CN111344455B - 用于增强化学木浆的氧脱木质素的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种生产高产率牛皮纸浆的方法。具体来说,所述方法涉及向制浆工艺中添加包括有机胺膦酸盐和磺化直链醇乙氧基化物表面活性剂的组合物。所述组合物增强化学木浆中纤维素纤维的脱木质素。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月11日提交的第62/556,706号美国临时专利申请的优先权,该申请的全部内容以引用方式并入本文中。
背景技术
本发明涉及增强化学木浆中纤维素纤维的脱木质素的组合物。确切地说,所述组合物可以在化学制浆和木浆洗涤之后添加。
所述纸浆可以由任何木材品种(wood species)、硬木或软木以及农业生物质制备,包括但不限于竹类、甘蔗渣、谷草和一年生草。将木材品种转化成化学木浆的制浆工艺包括牛皮纸制浆工艺、中性和酸性亚硫酸盐制浆、碱化制浆(有或没有其他催化剂,例如蒽醌)和溶剂制浆。
化学木浆通常使用加压氧气进行脱木质素(氧脱木质素),以将木质素含量降低40-70%。脱木质素通常在多段漂白之前进行。通常用在此过程中的木浆由木质素含量为3-7%的软木以及含有2-4%木质素的硬木制成。这些纸浆通常通过使用已知方法的牛皮纸制浆工艺来制造,使得当牛皮纸蒸煮较早地(或在较温和蒸煮之后)终止时,得到木质素含量较高的较大量纸浆(较高产率)。
用于增强木浆的脱木质素的现有方法涉及在2-阶段氧气脱木质素过程中用组合物处理的纸浆。高卡伯值(kappa number)纸浆的脱木质素通常需要采用更具侵袭性或更苛刻的条件来获得较低的预期卡帕值纸浆。侵袭性条件是指降低卡伯值的工艺条件需要更高的温度、更高的碱度、更长的时间或者这些因素的各种组合,才能将木质素含量降低40-70%。由于这些苛刻或侵袭性条件,可能导致纤维素损耗与苛刻程度较低的条件相比更高。但是,这些条件也可能导致溶液粘度(TAPPI T230 om-13)所定义的纸浆质量降低。化学纸浆处理中的氧脱木质素阶段在有限程度上降低了残留的纸浆木质素,但同时氧化裂解了纤维素链(解聚)并降低了纸浆的物理性质。这是对其更有效利用的限制因素。如果可以改善或增强氧脱木质素的过程,甚至可以去除更多木质素,但是在目前实践中,这会导致纤维产物被不可接受的弱化,如纸浆粘度和纤维拉伸强度TAPPI T231 cm-07所衡量。
基本化学反应、此工艺的工业应用以及上述局限性在McDonough,Thomas J.,Oxygen Delignification,Chapter IV-1in;Pulp Bleaching.Principles andPractices,Dence&Reeve Eds.1996中所述。过去,控制纸浆质量的重点一直是优化反应参数以最大程度地减少纤维素解聚。除了最初发现镁盐作为纤维素保护剂外,对有益化学添加剂的描述很少。最近一篇论文“Oxygen Delignification Process Chemistry forACACIA”,Widiatmoko,Georgia Institute of Technology,December 2006详细描述了漂白牛皮纸浆生产中的脱木质素工艺。但是,镁添加剂在被提及时,仅说到增强氧脱木质素的最重要因素之一是化学品与相应纸浆的有效混合。没有教导表明,当前正在教导的化学添加剂将对降低牛皮纸浆的卡伯值有任何影响。
第6,454,900B2号美国专利公开了一种用于降低中等稠度纸浆的卡伯值的2-阶段氧脱木质素方法,其中所述系统的温度、压力和碱度被优化。然而,没有提及会增强氧脱木质素过程的具体化学添加剂。
在当前的实践中,氧脱木质素过程中使用化学添加剂来抑制纤维素解聚并保护纸浆强度。镁盐是最常用的(通常作为泻盐MgSO4·7H2O的形式施用),但也发现其他有机络合剂或螯合剂可以保护纤维素。
加拿大专利1 120 210(Monsanto)公开了将氨基亚甲基膦酸盐螯合剂与镁盐组合一起添加,所述添加被发现当膦酸盐的添加量大于纸浆干重(以下描述为烘干重量,OD)的0.1%时是有效的。该专利公开了将二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)添加到pH中性溶液中,在该溶液中,DTPMP通常被约7个钠阳离子取代(DTPMP·7Na)。但是,没有公开可能增强脱木质素和纤维素保护性能的其他材料,例如表面活性剂或聚合物。
US 2007/0272378 A1公开了一种通过添加阴离子表面活性剂和聚合的过氧化物稳定剂来减少机械纸浆的过氧化物漂白中的萃取物的方法,所述方法通过将萃取物保持在水相中来抑制萃取物在纸浆纤维上的沉淀。但是,没有公开或教导与化学纸浆一起使用或化学纸浆上使用的氧脱木质素工艺一起使用以保护纤维素并增强脱木质素,这不是过氧化物漂白工艺的一部分。
