有機(jī)酸法玉米秸稈皮漿短流程TCF漂白特性

黃 萍 馬干平 翟華敏 李志勇， 張 燕 喻 力

(1.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210037;2.芬歐匯川亞洲研發(fā)中心，江蘇常熟，215536)

玉米秸稈不但是重要的生物質(zhì)原料［1-2］，也是良好的造紙纖維原料［2-4］。有機(jī)溶劑制漿作為一種新型的制漿方法因其具有生物質(zhì)煉制特征而備受關(guān)注，生物質(zhì)煉制制漿具有潛在的前景［5-6］。與傳統(tǒng)制漿工藝相比，有機(jī)酸制漿法具有多組分可同時(shí)利用、成本低、廢液易于回收和污染少等優(yōu)點(diǎn)［5］。有機(jī)酸法漿漂白一般采用H2O2漂白 (P)、氧脫木素 (O)和生物助漂等組成的全無(wú)氯 (TCF)漂白方式，所得漂白漿的性能與傳統(tǒng)漂白漿相近［6］。壓力 H2O2漂白(PO)［7］是在氧脫木素［8］和 H2O2漂白［9］基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種漂白技術(shù)，具有高效和環(huán)境友好的特點(diǎn)，適合于草漿的短流程無(wú)污染漂白［10-11］。在PO漂白過(guò)程中，H2O2解離產(chǎn)生有效漂白成分HOO-和·OH等自由基，HOO-進(jìn)攻木素結(jié)構(gòu)單元的發(fā)色基團(tuán)，使漂白漿白度提高;·OH自由基可降解木素交聯(lián)結(jié)構(gòu)，有利于發(fā)色基團(tuán)的脫除，能有效提高紙漿亮度，但過(guò)量的·OH自由基也會(huì)降低漿料的聚合度及其亮度穩(wěn)定性［12］。有機(jī)酸制漿與傳統(tǒng)制漿相比可獲卡伯值較低的漿［13-14］，采用短流程TCF漂白程序可達(dá)到較高亮度。由于人們對(duì)文化用紙亮度有新的綠色要求，中偏高亮度紙漿的市場(chǎng)需求將增加。因此，研究有機(jī)酸法漿料短流程TCF漂白具有重要意義。

本實(shí)驗(yàn)選擇短流程E(PO)、E(PO)P漂白程序?qū)τ袡C(jī)酸法玉米秸稈皮漿 (OABCSRP)進(jìn)行漂白，以期在選擇性高的堿處理 (E)和較低H2O2用量條件下經(jīng)短流程TCF漂白達(dá)到目標(biāo)亮度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 漿料

OABCSRP漿用甲酸和乙酸混合酸由實(shí)驗(yàn)室自制，具有得率較高、卡伯值低、黏度高、灰分含量較低的特點(diǎn)，性能如表1所示。

表1OABCSRP漿主要性能

1.2 堿處理(E)

堿處理漿濃10.0%、溫度 (70±0.5)℃、時(shí)間1.5 h、NaOH 用 量 1.5%、3.0%、4.5%、6.0%，于聚乙烯塑料自封袋中進(jìn)行。將漿、堿液及所需水在自封袋中混合均勻后，恒溫水浴加熱，處理過(guò)程中每隔15 min搓揉1次，以保證漿與堿液均勻混合。以不加NaOH的試樣為對(duì)照樣。

1.3 (PO)P漂白

在最優(yōu)的堿處理 (E)工藝條件下處理后，再進(jìn)行 (PO)P兩段漂白。

PO漂白漿濃10.0%、溫度 (110±0.5)℃、時(shí)間 50 min、氧壓 0.75 MPa、H2O2用量為 1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，MgSO4用量 0.1%、Na2SiO3用量1.0%，于反應(yīng)罐中進(jìn)行。漿和漂液混合均勻后轉(zhuǎn)移到反應(yīng)罐中，充氧，放入回轉(zhuǎn)蒸煮鍋中，30 min升溫到110℃時(shí)，保溫50 min取出，冷卻，終止反應(yīng)，洗凈漿料。同時(shí)以不加H2O2的試樣為對(duì)照樣。

P漂白漿濃10.0%、用堿量4.0%、H2O2用量固定為 1.5%、溫度 (70 ± 0.5)℃、時(shí)間 1.5 h、MgSO4用量0.1%和 Na2SiO3用量1.0%，于聚乙烯塑料自封袋中進(jìn)行，具體操作參照堿處理段。

1.4 漿料分析

卡伯值采用TAPPI T 236 om-06的規(guī)定測(cè)定;黏度采用TAPPI T 230 om-04的規(guī)定測(cè)定;亮度采用TAPPI T 452 om-02的規(guī)定測(cè)定;灰分采用TAPPI T 211 om-02的規(guī)定測(cè)定。

