料进行漂白后的最后漂白阶段，包括D段，Q段和P段，Q段和D段进行互换位置，并且该两段之间无需进行洗涤。然而，该专利方法仅仅涉及化学木浆漂白方法的最后漂白工段；并没有涉及草浆的漂白。此外，所述最后漂白工段也只是停留在设想阶段，仅仅是理论上的推测，无具体的技术手段和实施例。
中国专利CN103061185B提供了一种纸浆全无氯漂白方法，第一步：采用氧脱木素漂白：将未经漂白的浆料送入氧漂反应塔，此时浆料浓度为8%至12%，向氧漂反应塔中依次加入纯度为93%的氧气、NaOH、MgSO4和H2O2后进行反应。该发明有效实现无氯漂白，其中酶对木素的降解作用，在不同漂白过程中，能降低漂白化学品的用量，采用酸处理漂白浆，可以将漂白浆中的铁、铜、锰等金属离子除掉，提高浆料白度，没有酸碱交替进行的漂白工艺，使得漂白废水可以循环使用，由于在纸浆漂白过程中无氯参与漂白，因此防止二噁英的生成，因此废水中的污染物减少，从而降低了环境污染，提高了产品质量。但是该专利提供的方法过程复杂，不利于工业化生产。
针对目前浆料制备纤维过程中存在的污染严重、过程复杂等问题，本专利提供了一种利用木材浆料生产纤维的方法，过程无氯，其能有效解决现有的纸浆漂白工艺中使用氯而产生有害物质的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题而提供一种利用木材浆料生产纤维的方法，该方法为全无氯漂白工艺，工艺简单，操作方便，并且得到的纤维纯度高，从根本上解决纤维生产过程中的污染问题。
本发明提供了一种利用木材浆生产高纯度纤维的方法，所述方法是以木材浆为原料，采用催化过氧化氢法制备纯纤维素的方法，具体方法是按下列步骤进行的：
步骤一，预处理阶段
将质量分数为10~20%的木材浆与质量分数为1~1.5%的NaOH和质量分数为0.05~0.13%的纤维素保护剂，加入到微波反应釜中，向反应釜中冲入氧气与臭氧混合物使压力达到4bar，100℃反应20~30min，将反应后的样品用蒸馏水洗涤，得到样品A；
步骤二，酸处理阶段
将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，然后加入质量分数为0~0.5%的1,3-二酮，调节混合溶液的浓度为10~20%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1~5.2，调节水浴锅温度，温度80~89℃下反应1.1~1.5h；
步骤三，氧环境处理
将步骤二聚乙烯袋中反应后的样品直接加入到旋转反应器中，然后加入质量分数为0.02~0.13%Na2SiO3，冲入氧气使压力达到0~5 bar，并通过程序升温控制处理温度；
步骤四，过氧化氢处理
将质量分数为0~0.1%的Cu（Ⅱ）络合物、质量分数为1~2.5%的NaOH和质量分数为1~2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，充入氧气，然后加水调节浆料的质量分数为10~15%，调节水浴锅加热，温度80~90℃下反应2h；
步骤五，氢氧化钠处理阶段
将步骤四得到的浆与质量分数为0~7.5%的NaOH混合，调节浆料的质量分数为10~20%，室温下搅拌1h，然后水洗至pH为7；
步骤六，生物酶漂白阶段
将步骤五得到的浆料中加入生物酶，同时通入氧气进行反应，生物酶的用量为0~40g生物酶/t浆料，30~50℃下反应40~80min；
步骤七，臭氧漂白阶段
将步骤六得到的浆料离心脱水至质量浓度为30~40%，加入到离散设备中使变疏松，然后加入到旋转反应器中，向反应器中通入臭氧；
步骤八，SO2洗涤
将步骤七的浆料加入玻璃反应器中，向玻璃反应器同时通入SO2气体和水蒸气，持续1~2h；
步骤九，蒸馏水洗涤
将步骤八所得浆料进一步用蒸馏水洗涤，然后将浆料平衡水分后备用。
优选地，上述方法中原料浆为苹果树木浆，梨树木浆，桃树木浆以及两种或者多种混合。
优选地，上述方法中所述步骤一中的纤维素保护剂为MgSO4或者MgO。
优选地，上述方法中所述步骤一中氧气与臭氧混合物的质量比为1：2。