JP2000/080582(Mitsubishi)教导,通过在纸浆中单独添加膦酸盐螯合剂或添加膦酸盐螯合剂与表面活性剂的组合,氧漂白中可以降低中等浓度化学纸浆的卡伯值。描述了一种替代性2-阶段方法,其中一个阶段可以是酸性的而另一阶段可以是碱性的。没有关于添加硫酸镁以保护纤维素粘度的公开内容。
在其他氧漂白工艺中,US4406735和US4439271描述了在纤维素纸浆脱木质素之前,在碱性氧漂白的一个或两个阶段中用二氧化氮对纸浆进行的预处理。US4372811教导了一种化学纤维素纸浆的碱性氧脱木质素和漂白,同时通过除了添加镁和螯合剂之外,添加一种或多种芳族二胺来抑制纸浆中碳水化合物的降解,其中所述螯合剂包括氨基亚甲基膦酸,例如二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)。没有关于添加材料例如表面活性剂或聚合物以增强脱木质素并保护纤维素粘度的公开内容。
一项已发表的研究表明,在蔗渣的碱法制浆中使用表面活性剂可降低卡伯值,并提高所得纸浆的收率和亮度。但是,该研究限于漂白实验和漂白过程(BioResources,4(4),1267-1275,2009,“Soda Pulping with Surfactants”,Hamzeh et al)。US 2005/0217813A1公开了二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)可以维持或增加纸浆的亮度水平,同时降低漂白化学品的含量,但是没有提及氧脱木质素。
经氧脱木质素的化学纸浆会遭受纤维素降解,当脱木质素到表示残留木质素含量或可漂白性的相同最终卡伯值(通过TAPPI T 236 om-13确定)时,该降解在纸浆通过一阶段系统进行处理时比通过2-阶段系统进行处理时更高。所述2-阶段系统使得纸浆与一阶段系统相比在较短时间内首先达到更高pH、更高氧气压力和较低温度,然后所述纸浆可以在第二阶段中在较低压力、较低pH值和较高温度下处理较长时间。US 6,454,900(Sunds2002)中公开了2-阶段氧脱木质素的工艺。所述工艺涉及在两种不同条件下的两种单独氧处理。
当前方法提供了对氧脱木质素工艺的强化,其中实现了较低的膦酸盐水平,并且在一些实施方案中,实现镁盐被完全去除。还需要通过减少在制浆和漂白操作中使用的含磷和氮的化学品的量来改善制浆厂的环境性能。此外,显然需要改进氧脱木质素的方法,以减少木质素含量,增加所生产纤维的强度,并提高纤维产率。已经发现本发明的配制物可以实现上述所有优点。
发明内容
本发明的方法涉及生产高产率的牛皮纸浆。具体来说,所述方法包括添加包括有机胺膦酸盐和磺化直链醇乙氧基化物表面活性剂,确切地说,月桂基醚硫酸钠(SLES)的组合物。所述组合物可以任选地包括镁盐中作为二价阳离子(Mg2+)的镁源,例如硫酸镁(MgSO4)、七水硫酸镁(MgSO4·7H2O)、氧化镁(MgO)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、乙酸镁(Mg(CH3COO)2)、四水乙酸镁合(Mg(CH3COO)2·4H2O)和碳酸镁(MgCO3)。
在另一方面中,提供了一种生产高产率氧脱木质素牛皮纸浆的方法,其中所述牛皮纸浆具有对于硬木纸浆而言的卡伯值至少约30,并且可以是至少约23,并且可以是至少约20;或者对于软木纸浆的卡伯值至少约40,并且可以是至少约33,并且可以是至少约30。所述牛皮纸浆用包括以下项的组合物处理:a)有机胺膦酸盐(organic aminephosphonate),所述有机胺膦酸盐的量基于活性酸重量是约0.6千克每公吨干重纸浆(kg/MT)至约1.2kg/MT;b)镁盐,所述镁盐的量是基于无水重量的约0.1kg/MT到约3.2kg/MT;以及c)选自由磺化直链醇乙氧基化物构成的群组中的表面活性剂,所述表面活性剂的量基于活性物重量是约0.08kg/MT到约0.16kg/MT。所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。在本发明的上下文中,短语“活性酸”或“活性固体”或“活性物”是指施加于纸浆的组合物中每种化学品的重量。
在本发明方法的另一方面中,添加到所述牛皮纸浆中的所述组合物包括有机胺膦酸盐和阴离子聚丙烯酸盐,确切地说,聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)。
在本发明方法的其他方面中,所述有机胺膦酸盐可以是二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基三亚甲基膦酸盐(ATMP)、(双)六亚甲基三胺五亚甲基膦酸(BHMTPMP)和多氨基聚醚亚甲基膦酸盐(PAPEMP),并且所述阴离子聚丙烯酸盐是聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)。
