生物酶和化學助劑協同控制高得率漿造紙中DCS

楊 莎，胡惠仁，宋曉凱

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

生物酶和化學助劑協同控制高得率漿造紙中DCS

楊 莎，胡惠仁，宋曉凱

(天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學材料科學與化學工程學院，天津 300457)

選用堿性果膠酶、陽離子滑石粉(talc)、陽離子淀粉(HCS)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)等4種添加劑對高得率漿進行處理，以陽離子需求量為評價指標，分析了不同用量和組配的處理結果．結果表明，當堿性果膠酶用量為1,U/g，talc用量為5%，HCS用量為0.5%，CPAM用量為0.01%時，BCTMP白水的陽離子需求量降低了47.91%．

DCS；陽離子需求量；果膠酶；陽離子滑石粉；陽離子淀粉；陽離子聚丙烯酰胺

闊葉木高得率漿(HYP)由于其白度高(ISO白度85%左右，接近化學漿水平)、短小的纖維利于紙頁成形、廣泛的運用前景等優點，使得它在高得率漿領域中有很大的優勢．而與漂白化學漿相比，HYP中含有較高的細小組分和溶解與膠體物質(DCS)，通常HYP的白度越高，漿料中的DCS越多[1–3]．

目前常用來去除陰離子垃圾的方法是在紙料中加入陽離子助劑前，先加入一些廉價的無機或有機低分子質量高電荷密度的陽離子化合物，對紙漿中的過剩負電荷進行中和或吸附橋聯，與可溶性的陰離子雜質形成體積很小的配對物，將其絮凝后留著和固著在纖維和填料上[4]．

對造紙陽離子添加劑發生中和作用的DCS主要成分是果膠類物質和溶解的半纖維素成分，其中果膠類物質造成的影響更大一些．在H2O2漂白過程中產生的果膠類物質是陰離子垃圾的主要成分[5–6]．相關研究表明，DCS中的聚半乳糖醛酸對陽離子需求量(CD)的貢獻相對較大，鑒于CD是表征DCS性質的主要參數之一，而果膠酶能夠有效降解聚半乳糖醛酸類物質，故利用果膠酶處理DCS，能夠有效地減輕DCS在造紙過程中所帶來的危害．

生物技術控制DCS是近年來一個新的有發展前景的方法，而用生物酶處理漿料中的陰離子垃圾可促進造紙清潔生產的發展，符合循環經濟和可持續發展的戰略．然而果膠酶價格較昂貴且有專一性，化學助劑價格相對便宜且有多種效果，化學法和生物酶法在控制DCS方面各有優缺點，因此將果膠酶和化學助劑配合使用是解決DCS問題的一條有效途徑．

1 材料與方法

1.1 實驗原料

高得率漿選用楊木BCTMP，游離度325,mL，加拿大天柏公司漿板；堿性果膠酶Novozym51019，諾維信生物技術有限公司；陽離子滑石粉(talc)，Zeta電位大于30,mV，力拓亞洲公司；陽離子淀粉(HCS)，取代度0.681,2，自制；陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，相對分子質量800萬，德州瑞星凈水原料有限公司．本文的添加劑用量都是相對于絕干漿用量．

1.2 實驗方法

1.2.1 模擬漿料的制備

取楊木BCTMP絕干漿30,g置于1,000,mL蒸餾水中，在60,℃攪拌30,min；脫水濃縮至漿濃為45%，收集的濾液稀釋下一批漿料，連續循環3次，得到漿濃為3%的模擬漿料．

1.2.2 果膠酶處理模擬漿料中的DCS

量取適量的漿料于250,mL的三角瓶中，加入一定量的果膠酶，把三角瓶放入搖床中，轉速200,r/min，于50,℃下反應2,h．反應結束后進行過濾，收集白水測定并比較處理前后白水的CD．