优选地，上述方法中所述步骤三中程序升温过程的控制为30min升温至90℃，然后恒温60min，最后20min温度降至50℃。
优选地，上述方法中所述步骤四中Cu（Ⅱ）络合物为氨基醋酸铜，由CuSO4与甘氨酸作用合成。
优选地，上述方法中所述步骤四中Cu（Ⅱ）络合物、NaOH溶液和H2O2溶液的加入顺序为先加入Cu（Ⅱ）络合物，接着加入NaOH溶液，最后加入H2O2溶液。
优选地，上述方法中所述步骤六中使用的生物酶为漆酶。
优选地，上述方法中所述步骤八中通入SO2气体和水蒸气的质量分数比为1:2~3。
预处理阶段主要是在氧气和臭氧环境下，对木材浆进行脱木素处理，其中加入纤维素保护剂主要是为了防止在脱木素过程中纤维素降解和纸浆粘度下降。
酸处理阶段主要是为了去除浆中的金属离子，其中加入1,3-二酮可以与金属离子发生反应使其溶出，然后达到过氧化氢处理所需要的金属离子分布，其主要是因为金属离子的存在会加速过氧化氢的分解。
过氧化氢处理阶段主要对浆料中含有的木质素进行脱离，其中在加入过氧化氢前加入Cu（Ⅱ）络合物和NaOH溶液可以引起纤维素的氧化反应，形成羰基官能团，而过氧化氢主要与羰基发生反应，使其氧化，改变其结构或者使侧链断裂。
生物酶漂白阶段主要使用漆酶，漆酶是一种含铜的酚氧化酶，以分子氧为氧化剂，将酚型结构的木素单元氧化成酚氧游离基，同时将分子氧还原成水。并且在氧气环境下，漆酶的脱木素效果增强。
本发明漂白过程中未使用含氯化合物，因而不会产生AOX，也不会产生对环境和人体有害的物质二噁英。并且在过氧化氢处理前加入Cu（Ⅱ）络合物和NaOH溶液可以增强过氧化氢对于纤维中木质素的去除，提高纤维的纯度。同时将生物酶漂白与臭氧漂白结合，能够提高纤维的漂白效果。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明：
实施例1：
一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，包括以下步骤：
步骤一，预处理阶段
将质量分数为10%的苹果树木浆与质量分数为1%的NaOH和质量分数为0.13%的纤维素保护剂MgSO4，加入到微波反应釜中，向反应釜中冲入质量比为1:2的氧气与臭氧混合物使压力达到4bar，100℃反应30min，将反应后的样品用蒸馏水洗涤，得到样品A；
步骤二，酸处理阶段
将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，然后加入质量分数为0.3%的1,3-二酮，调节混合溶液的浓度为10%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1，调节水浴锅温度，温度89℃下反应1.1h；
步骤三，氧环境处理
将步骤二聚乙烯袋中反应后的样品直接加入到旋转反应器中，然后加入质量分数为0.02%Na2SiO3，冲入氧气使压力达到5 bar，并通过程序升温控制处理温度，先30min升温至90℃，然后恒温60min，最后20min温度降至50℃；
步骤四，过氧化氢处理
将质量分数为0.1%的氨基醋酸铜络合物、质量分数为1%的NaOH和质量分数为2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，充入氧气，然后加水调节浆料的质量分数为15%，调节水浴锅加热，温度90℃下反应2h；
步骤五，氢氧化钠处理阶段
将步骤四得到的浆与质量分数为7.5%的NaOH混合，调节浆料的质量分数为10%，室温下搅拌1h，然后水洗至pH为7；
步骤六，生物酶漂白阶段
将步骤五得到的浆料中加入漆酶，同时通入氧气进行反应，漆酶的用量为20g生物酶/t浆料，30℃下反应40min；
步骤七，臭氧漂白阶段
将步骤六得到的浆料离心脱水至质量浓度为30%，加入到离散设备中使变疏松，然后加入到旋转反应器中，向反应器中通入臭氧；
步骤八，SO2洗涤
将步骤七的浆料加入玻璃反应器中，向玻璃反应器同时通入SO2气体和水蒸气，其质量分数比为1:2，持续1h；