在所述方法的其他方面中,2-阶段氧脱木质素工艺中的第一阶段的温度是约80摄氏度(℃)到约100℃,并且第二阶段的温度是约90℃到约120℃;并且所述第一阶段的压力是约80磅每平方英寸(psi)到约120psi O2,可以是90psi到110psi O2,并且第二阶段的压力是约25psi到约90psi,可以是约50psi到90psi O2,可以是60psi到90psi O2。
在所述方法的其他方面中,提供了一种牛皮纸浆,所述牛皮纸将具有对于硬木纸浆而言的卡伯值至少约30,并且可以是至少约23,并且可以是至少约20,或者对于软木纸浆而言的卡伯值至少约40,可以是至少约33,并且可以是至少约30;并且用包括以下项的组合物处理所述牛皮纸浆:a)有机胺膦酸盐,所述有机胺膦酸盐的量是基于活性酸约0.17kg/MT到约0.57g/MT;b)镁盐,所述镁盐的量是基于无水重量的约0kg/MT到约3.2kg/MT;以及c)阴离子聚丙烯酸盐,例如聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS),所述阴离子聚丙烯酸盐的量基于活性物重量是约0.43kg/MT到约1.43kg/MT;并且其中所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。
根据本发明方法,所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。
附图说明
图1示出,优选的木质素去除/卡伯值降低朝向左侧,并且优选的较高粘度保护朝向顶部。
图2示出在各种表面活性剂的不良混合条件下并且没有表面活性剂的情况下的卡伯值。
图3示出在各种卡伯值下的处理后和未处理纸浆的纸浆粘度。
图4示出在各种卡伯值下的处理后和未处理纸浆的纸浆粘度。
图5示出处理后和未处理纸浆的最终卡伯值。
图6示出处理后和未处理纸浆的最终卡伯值。
图7示出在各种反应条件下的处理后纸浆的最终纸浆卡伯值。
图8示出在各种反应条件下的处理后纸浆的最终纸浆粘度。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的,并不意图限制本发明或本发明的应用和使用。此外,本发明并不意图受前述本发明背景或以下详细描述中提出的任何理论的束缚。
在本发明方法的一个方面中涉及生产高产率牛皮纸浆,包括:提供牛皮纸浆,所述牛皮纸浆具有对于硬木纸浆而言的卡伯值至少约30,并且可以是至少约23,并且可以是至少约20,或者对于软木纸浆而言的卡伯值至少约40,并且可以是至少约33,并且可以是至少约30;用包括以下项的组合物处理所述牛皮纸浆:a)有机胺膦酸盐;b)镁盐;以及c)一种或多种磺化乙氧基化物;其中所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。具体来说,所述一种或多种磺化乙氧基化物是月桂基醚磺酸钠(SLES)、月桂基醚磷酸钠(SLEP)或月桂基硫酸钠(SLS)。参见下式I-III。
在另一方面中,所述组合物的有机胺膦酸盐选自二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)、氨基三亚甲基膦酸盐(ATMP)、(双)六亚甲基三胺五亚甲基膦酸(BHMTPMP)和多氨基聚醚亚甲基膦酸盐(PAPEMP),并且二价镁阳离子Mg2+来自镁盐,例如硫酸镁或七水合硫酸镁。参见下式IV-VII。
在又一个方面中,所述氧脱木质素工艺是一阶段或2-阶段氧脱木质素工艺,其中生产高产率氧脱木质素牛皮纸浆的方法包括:提供牛皮纸浆,所述牛皮纸浆具有对于硬木纸浆而言的卡伯值至少约30,并且可以是至少约23,并且可以是至少约20,或者对于软木纸浆而言的卡伯值至少约40,并且可以是至少约33,并且可以是至少约30;所述牛皮纸浆用包括以下项的组合物处理:a)有机胺膦酸盐,所述有机胺膦酸盐的量基于活性酸重量是约0.6kg/MT到约1.2kg/MT;b)镁盐,所述镁盐的量是基于无水重量的约0.1kg/MT到约3.2kg/MT;以及c)选自由磺化直链醇乙氧基化物构成的群组中的表面活性剂,所述表面活性剂的量基于活性物重量是约0.08kg/MT到约0.16kg/MT;并且其中所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。
在另一个方面中,本发明方法涉及通过提供对于硬木纸浆而言的卡伯值至少约30,并且可以是至少约23,并且可以是至少约20,或者对于软木纸浆而言的卡伯值至少约40,可以是至少约33,并且可以是至少约30的牛皮纸浆来生产高产率牛皮纸浆。所提供的纸浆用包括以下项的组合物处理:a)有机胺膦酸盐(DTMP);以及b)聚丙烯酸盐聚合物,例如聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)(见下文);并且其中所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。