1.5 打漿

采用PFI磨打漿［15］，打漿轉(zhuǎn)數(shù)分別為0、250、500、750、1000、1250、1500轉(zhuǎn)。打漿度按 TAPPI T248 wd-97標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

1.6 抄紙

手抄片在帶有白水回用的ME255型標(biāo)準(zhǔn)成形器上進(jìn)行抄造。淀粉用量0.7%，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)用量 0.04%，以維持 CaCO3填料含量19% ～21%，控制紙張定量70～72 g/m2。

1.7 紙張性能分析

松厚度采用TAPPI T 500 cm-98的規(guī)定測(cè)定;抗張指數(shù)采用TAPPI T 495 om-96的規(guī)定測(cè)定;撕裂指數(shù)采用TAPPI T 414 om-98的規(guī)定測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 E段用堿量對(duì)漿性能的影響

堿處理能有效地脫除有機(jī)酸法漿中的乙?；瑥亩岣邼{的親水性，并對(duì)漿進(jìn)行改性［16］。堿處理過(guò)程中用堿量對(duì)OABCSRP漿性能的影響結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 用堿量對(duì)OABCSRP漿性能的影響

從表2可知，用堿量由0提高到4.5%時(shí)得率平緩降低，用堿量4.5%時(shí)得率為95.3%，但用堿量從4.5%到6.0%時(shí)得率下降較快，表明用堿量較高時(shí)漿得率損失較大。用堿量從0增加到1.5%時(shí)卡伯值變化不大，而用堿量從1.5%增加到6.0%時(shí)卡伯值下降幅度較大，當(dāng)用堿量為4.5%時(shí)，木素脫除率可達(dá)到33.3%。隨著用堿量的增加，紙漿的黏度呈先升后降的趨勢(shì)，當(dāng)用堿量在4.5%左右黏度達(dá)到最大;但當(dāng)用堿量超過(guò)4.5%時(shí)黏度下降，但此時(shí)黏度仍然高于原漿黏度 (100.0 mPa·s)。因此，當(dāng)用堿量控制在合適范圍內(nèi)，堿處理具有高的脫木素選擇性。

表3 PO段H2O2用量對(duì)漂白漿性質(zhì)的影響

結(jié)合用堿量對(duì)漿得率及其脫木素選擇性的影響，堿處理合理的用堿量約為4.0%。

2.2 E(PO)漂序中H2O2用量對(duì)漂白特性的影響

未漂漿經(jīng)E段 (用堿量為4.0%)處理后，進(jìn)行PO段H2O2用量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)，H2O2用量對(duì)E(PO)漂白漿性能的影響見(jiàn)表3、圖1和圖2。

從圖1可以看出，E(PO)段的H2O2用量對(duì)漿得率的影響不大，還可看出漿的亮度隨著H2O2用量增加而增加，H2O2用量在0～1.0%之間時(shí)，亮度增加較慢;H2O2用量為1.0% ～2.0%時(shí)，亮度增加較快，從66.4%增加到79.9%;當(dāng)H2O2用量在2.0%～4.0%之間亮度增加不明顯，當(dāng)H2O2用量為4.0%時(shí)亮度為83.4%。從圖2可見(jiàn)，E(PO)段漿的黏度隨著H2O2用量增加而降低，在H2O2用量為2.0%時(shí)黏度很快下降到了43.2 mPa·s，此后增加H2O2用量黏度下降緩慢。結(jié)合H2O2用量對(duì)得率、亮度和黏度的影響，E(PO)漂序中H2O2較佳用量為2.0%。

經(jīng)E段用堿量4.0%的處理后，接著PO段H2O2用量 2.0%的漂白，可得累計(jì)得率 88.7%、黏度43.2 mPa·s、亮度 79.9% 的漂白漿?？梢?jiàn)，E(PO)漂白程序短、漂劑用量少，漂白漿得率、亮度和黏度較高，適合于中高檔文化用紙用漿。

2.3 PO段H2O2用量對(duì)E(PO)P漂白漿特性的影響

對(duì)不同H2O2用量的E(PO)漂白漿再進(jìn)行P段漂白，P段H2O2用量固定在1.5%，PO段H2O2用量對(duì)E(PO)P漿性能的影響見(jiàn)表3。