步骤九，蒸馏水洗涤
将步骤八所得浆料进一步用蒸馏水洗涤，然后将浆料平衡水分后备用；
对比例1：
将实施例1中步骤二改为“将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，调节混合溶液的浓度为10%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1，调节水浴锅温度，温度89℃下反应1.1h”，其余步骤与实施例1相同。
其中对实施例1和对比例1所得样品中金属离子进行测试，结果如表1：
从表1中可以看出，四乙酰甘脲的加入能够促进木材浆料在漂白纯化过程中对于金属离子Cu、Fe、Mn和Mg的脱除；
实施例2：
一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，包括以下步骤：
步骤一，预处理阶段
将质量分数为10%的苹果树木浆与质量分数为1%的NaOH和质量分数为0.13%的纤维素保护剂MgSO4，加入到微波反应釜中，向反应釜中冲入质量比为1:2的氧气与臭氧混合物使压力达到4bar，100℃反应30min，将反应后的样品用蒸馏水洗涤，得到样品A；
步骤二，酸处理阶段
将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，然后加入质量分数为0.3%的1,3-二酮，调节混合溶液的浓度为10%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1，调节水浴锅温度，温度89℃下反应1.1h；
步骤三，氧环境处理
将步骤二聚乙烯袋中反应后的样品直接加入到旋转反应器中，然后加入质量分数为0.02%Na2SiO3，并通过程序升温控制处理温度，先30min升温至90℃，然后恒温60min，最后20min温度降至50℃；
步骤四，过氧化氢处理
将质量分数为0.1%的氨基醋酸铜络合物、质量分数为1%的NaOH和质量分数为2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，然后加水调节浆料的质量分数为15%，调节水浴锅加热，温度90℃下反应2h；
步骤五，氢氧化钠处理阶段
将步骤四得到的浆与质量分数为7.5%的NaOH混合，调节浆料的质量分数为10%，室温下搅拌1h，然后水洗至pH为7；
步骤六，生物酶漂白阶段
将步骤五得到的浆料中加入漆酶，同时通入氧气进行反应，漆酶的用量为20g生物酶/t浆料，30℃下反应40min；
步骤七，臭氧漂白阶段
将步骤六得到的浆料离心脱水至质量浓度为30%，加入到离散设备中使变疏松，然后加入到旋转反应器中，向反应器中通入臭氧；
步骤八，SO2洗涤
将步骤七的浆料加入玻璃反应器中，向玻璃反应器同时通入SO2气体和水蒸气，其质量分数比为1:2，持续1h；
步骤九，蒸馏水洗涤
将步骤八所得浆料进一步用蒸馏水洗涤，然后将浆料平衡水分后备用；
对比例2：
将实施例2中步骤四改为“将质量分数为1%的NaOH和质量分数为2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，充入氧气，然后加水调节浆料的质量分数为15%，调节水浴锅加热，温度90℃下反应2h”，其余步骤与实施例2相同。
其中对实施例2和对比例2所得样品进行测试，结果如表2：
从表2中可以看出，在生产纤维过程中，氨基醋酸铜络合物及是否在充入氧气均对得到原料纤维的亮度和纯度有影响；
实施例3：
一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，包括以下步骤：
步骤一，预处理阶段
将质量分数为10%的苹果树木浆与质量分数为1%的NaOH和质量分数为0.13%的纤维素保护剂MgSO4，加入到微波反应釜中，向反应釜中冲入质量比为1:2的氧气与臭氧混合物使压力达到4bar，100℃反应30min，将反应后的样品用蒸馏水洗涤，得到样品A；
步骤二，酸处理阶段