在另一方面中,所述生产高产率氧脱木质素牛皮纸浆的方法涉及提供牛皮纸浆,所述牛皮纸浆具有对于硬木纸浆而言的卡伯值至少约30,并且可以是至少约23,并且可以是至少约20,或者对于软木纸浆而言的卡伯值至少约40,可以是至少约33,并且可以是至少约30;并且所述牛皮纸浆用包括以下项的组合物处理:a)有机胺膦酸盐,所述有机胺膦酸盐的量基于活性酸重量是约0.17kg/MT到约0.57kg/MT;以及b)聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS),所述聚α-羟基丙烯酸盐的量基于活性物重量是约0.43kg/MT到约1.43kg/MT;并且其中所述牛皮纸浆在氧脱木质素工艺之前,用所述组合物处理。
在又一方面中,所述方法可以包括在添加有机胺膦酸盐/聚丙烯酸盐组合物之前、同时或之后,向牛皮纸浆添加任选的镁。
实施例
实施例1:与未处理的纸浆相比,在氧脱木质素阶段用硫酸镁(MgSO4)处理的棕浆纸浆所产生的最终纸浆具有更高的木质素含量(通过TAPPI T236 om-13所测定的卡伯值来衡量)。这发生在反应中的二亚乙基三胺五亚甲基膦酸盐(DTPMP)中的程度较小,并且当两者以不同比例一起使用时,发生的程度中等。出乎意料的是,将特定类型的表面活性剂添加到配制产物中的组合螯合剂中会导致卡伯值较低。特别重要的是月桂基醚硫酸钠(SLES)和月桂基醚磷酸钠(SLEP)形式的阴离子直链醇和乙氧基化物。
如表1所示,在“侵袭性”条件下,在2-阶段工艺中对高木质素桉木牛皮纸浆(以下以其卡伯值,即卡伯值23进行标识)进行脱木质素。该产物用替代性表面活性剂配制,并且全部以相同剂量用于在纸浆上的脱木质素反应中。
在不使用表面活性剂(B)、不使用膦酸盐化螯合剂(C)以及不使用这两者(A)的情况下配制氧脱木质素增强产品。如以下表2所述,用各种表面活性剂类型(D-J)配制替代产物(表3)。
氧脱木质素反应后的产物配制物以及所得的纸浆卡伯值和粘度测量结果见表3。
表3
结果表明,向配制物中添加SLES表面活性剂可在保持高粘度的同时达到较低的卡伯值。图1示出,优选的木质素去除/卡伯值降低朝向左侧,并且优选的较高粘度保护朝向顶部。图1示出,含有月桂基醚硫酸钠表面活性剂的“配制物D”给出了最高的粘度和最低的卡伯值。其他乙氧基化阴离子表面活性剂月桂基醚磷酸钠(E)和非乙氧基化阴离子月桂基硫酸钠(F)提供了较小的改进。其他表面活性剂没有提供这种意想不到的益处。
实施例2:氧脱木质素阶段后所得纸浆的最终卡伯值对制浆机至关重要。将纸浆漂白至最终目标亮度的成本取决于传入此漂白装置的卡伯值。包含表面活性剂改善了氧脱木质素阶段的性能,并通过降低卡伯值降低了整个漂白生产线的处理成本。可以调节具体优选的表面活性剂类型(阴离子直链乙氧基化醇)的量以影响脱木质素,同时仍然保护纸浆粘度。
高木质素(卡伯值23)桉树牛皮纸浆一阶段氧处理中在103摄氏度(℃)、4%碱、90磅/平方英寸(psi)O2压力下被“侵袭性”地脱木质素60分钟,脱木质素52%。用相同含量的MgSO4和DTPMP配制脱木质素增强产品,但含有表4中定义的不同含量的月桂基醚硫酸钠(SLES)表面活性剂,并且在所有实验中均以相同的水平给药。
最后两列显示的结果表明,增加表面活性剂的剂量会降低卡伯值。在较低剂量表面活性剂(OD纸浆上<0.03%)下,纸浆粘度(在整个申请书中以厘泊(cP)为单位)保持相对不受影响。
表4
实施例3:氧脱木质素的效率取决于与纤维反应的O2的可用性。这需要O2从气相扩散到纸浆中纤维周围的水中,然后从水相扩散到纤维中以与木质素反应。在任何给定时间,只有一小部分氧溶解在溶液中。绝大多数以小气泡形式存在于气相中,这些小气泡通过在中等稠度泵中与O2进行高度侵袭性的混合而被注入到浆液中,然后被输送到反应器塔中。氧气与纸浆浆液的混合不良会导致O2从混合物中流出,并且在需要时无法没有足够的O2扩散到溶液中进行脱木质素。
用改善脱木质素的表面活性剂配制氧脱木质素增强产品,如实施例1和2中所示。这种表面活性剂还会在混合不良的系统中增强脱木质素。
在“侵袭性”条件下,在一个阶段中在90℃、90psi、纸浆上4%NaOH的条件下用氧气对桉木牛皮纸浆(卡伯值20)脱木质素60分钟。表面活性剂的剂量是0.5kg/MT活性物质。对于所有实验,通过以固定时间间隔关闭混合器来模拟混合不良的系统。如表5右栏中所示,“良好混合”反应的最终卡伯值是10(脱木质素50%)。“不良混合”系统的作用是将卡伯值提高到15.1。表5还示出在“不良混合”系统中向纸浆浆液中添加各种表面活性剂的情况。
表5