1.2.3 化學助劑處理模擬漿料中的DCS

量取適量的漿料于250,mL的三角瓶中，加入一定量的化學助劑，在50,℃的水浴鍋中攪拌1,min，過濾收集白水，測定CD．

1.2.4 白水的陽離子需求量的測定

白水陽離子需求量采用德國Mütek公司PCD–03型膠體電荷測定儀進行測定．

2 結果與討論

2.1 果膠酶加入量對模擬漿料CD的影響

取100,g模擬漿料，加入不同量的果膠酶處理后過濾，測定白水陽離子需求量，結果見表1．

表1 果膠酶用量對CD的影響Tab.1 Effects of pectinase dosage on CD

由表1可知，隨著加酶量的增加，陽離子需求量先快速下降然后略有上升，并在加酶量為1,U/g時下降幅度達到最大值26.45%．果膠酶通過多酶的組合作用主要是斷裂果膠類物質的α–1，4–苷鍵，促進聚半乳糖醛酸降解，轉化為低分子或單分子的半乳糖醛酸而消除其負面影響．繼續增加酶用量，降解作用不明顯．

2.2 單一控制體系對模擬漿料CD的影響

分別考察talc、HCS、CPAM單一控制體系對模擬漿料CD的影響．結果如圖1、圖2和圖3所示．

圖1 滑石粉用量對模擬漿料CD的影響Fig.1 Effect of talc dosage on CD

圖2 HCS用量對模擬漿料CD的影響Fig.2 Effect of HCS dosage on CD

圖3 CPAM用量對模擬漿料CD的影響Fig.3 Effect of CPAM dosage on CD

從圖1、圖2、圖3中可看出，隨著talc、HCS、CPAM加入量的增加，模擬漿料CD均有不同程度的下降．

對于talc單一體系，當加入量為20%時，模擬漿料的陽離子需求量下降了19.49%．talc通過物理作用使膠黏物失去黏性并阻止其聚集．失去黏性的膠黏物顆粒可以充當填料保留在產品里取代纖維．

對于HCS單一體系，當加入量為0.7%時，模擬漿料的陽離子需求量下降了37.94%．HCS具有較高的電荷密度，同時具有特殊的多羥基環狀分子結構，通過電荷補丁和架橋絮凝作用使DCS體系失穩，有效地降低陽離子需求量．

CPAM是一種低電荷密度高分子質量的聚合物，常用作造紙濕部的助留助濾劑．對于CPAM單一體系，當CPAM加入量為0.07%時，模擬漿料的陽離子需求量下降了20.20%．CPAM主要是通過架橋絮凝作用使DCS體系中顆粒足夠大而失穩除去．CPAM同時還可以單獨用作助留劑，也可以與膨潤土構成微粒助留系統．

2.3 三元控制體系對模擬漿料白水性質的影響

為了探討了talc、HCS、CPAM三因子共同作用控制高得率漿陰離子垃圾的效果，設計L9(34)正交實驗，因素水平見表2，實驗結果見表3．

表2 化學助劑組合正交實驗因素水平表Tab.2 Factors and levels in orthogonal design

表3 化學助劑組合正交實驗方案及極差分析Tab.3 Trial projects in orthogonal design and range analysis

由表3可知，使模擬白水陽離子需求量下降較大的水平組合為實驗3號、4號和6號，3組實驗之間CD相差不大．

由表3的極差分析可知，A組的極差最大，其次為B組，C組最小，說明talc和HCS的用量對陽離子需求量影響較大，CPAM用量對陽離子需求量影響較小．由正交實驗結果中的極差數據可知A2B3C2組合為理論最優組合．但是由于CPAM用量對陽離子需求量影響較小，從降低成本的角度考慮，在陽離子需求量下降率相差不大的情況下可以降低CPAM用量，所以，可選取A2B3C1為實際最優組合，按此條件進行驗證實驗，CD降幅為33.87%

2.4 果膠酶結合化學助劑對模擬漿料的影響

固定化學助劑用量及其組配，改變酶用量進行實驗，并且與只加酶進行前后對比，結果見表4．

表4 化學助劑與果膠酶協同處理BCTMP模擬白水實驗結果Tab.4 Results of treatment to BCTMP by chemical control Tab. 4 agent and pectinase