将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，然后加入质量分数为0.3%的1,3-二酮，调节混合溶液的浓度为10%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1，调节水浴锅温度，温度89℃下反应1.1h；
步骤三，氧环境处理
将步骤二聚乙烯袋中反应后的样品直接加入到旋转反应器中，然后加入质量分数为0.02%Na2SiO3，并通过程序升温控制处理温度，先30min升温至90℃，然后恒温60min，最后20min温度降至50℃；
步骤四，过氧化氢处理
将质量分数为0.1%的氨基醋酸铜络合物、质量分数为1%的NaOH和质量分数为2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，充入氧气，然后加水调节浆料的质量分数为15%，调节水浴锅加热，温度90℃下反应2h；
步骤五，氢氧化钠处理阶段
将步骤四得到的浆与质量分数为7.5%的NaOH混合，调节浆料的质量分数为10%，室温下搅拌1h，然后水洗至pH为7；
步骤六，生物酶漂白阶段
将步骤五得到的浆料中加入漆酶，同时通入氧气进行反应，漆酶的用量为40g生物酶/t浆料，30℃下反应40min；
步骤七，臭氧漂白阶段
将步骤六得到的浆料离心脱水至质量浓度为30%，加入到离散设备中使变疏松，然后加入到旋转反应器中，向反应器中通入臭氧；
步骤八，SO2洗涤
将步骤七的浆料加入玻璃反应器中，向玻璃反应器同时通入SO2气体和水蒸气，其质量分数比为1:2，持续1h；
步骤九，蒸馏水洗涤
将步骤八所得浆料进一步用蒸馏水洗涤，然后将浆料平衡水分后备用；
对比例3：
将实施例3中步骤六改为“通入氧气进行反应，30℃下反应40min”，其余步骤与实施例3相同。
其中对实施例3和对比例3所得样品进行测试，结果如表3：
表3将实施例1、3和对比例3对比，可以发现，随着步骤六中加入漆酶含量的增加，得到产品纤维的亮度和纯度都提高；
实施例4：
一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，包括以下步骤：
步骤一，预处理阶段
将质量分数为10%的苹果树木浆与质量分数为1%的NaOH和质量分数为0.13%的纤维素保护剂MgSO4，加入到微波反应釜中，向反应釜中冲入质量比为1:2的氧气与臭氧混合物使压力达到4bar，100℃反应30min，将反应后的样品用蒸馏水洗涤，得到样品A；
步骤二，酸处理阶段
将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，然后加入质量分数为0.3%的1,3-二酮，调节混合溶液的浓度为10%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1，调节水浴锅温度，温度89℃下反应1.1h；
步骤三，氧环境处理
将步骤二聚乙烯袋中反应后的样品直接加入到旋转反应器中，然后加入质量分数为0.02%Na2SiO3，并通过程序升温控制处理温度，先30min升温至90℃，然后恒温60min，最后20min温度降至50℃；
步骤四，过氧化氢处理
将质量分数为0.1%的氨基醋酸铜络合物、质量分数为1%的NaOH和质量分数为2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，充入氧气，然后加水调节浆料的质量分数为15%，调节水浴锅加热，温度90℃下反应2h；
步骤五，氢氧化钠处理阶段
将步骤四得到的浆与质量分数为7.5%的NaOH混合，调节浆料的质量分数为10%，室温下搅拌1h，然后水洗至pH为7；
步骤六，生物酶漂白阶段
将步骤五得到的浆料中加入漆酶，同时通入氧气进行反应，漆酶的用量为40g生物酶/t浆料，30℃下反应40min；
步骤七，SO2洗涤
将步骤六的浆料加入玻璃反应器中，向玻璃反应器同时通入SO2气体和水蒸气，其质量分数比为1:2，持续1h；
步骤八，蒸馏水洗涤
将步骤七所得浆料进一步用蒸馏水洗涤，然后将浆料平衡水分后备用。