与其他表面活性剂相比以及与不采用表面活性剂相比,在不良混合条件下,如卡伯值大幅度下降表明,向浆液中添加SLES(参见样品C)可增强浆液的脱木质素(见图2)。
实施例4:氧脱木质素增强产品的一个重要益处是可以使用更高卡伯值的纸浆,并且与常规较低卡伯值纸浆相比,可以以更高产率生产该纸浆。较高卡伯值的纸浆必须更具侵袭性地脱木质素,以达到常规纸浆进入漂白装置的目标卡伯值。更具“侵袭性”的氧脱木质素需要使用更高的碱浓度、更高的温度、更长的保留时间或者这些项的各种组合。
在两套不同的碱性和温度侵袭性条件下,在一阶段氧脱木质素反应中,将较高木质素(卡伯值23)桉树牛皮纸浆脱木质素到最终卡伯值10。这些条件和“常规”反应的条件如表6中定义。
表6
氧脱木质素增强产品由表7中定义的组分和含量组成。
表7
与未处理或使用硫酸镁处理相比,该产物通过避免纸浆粘度在所有情景下降解而增强了脱木质素。表8中的数据总结了对高卡伯值23纸浆的影响,并将其与常规氧脱木质素阶段对低卡伯值16纸浆的影响进行了比较。
表8
氧脱木质素几乎仅用于将被进一步漂白至高亮度的化学纸浆。额外的漂白步骤为纸浆粘度的降低提供了更多的机会,因此使用氧脱木质素增强产品获得的粘度增加不得在漂白中损失。这点使用与实施例4相同的纸浆证明了,对该纸浆进行了DHTEPD1漂白序列,得到的纸浆具有85TAPPI亮度,其中DHT是热的90℃二氧化氯脱木质素阶段;EP是过氧化物增强的萃取阶段;并且D1是二氧化氯增亮阶段。
表9中示出的结果表明,在先前的氧脱木质素阶段中使用增强脱木质素配制物使得,以断裂长度(根据纸浆TAPPI T 231cm-07零档断裂强度确定)报告的纤维强度更高,该纤维强度在所描述的漂白序列中一直维持。
表9
实施例5:如果分2-阶段进行,可以使氧脱木质素反应的选择性更高,并且操作该等系统的许多制浆厂均得以从中受益。一般来说,当纸浆被脱木质素成相同的最终卡伯值时,与在2-阶段系统中进行处理相比,如果纸浆在第一阶段中进行处理,则纸浆粘度的降低更大。所述2-阶段系统可以使得纸浆在较短时间内首先在更高pH、更高氧气压力和较低温度下处理,然后所述纸浆可以在第二阶段中在较低压力、较低pH值和较高温度下处理较长时间。与纸浆粘度降低相比,这更有利于木质素去除的动力学。
在侵袭性条件下,在一阶段和2-阶段氧脱木质素工艺中,将高木质素(卡伯值23)桉木牛皮纸浆脱木质素到卡伯值10。与此相比,具有较低起始卡伯值16的常规桉木牛皮纸浆采用温和单阶段氧脱木质素处理。条件如表10中定义。
表10
在所有处理中,以相同剂量5.5kg/MT纸浆施用实施例4中定义的氧脱木质素增强产品。表11中的实验数据表明,该产品在脱木质素中在2-阶段过程中使用所提供保护比一阶段反应中所提供保护的碱度来保护纸浆粘度。此过程从一阶段更改为2-阶段并不能替代氧脱木质素增强产品所提供的益处,而是存在增加脱木质素和粘度的协同作用。
表11
实施例6:几种氨基膦酸盐螯合剂可用于所述配制物中,以提供通过保护纸浆粘度来增强氧脱木质素反应的益处。表12中所描述的螯合剂被配制并作为pH中性溶液施用,其中膦酸盐基团通常用钠阳离子取代。对其进行测量并将其以相对于活性酸的同等重量加入到所述配制物中(参见表12)。
表12
*膦酸盐A-D是得自乔治亚州米利奇维尔Zschimmer&Schwarz公司以商品名CUBLENTM销售的不同商品级的DTPMP。
在侵袭性碱性条件下,在一阶段氧脱木质素中,将较高木质素桉木牛皮纸浆(卡伯值21)脱木质素到卡伯值9。这是为了与较低的起始卡伯值纸浆(K16)常规桉树牛皮纸浆的弱碱单阶段氧脱木质素到最终卡伯值10进行比较。条件如表13中所示。
表13
根据表14配制氧气脱木质素增强产品并将其应用于纸浆实验。
表14
常规纸浆达到最终卡伯值10,粘度27.5cP。侵袭性脱木质素的卡伯值21纸浆达到最终较低最终卡伯值8.6-9.4(平均9.0),随膦酸盐类型的不同而变化,如表14所示。DTPMP“配制物A-D”提供最高脱木质素选择性,其中“配制物B”在等效于空白样的卡伯值下增加了35%。图3中的图形表示在预期较低卡伯值(在x轴上向左)处的改进的粘度(在y轴上向上)。与没有膦酸盐的配制物相比,膦酸盐化的螯合剂PIPPA(配制物E)、PAPEMP(配制物F)、BHMPTMP(配制物G)、HEDP(配制物H)和ATMP(配制物I)的粘度有不同程度的增加(参见图3)。
实施例7:需要一种氧脱木质素增强产品,该产品能够降低木质素含量(卡伯值),同时保护纸浆强度(粘度)。含有膦酸盐螯合剂和镁盐的配制物可以在这两个方面都得到改进。可以将聚合化合物添加到配制物中以增强螯合剂的性能。以这种方式施加的典型聚合物的实例可以包括聚丙烯酸盐和丙烯酸和马来酸共聚物,例如,Solenis LLC公司产品和