從表3可看出，當(dāng)P段H2O2用量一定時(shí)，漿的得率隨PO段中H2O2用量影響較小，H2O2用量在1.0% ～4.0%之間紙漿得率都在99.5%以上，其得率較對(duì)照樣 (96.5%)高，說(shuō)明堿度對(duì)得率影響較大。此外，H2O2用量對(duì)黏度影響較大，隨著H2O2用量增加，黏度不斷下降，在低H2O2用量時(shí)，這一趨勢(shì)特別明顯。與對(duì)照樣相比，堿和H2O2都是影響?zhàn)ざ鹊闹匾蛩?，但后者的影響更大。?dāng)P段H2O2用量固定為1.5%時(shí)，PO段H2O2用量對(duì)E(PO)P終漂漿的亮度影響仍較大;另一方面，整體比較E(PO)和E(PO)P漂序可知，P段對(duì)E(PO)P最終亮度影響很大。

綜上所述，經(jīng)E段4.0%NaOH堿處理后，再相繼進(jìn)行PO段 (H2O2用量1.0%，兼顧得率、黏度和亮度)和P段 (H2O2用量1.5%)漂白，E(PO)P漂白 (H2O2總用量2.5%)能獲得累計(jì)得率86.4%、黏度 59.6 mPa·s、亮度 82.7%的漂白漿。2.4 E(PO)漂白漿的打漿及紙張性能

OABCSRP漿經(jīng)過(guò)E(PO)漂白，其漂白工藝條件為:E段 NaOH 量為 4.0%;PO 段漿濃 10.0%，H2O2用量2.0%，溫度110℃，時(shí)間50 min，氧壓0.75 MPa，MgSO4用量 0.1%，Na2SiO3用量 1.0%。所得到的E(PO)漂白漿性能為:得率88.3%，黏度35.8 mPa·s，亮度 80.1%，灰分 0.17%。

經(jīng)E(PO)漂白的OABCSRP漂白漿在不同打漿轉(zhuǎn)數(shù)打漿條件下的漿料性能如表4所示。

圖3為打漿轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)漂白漿打漿度的影響。從圖3可見(jiàn)，隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加，打漿度呈線性增加，可用線性方程 (1)表示。其打漿特性與麥草漿的類似，即在低磨漿能耗下獲得明顯的打漿效果，這可能與OABCSRP漿經(jīng)E(PO)短流程漂白后漿的纖維超微結(jié)構(gòu)有關(guān)［17］。

式中，y為打漿度 (°SR);x為打漿轉(zhuǎn)數(shù) (轉(zhuǎn))。

圖3 打漿轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)漂白漿打漿度的影響

打漿轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)漂白漿的抗張指數(shù)、伸長(zhǎng)率、撕裂度和松厚度性能的影響見(jiàn)表4。為了給實(shí)際生產(chǎn)提供參考，紙張成形在白水回用和維持CaCO3填料含量在19%～21%的情況下進(jìn)行。由表4可以看出，漂白漿隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加，抗張指數(shù)從16.1 N·m/g增加到45.9 N·m/g，表明OABCSRP漿經(jīng)E(PO)漂白后，再經(jīng)打漿其抗張指數(shù)很容易提高;隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)由0增加到1000轉(zhuǎn)時(shí)，漂白漿的撕裂指數(shù)從4.7 mN·m2/g增加到7.1 mN·m2/g;當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)高于1000轉(zhuǎn)時(shí)，撕裂指數(shù)有所降低，表明打漿度高于某一值后紙漿在打漿時(shí)纖維被切斷，從而使撕裂強(qiáng)度下降;漂白漿的松厚度隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加而降低，當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)由0增加到1500轉(zhuǎn)時(shí)，松厚度從1.70 cm3/g降低到1.26 cm3/g。

表4 打漿轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)E(PO)漂白漿性能的影響

3 結(jié)論

選擇短流程E(PO)、E(PO)P對(duì)有機(jī)酸法玉米秸稈皮漿 (OABCSRP)進(jìn)行漂白，研究堿處理 (E)、壓力H2O2(PO)和H2O2(P)及組合漂白工藝對(duì)OABCSRP漿性能的影響。

3.1 堿處理對(duì)OABCSRP漿有較高的脫木素選擇性，是后續(xù)H2O2漂白的重要基礎(chǔ)。經(jīng)4.0%NaOH的堿處理，可獲得得率 95.4%、脫木素率23.5%、黏度115 mPa·s、亮度 44.2%的漿。

3.2 短流程E(PO)漂白漿可用于中高白度文化用紙。經(jīng)4.0%NaOH堿處理和后續(xù)的PO漂白 (2.0%H2O2)，可獲得得率 87.6%、黏度 53.5 mPa·s、亮度79.9%的OABCSRP漂白漿。E(PO)漂白漿較易打漿，成紙性能較好。

3.3 采用E(PO)P漂程，在H2O2總用量為2.5%時(shí)，漂白漿得率為86.4%，黏度為59.6 mPa·s，亮度為82.7%。

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