将实施例3与4得到产品进行测试，结果如表4：
将实施例3和4对比发现，在漂白纯化过程中，臭氧处理能够明显提高纤维的亮度。

Claims (9)

1.一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，所述方法是以木材浆为原料，采用催化过氧化氢法制备纯纤维的方法，具体方法是按下列步骤进行的：
步骤一，预处理阶段
将质量分数为10~20%的木材浆与质量分数为1~1.5%的NaOH和质量分数为0.05~0.13%的纤维素保护剂，加入到微波反应釜中，向反应釜中冲入氧气与臭氧混合物使压力达到4bar，100℃反应20~30min，将反应后的样品用蒸馏水洗涤，得到样品A；
步骤二，酸处理阶段
将一定量的样品A装入聚乙烯袋中，然后加入质量分数为0~0.5%的1,3-二酮，调节混合溶液的浓度为10~20%，并加入一定量的硫酸使pH达到3.1~5.2，调节水浴锅温度，温度80~89℃下反应1.1~1.5h；
步骤三，氧环境处理
将步骤二聚乙烯袋中反应后的样品直接加入到旋转反应器中，然后加入质量分数为0.02~0.13%Na2SiO3，冲入氧气使压力达到0~5 bar，并通过程序升温控制处理温度；
步骤四，过氧化氢处理
将质量分数为0~0.1%的Cu（Ⅱ）络合物、质量分数为1~2.5%的NaOH和质量分数为1~2%的H2O2加入步骤三得到浆的聚乙烯袋中，充入氧气，然后加水调节浆料的质量分数为10~15%，调节水浴锅加热，温度80~90℃下反应2h；
步骤五，氢氧化钠处理阶段
将步骤四得到的浆与质量分数为0~7.5%的NaOH混合，调节浆料的质量分数为10~20%，室温下搅拌1h，然后水洗至pH为7；
步骤六，生物酶漂白阶段
将步骤五得到的浆料中加入生物酶，同时通入氧气进行反应，生物酶的用量为0~40g生物酶/t浆料，30~50℃下反应40~80min；
步骤七，臭氧漂白阶段
将步骤六得到的浆料离心脱水至质量浓度为30~40%，加入到离散设备中使变疏松，然后加入到旋转反应器中，向反应器中通入臭氧；
步骤八，SO2洗涤
将步骤七的浆料加入玻璃反应器中，向玻璃反应器同时通入SO2气体和水蒸气，持续1~2h；
步骤九，蒸馏水洗涤
将步骤八所得浆料进一步用蒸馏水洗涤，然后将浆料平衡水分后备用。
2.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：原料浆为苹果树木浆，梨树木浆，桃树木浆以及两种或者多种混合。
3.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤一中的纤维素保护剂为MgSO4或者MgO。
4.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤一中氧气与臭氧混合物的质量比为1：2。
5.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤三中程序升温过程的控制为30min升温至90℃，然后恒温60min，最后20min温度降至50℃。
6.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤四中Cu（Ⅱ）络合物为氨基醋酸铜，由CuSO4与甘氨酸作用合成。
7.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤四中Cu（Ⅱ）络合物、NaOH溶液和H2O2溶液的加入顺序为先加入Cu（Ⅱ）络合物，接着加入NaOH溶液，最后加入H2O2溶液。
8.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤六中使用的生物酶为漆酶。
9.根据权利要求书1所述的一种利用木材浆生产高纯纤维的方法，其特征在于：所述步骤八中通入SO2气体和水蒸气的质量分数比为1:2~3。
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