可以通过添加这些聚合物来增强膦酸盐螯合剂例如二亚乙基三胺五亚甲基膦酸盐(DTPMP)对纸浆粘度的保护。阴离子带电基团也可以在某种程度上与过渡金属离子直接相互作用(结合)。可以通过聚合物主链上的各种官能团,确切地说,连接到下文所示的聚羟基丙烯酸聚合物(PHAS)中的α-碳上的羟基来增强这种相互作用。含有PHAS的配制物中可见DTPMP对纸浆粘度保护所产生的大于其他聚丙烯酸盐聚合物的意外协同增强作用
由于对纸浆加工的考虑,因此需要氧脱木质素增强配制物能够减少或消除非加工元素(NPI)例如无机矿物盐,例如镁。这些盐由于在燃烧中不会被除去,并且其浓度随着时间的推移增加,因此在回收循环中被再循环。NPI的增加会导致制浆效率下降、干扰某些工艺化学品,使制浆化学品再生周期复杂化并导致设备结垢问题。含有硫酸镁的配制物也需要大剂量才能有效,通常为5-10公斤泻盐/公吨纸浆。这是后勤方面的挑战,因为现代大型工厂每天可生产5,000公吨纸浆,因此每天可能需要50吨泻盐。通过广泛的研究,发现包括有机胺膦酸盐和聚合PHAS的组合物可以完全去除镁盐。与在相似条件下使用含MgSO4的配制物相比,该聚合物配制物还可以使脱木质素反应达到较低卡伯值。
高卡伯值桉木牛皮纸浆(K20)使用表15中列出的条件,在侵袭性一阶段氧脱木质素工艺中脱木质素50%以上。
表15
如表16所示,膦酸盐剂量是基于纸浆的2.5kg/MT,聚合物的剂量是2.5kg/MT。用该聚合物代替任何MgSO4。将这些配制物与含有典型工厂剂量的硫酸镁的配制物进行比较,并且与不含处理添加剂的情况进行比较,如表16所示。
表16
*kg/MT配制物中的纸浆
所得纸浆的卡伯值和粘度见表17。
表17
仅用DTPMP处理显示出一定程度的纤维素保护作用,但无法达到较低的卡伯值,而添加聚合物则可达到较低的卡伯值(木质素含量),同时仍提供不同程度的纤维素保护,如图4所示。与仅用DTPMP(配制物A)处理相比,配制物D和配制物C能够实现降低的卡伯值,但是增强的性能对于聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)聚合物(配制物B)最为明显,其提供粘度随卡伯值的降低(在x轴上向左)而更高(在y轴上向上)的益处(参见图4)。
实施例8:需要通过减少在制浆和漂白操作中使用的含磷和含氮化学品的量来改善制浆厂的环境性能。
如表18所示,在稍温和的条件下用氧气将实施例7中所用的卡伯值(K20)的桉木浆脱木质素,得到约50%的脱木质素。
表18
膦酸盐的剂量从之前的2.5kg/MT降低到1.5kg/MT(实施例7),降低了40%。聚合物剂量保持在2.5kg/MT。如表19所示,将DTPMP和聚合物的组合与仅使用DTPMP进行的处理(A)和将DTPMP与硫酸镁结合进行的处理(E)进行了比较。
表19
*kg/MT配制物中的纸浆
对于较低的膦酸盐剂量,当获得相同的近似卡伯值时,聚合物提供了纤维素的协同保护。如表20所示,PHAS聚合物(配制物B)提供了最大的脱木质素增强作用。
表20
实施例9:先前的实施例证明,膦酸盐螯合剂和丙烯酸盐聚合物的组合对于增强氧脱木质素和纸浆粘度保护而言具有意外的益处。在较温和的脱木质素方案下,用PHAS聚合物(聚α-羟基丙烯酸盐)进一步研究了上述结果。在以下条件下,使用氧气在1-阶段过程中对卡伯值K20桉树纸浆进行脱木质素:
表21
当配制物的PHAS组分保持恒定时,响应于降低的DTPMP剂量测量纸浆粘度。将其与仅使用DTPMP、仅PHAS、仅硫酸镁以及未处理样品的处理进行了比较。这些实验的配制物如表22所示。
表22
*kg/MT配制物中的纸浆
结果如表23中所示。
表23
结果表明,当将0.5kg/MT与2.5kg/MT的PHAS一起使用(配制物C)时,膦酸盐的剂量可再降低150%,同时仍能提供足够的纤维素保护。使用PHAS还可以完全消除配制物中的硫酸镁组分。
如表24所示,还在更具侵袭性的条件下测试了PHAS聚合物协同作用所允许的较低的膦酸盐剂量。高卡伯值桉木牛皮纸浆K23使用所述条件,在1-阶段氧脱木质素中脱木质素57%。
表24
表25中的结果表明,当配制物含有具有DTPMP螯合剂的PHAS时,在侵袭性碱和温度条件下,存在增强脱木质素的协同作用。
表25
实施例10:先前的实施例证明了膦酸盐螯合剂与包括聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)的丙烯酸酯基聚合物的结合足够有力,即使在不存在硫酸镁MgSO4的情况下,也能够在低膦酸盐浓度的侵袭性氧脱木质素反应中提供纤维素保护。在侵袭性2-阶段氧脱木质素反应中进一步研究了这种增强作用。
将高卡伯值桉树牛皮纸浆(K23)在以下条件下,在2-阶段的过程中用氧气进行侵袭性地脱木质素。
表26
根据表27,使用DTPMP螯合剂和PHAS聚合物的组合(比例3:5)一起配制添加剂组分。
表27
*kg/MT配制物中的纸浆