由表1可知，當酶用量僅為1,U/g時，體系陽離子需求量下降最大，并且僅使用果膠酶處理楊木BCTMP可以使陽離子需求量降低26.45%．由表4可知，僅使用talc/HCS/CPAM三元體系可以使陽離子需求量降低33.87%，使用果膠酶和化學助劑協同處理漿料后體系陽離子需求量下降47.91%．這是因為先加入化學助劑時，在talc吸附作用、CPAM的架橋作用和HCS的補丁效應、電荷中和等作用下，使部分聚半乳糖醛酸也被吸附包埋絮聚成團，所以該部分聚半乳糖醛酸不再參與果膠酶降解聚半乳糖醛酸的反應，從而效果比單獨使用酶處理時更明顯．此外，由于talc、HCS、CPAM對其他DCS組分的吸附、補丁和架橋吸附作用，使果膠酶在一個相對潔凈的環境內能夠更加有效地降解聚半乳糖醛酸，從而使體系的陽離子需求量大幅度下降．

3 結 論

(1)對于楊木BCTMP模擬漿料，僅用果膠酶進行處理，當酶用量為1,U/g時，效果最好，陽離子需求量可下降26.45%．

(2)talc/HCS/CPAM組合正交實驗表明，talc的用量對模擬白水CD的下降影響最大，其次為HCS的用量，CPAM的用量影響最小．在talc用量為5%、HCS用量為0.5%、CPAM用量為0.01%時，陽離子需求量下降最大，可達到33.87%．

(3)果膠酶與化學助劑協同處理漿料時，當果膠酶用量為1,U/g，talc用量為5%，HCS用量為0.5%，CPAM用量為0.01%時，BCTMP白水的陽離子需求量降低了47.91%．

(4)利用果膠酶與化學助劑之間的協同作用，有效地降低了BCTMP及其造紙白水的陽離子需求，在降低化學助劑與生物酶用量減少處理成本的同時，還有助于改善漿料的助留助濾性能，為更加經濟有效地控制DCS提供了一種新途徑．

［1］張紅杰，胡惠仁，倪永浩. 高得率漿中DCS的性質及其對填料留著的影響[J]. 中國造紙，2007，26(10)：1-5.

［2］Liu X A，Whiting P，Pande H，et al. The contribution of different fractions of fines to pulp drainage in mechanical pulps[J]. Journal of Pulp and Paper Science，2001，27(4)：139-143.

［3］Nurmi M，Westerholm M，Eklund D. Factors influencing flocculation of dissolved and colloidal substances in a thermomechanical pulp water[J]. Journal of Pulp and Paper Science，2004，30(2)：41-44.

［4］Brouwer P H. The relationship between zeta potential and ionic demand and how it affects wet-end retention[J]. Tappi Journal，1991，74(1)：170-179.

［5］Kenneth E Sundberg，Anna C Sundberg，Jeffrey W T，et al. Pectic acids in the production of wood containing paper[J]. Tappi Journal，1998，81(7)：131-136.

［6］Jeffrey W T. Enzymatic degradarion of polygalacturonic acids released from mechanical pulp during peroxide bleaching[J]. Tappi Journal，1993，77(3)：161-167.

A Combined Enzymatic and Chemical Methods to Control DCS in High Yield Pulp

YANG Sha，HU Hui-ren，SONG Xiao-kai
(Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Material Science and Chemical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

High yield pulp (HYP)were treated by four kinds of chemical additives and the cationic demand of white water was discussed. In addition，the treatment results of different combinations were investigated. Results showed that the cationic demand of white water from BCTMP decreased by 47.91% when the dosage of pectinase was 1,U/g(on oven dry pulp weight)，talc was 5%，HCS was 0.5%，CPAM was 0.01%.

DCS；CD；pectinase；talc；HCS；CPAM

TS727+.2

：A

：1672-6510(2010)05-0031-04

2010–05–26；

2010–07–13

國家自然科學基金資助項目（30771694）；天津市科技計劃發展項目（06TXTJJC14302）

楊 莎（1984—），女，江西人，碩士研究生；通信作者：胡惠仁，教授，huiren@tust.edu.cn.