组合产物通过不允许降低粘度而在2-阶段反应中提供与1-阶段反应相同的纸浆粘度协同保护。如表28所示,还证实了明确的剂量反应。组合产品(配制物C)的最低浓度是1.33kg/MT纸浆,并且提供与未处理14.4cP相比的提高48%的粘度21.3cP。
表28
在表29所示的2-阶段氧气脱木质素工艺中,在稍微更具侵袭性或更苛刻的条件下使用更高卡伯值(K25)纸浆时,观察到相同的脱木质素增强效果。
表29
根据表30,使用DTPMP螯合剂和PHAS聚合物的组合(比例3:5)一起配制添加剂组分。
表30
*kg/MT配制物中的纸浆
结果表明,组分组合相对于纸浆粘度增加的剂量反应(表31)对于起始卡伯值25(K25)的纸浆而言与起始卡伯值较低的纸浆(K23)相比是类似的。
表31
实施例11:膦酸盐螯合剂与包括聚羟基丙烯酸盐(PHAS)的丙烯酸酯基聚合物的组合对于在较高温度和较短保留时间下进行的侵袭性2-阶段氧脱木质素也是有益的。如表32中所述,在较高温度下,以更短的更具侵袭性的2-阶段氧脱木质素处理了较高卡伯值桉树纸浆(K23)。第一阶段缩短为仅5分钟,而最后阶段是60分钟、50分钟或40分钟。
表32
以3:5比例的DTPMP和PHAS的组合以不同浓度投放(配制物B和C)。将其与未处理的样品、用硫酸镁处理的样品(配制物A)以及用硫酸镁和DTPMP的样品(配制物D)进行比较,如表33所示。
表33
所有实验的结果如表34中所示。表格标题“5+60”、“5+50”和“5+40”表示反应时间在第一阶段为5分钟,在第二阶段为60、50或40分钟。
表34-显示最终卡伯值和粘度值的结果
这些侵袭性处理产生的卡伯值在图5中以图形方式示出,该图示出了较短保留时间在一定程度上阻碍脱木质素的明显趋势(较高卡伯值),但在所有处理方法中均不相同。结果表明,当在工业上相关的约束条件下使用本发明配制物时,可以显著减少降低纸浆卡伯值所需的停留时间。
图5所示的结果表明,当脱木质素反应的时间大幅缩短时,用硫酸镁MgSO4处理的纸浆相对于未处理的纸浆,获得的最终卡帕值更高。但是,用2-组分配制物,即DTPMP和PHAS进行处理可以使纸浆的最终卡伯值与未处理的纸浆相同,但粘度更高,如图6所示。这些结果表明,即使在减少的保留时间下,也可以通过良好的粘度保护实现有效的脱木质素。
与含硫酸镁的配制物相比,DTPMP和PHAS配制物还提供了额外的益处,即大幅降低了保护纸浆粘度所需的产品剂量(降低了约4倍)。所述2-组分配制物可保护纸浆粘度,比不处理时高27%。
实施例12:2-阶段氧脱木质素中的许多温度和保留时间的组合可能对纸浆厂有益。通常可以使用较高的温度和较短的保留时间来提高生产率,但这种组合可以同时降低脱木质素效率和纸浆粘度。如实施例11所示,加入膦酸盐螯合剂加上包括聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)的丙烯酸酯基聚合物对于在较高温度和较短保留时间下进行的侵袭性2-阶段氧脱木质素而言是有益的。除了使用的碱用量外,2-阶段脱木质素工艺中的众多温度和保留时间组合能够达到最低的卡伯值,同时最大程度地降低粘度损失。这些组合中的几种已用于表35所示的实验中。
表35
上文表35中所述的脱木质素条件1-4分别与标记为配制物A-D的不同化学处理一起使用,如表36所示。
表36
最终卡伯值的结果如表37中所示。
表37
如图7所示,不同的脱木质素条件对反应效率有不同影响。当反应受到时间(条件1)或碱含量(条件4)的限制时,卡伯值较高。较高的温度与较低的碱含量的组合可实现更广泛的脱木质素(条件3相对于条件2)。图7示出,在任何特定反应条件下,化学处理对脱木质素的影响不同。例如,“配制物B”和“配制物C”在较热阶段温度、更长保留时间和更低碱添加速率的条件下在增强脱木质素方面的性能更好。
最终纸浆粘度如表38中所示。
表38
如图8以图形方式所示,通过使用各种添加剂提高纸浆粘度。不同的处理在不同条件下以相似方式反应,并且与空白样相比更高的粘度水平可以归因于添加剂化学性质和剂量水平。根据脱木质素条件,特定类型的处理可以提供比其他处理更有价值的益处。例如,处理“配制物B”足以在仅1kg/MT处理剂量并且含有0%硫酸镁的条件下实现相对于空白样平均高22%的粘度保护(参见图8)。此外,处理“配制物B”和“配制物C”在较热阶段温度、更长保留时间和更低碱添加速率的条件下提供了最佳的脱木质素和粘度保护。
尽管上文的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施方案,但是应当理解,存在大量的变型。还应理解,一个或多个示例性实施方案仅是示例,并且并不意图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反,前述详细描述将为所属领域中的技术人员提供用于实施示例性实施方案的便利路线图,应理解,可以在不脱离随附权利要求书及其法律等效物中规定的本发明范围的前提下,对示例性实施方案中所描述的元件的功能和布置进行各种改变。
Claims (12)
1.一种在2-阶段氧脱木质素工艺中生产氧脱木质素牛皮纸浆的方法,所述方法包括:
提供牛皮纸浆,所述牛皮纸浆具有初始纸浆粘度和对于硬木纸浆至少20的初始卡伯值,以及对于软木纸浆至少30的初始卡伯值;
用包括以下组分的组合物处理所述牛皮纸浆:a)有机胺膦酸盐;b)镁盐;以及c)一种或多种阴离子直链醇和乙氧基化物;其中所述有机胺膦酸盐选自:二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMP)、氨基三亚甲基膦酸盐(ATMP)、(双)六亚甲基三胺五亚甲基膦酸(BHMTPMP)、多氨基聚醚亚甲基膦酸盐(PAPEMP)及其组合;其中所述阴离子直链醇和乙氧基化物选自:月桂基醚硫酸钠(SLES)、月桂基醚磷酸钠(SLEP)、月桂基硫酸钠(SLS)及其组合;
将牛皮纸浆的初始卡伯值降低至较低的卡伯值;其中在2-阶段氧脱木质素工艺之前用所述组合物处理所述牛皮纸浆,以及其中当与未处理的氧脱木质素牛皮纸浆相比时最终纸浆粘度保持较高;
其中所述2-阶段氧脱木质素工艺的第一阶段的温度是80摄氏度(℃)到100℃,并且第二阶段的温度是90℃到120℃;并且其中所述第一阶段的O2压力是80磅/平方英寸(psi)到120psi,并且所述第二阶段的O2压力是25psi到90psi。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述镁盐选自以下组中:镁二价阳离子Mg2+、硫酸镁、七水硫酸镁。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述牛皮纸浆具有至少9%固体的稠度以及2%到5%的以烘干纸浆计的当量NaOH碱度。
4.根据权利要求1所述的方法,所述方法包括:用包括以下组分的组合物处理所述牛皮纸浆:a)基于活性酸是0.6 kg/MT到1.2 kg/MT量的所述有机胺膦酸盐;b)基于无水是0.1kg/MT到3.2 kg/MT量的所述镁盐;以及c)基于活性物是0.08 kg/MT到0.16 kg/MT量的一种或多种阴离子直链醇和乙氧基化物,其中所述一种或多种阴离子直链醇和乙氧基化物选自磺化直链醇乙氧基化物。
5.一种在2-阶段氧脱木质素工艺中生产氧脱木质素牛皮纸浆的方法,所述方法包括:
提供初始卡伯值至少为20的牛皮纸浆;以及用包括以下组分的组合物处理所述牛皮纸浆:a)有机胺膦酸盐;以及b)阴离子聚丙烯酸盐,其中所述有机胺膦酸盐选自:二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTMP)、氨基三亚甲基膦酸盐(ATMP)、(双)六亚甲基三胺五亚甲基膦酸(BHMTPMP)、多氨基聚醚亚甲基膦酸盐(PAPEMP)及其组合;
将牛皮纸浆的初始卡伯值降低至较低的卡伯值;其中在2-阶段氧脱木质素工艺之前用所述组合物处理所述牛皮纸浆,以及其中当与未处理的氧脱木质素牛皮纸浆相比时最终纸浆粘度保持较高;
其中所述2-阶段氧脱木质素工艺中的第一阶段的温度是80摄氏度(℃)到100℃,并且第二阶段的温度是90℃到120℃;并且其中所述第一阶段的O2压力是80磅/平方英寸(psi)到120psi,并且所述第二阶段的O2压力是25psi到90psi。
6.根据权利要求5所述的方法,其中所述阴离子聚丙烯酸盐是聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其进一步包括向所述牛皮纸浆添加镁盐。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述镁盐选自以下组中:镁二价阳离子Mg2+、硫酸镁,并且七水硫酸镁任选地添加到所述组合物中。
9.根据权利要求5所述的方法,其中所述第一阶段的O2压力是90psi到110psi,并且所述第二阶段的O2压力是50psi到90psi。
10.根据权利要求7所述的方法,所述方法包括:提供牛皮纸浆,所述牛皮纸浆具有初始纸浆粘度和对于硬木纸浆至少30的初始卡伯值,或者对于软木纸浆至少40的初始卡伯值;用包括以下组分的组合物处理所述牛皮纸浆:a)基于活性酸是0.17 kg/MT到0.57 kg/MT量的所述有机胺膦酸盐;b)基于无水是0 kg/MT到3.2 kg/MT量的所述镁盐;以及c)基于活性物是0.43 kg/MT到1.43 kg/MT量的所述阴离子聚丙烯酸盐。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述阴离子聚丙烯酸盐是聚α-羟基丙烯酸盐(PHAS)。
12.根据权利要求10所述的方法,其中所述牛皮纸浆具有至少23的卡伯值。
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