廢紙制備羧甲基纖維素鈉及其在抑塵劑中應用的研究

趙開樓,徐海云,秦詩雨,劉夢怡

(河南應用技術職業學院 河南省綠色化工工程技術研究中心,河南 鄭州 450042)

廢紙中含有大量的膳食纖維素,保存了大部分天然纖維結構和功能性,經濟效益高,應用廣泛[1-3]。對廢紙中二次纖維回收使用,不但環保,而且減少了能耗。對保持地球生態平衡有益,還可以產生很大的經濟效益和社會效益。王新平等[4]以廢紙為原材料生產羧甲基纖維素(CMC),試驗結果:當廢紙、氫氧化鈉溶液與醚化劑的質量比為1.2∶0.9∶1.2時,得到了有效成分大于85%的產物。傅丹寧等[5]根據高溫常壓堿蒸煮法獲得精制纖維素,隨后以甲醇為溶液制備高取代性羧甲基纖維素(CMC),優化了CMC的制備工藝。但是目前從廢紙中提取纖維素的方法普遍反應時間長,效率較低[6]。大氣污染是由多種因素造成的。其中,粉塵為首要因素,如果揚塵中的微粒在空氣中停留過久,不僅有礙于動植物的健康,而且當粉塵聚集到一定濃度會發生爆炸;或者對一部分精密機械設備造成損傷等等[7-8]。因此,怎樣減少粉塵產生的問題已經引起相關學者們地高度重視。目前粉塵治理的方法有很多種,其中抑塵劑使用較為普遍,但是目前市場上抑塵劑多為化學物質復配而成,在使用過程中常會導致對環境的二次污染。本文采用高壓反應釜從廢紙中提取羧甲基纖維素鈉,然后再以羧甲基纖維素鈉為基質,輔以天然植物膠和硅酸鈉等制備出可降解、低成本、無毒無害的高效抑塵劑。

1 實驗部分

1.1 實驗設備和試劑

氯乙酸,AR,上海麥克林生化科技有限公司;十二烷基磺酸鈉,AR,上海麥克林生化科技有限公司;聚乙烯醇,AR,上海麥克林生化科技有限公司;黏度計,上海方瑞儀器有限公司;BYZ系列表面張力儀,上海方瑞儀器有限公司。

1.2 實驗部分

1.2.1 纖維素的制備

稱取廢報紙197.74 g徹底粉碎,用穩定性二氧化氯溶液進行脫色處理。稱取脫色干燥后的廢報紙70.42 g徹底粉碎,在水中煮沸2 h,配制4%的NaOH溶液(準備76.24 g固體氫氧化鈉放在干燥潔凈的燒杯里,加入少量水攪拌,溶解后加入一定量的水)然后,將全部紙漿在4%的氫氧化鈉溶液中煮沸3 h。用稀鹽酸來調節pH值(6～7)。最后,用無水乙醇在砂心漏斗中清洗和過濾紙張,干燥。

1.2.2 羧甲基纖維素鈉的制備

取10 g精制纖維素,在250 mL 95%乙醇溶液中加熱;加入10 g氫氧化鈉,在恒溫35 ℃的水浴中反應1 h(10∶10～11∶10),在堿化溶液中加入15 g氯乙酸和50 mL無水乙醇的混合溶液,溫度升高至70 ℃,恒溫攪拌1 h(15∶23～16∶23左右),用稀鹽酸中和反應pH值(6～7)。鹽酸中和后的中性產品在37 μm(400目)的濾網袋中用無水乙醇過濾,干燥得到CMC。將裝有300 mL水的燒杯放入水浴中,溫度調整至85 ℃,從廢紙中提取的CMC緩慢均勻地分散到水中。

1.2.3 抑塵劑復配

將上述過程制備的CMC在恒溫60 ℃以上,按表1所列配方分別配置成不同濃度的抑塵劑。

表1 實驗配方 單位:g

配方一的實驗濃度:1%,2%,3%,4%;配方二的實驗濃度:0.5%,1%,1.5%,2%;配方三的實驗濃度:1%,2%,3%,4%。

1.2.4 抑塵劑的性能表征

1.2.4.1 滲透性能測試

提前準備10個玻璃管,并分別在玻璃管內添加提前過篩后的適量的土樣,振動夯實后保持土樣在玻璃管內高度相同;之后在對應的玻璃管中分別加入不同質量濃度的抑塵劑2 mL,然后沿管壁將膠頭滴管內的抑塵劑慢慢滴加至土樣玻璃管中,從抑塵劑開始滴入時計時,設定時間為20 min。在滲透時間和加入抑塵劑劑量都相同的情況下,滲透深度越深,則表示抑塵劑滲透性能越好。

1.2.4.2 保水效果測試

首先準確稱取已經過篩后的土樣[74 μm(200目)]70 g左右,將其置于圓形玻璃培養皿上,輕輕振動夯實后,平鋪成厚度約為20～30 mm的圓形土體;然后再用電子天平精準稱量土體和玻璃培養皿的質量;最后,分別均勻噴灑相同質量抑塵劑在土樣表面,將土體置于干燥通風的環境中,隔6或者24 h,稱量土體質量共10組,再計算該測試的保水率。

式中:WII——6 h/24 h后土體質量+圓形玻璃培養皿;W0——土體初始質量+圓形玻璃培養皿;WI——土體噴灑抑塵劑后的質量+圓形玻璃培養皿。

1.2.4.3 抗風蝕效果測試

抗風蝕效果測試是以風蝕后的樣品質量與其原質量的差再比上其原質量的結果為指標來反映抑塵劑的抗風蝕成效;這是抑塵劑的性能表征中最直觀的方式。首先稱取60 g左右已經過篩后的土樣[74 μm(200目)],將其置于圓形玻璃培養皿(D=90 mm)中,鋪墊均勻平整,再往上面噴灑25 g左右的抑塵劑,置于通風干燥的環境下讓其自然晾干。直至土樣表面形成固化層,再進行稱重。使用一臺鼓風機模擬分別自然風和強風兩種情況下,對土樣分別進行測試。用風速儀測定的風速分別設定為6～7 m/s和12～13 m/s,每個土樣每次風蝕5 min后稱重,每個風速稱量四次,最后按下式計算質量損失率。

式中:m1是固化后土體的質量,g;m2為5,10,15,20 min后土體的質量,g。

1.2.4.4 黏度測試

首先,根據被測液體大概的黏度范圍選擇合適的轉子和轉速,然后再使用適合的轉子和轉速分別測出不同配比、不同質量濃度抑塵劑的黏度。

1.2.4.5 表面張力測試

首先,將表面張力儀調平衡,選擇適宜長度的掛鉤進行連接,然后利用BYZ系列表面張力儀按照質量濃度從小到大依次測出不同配比抑塵劑的表面張力。

1.2.4.6 硬度測試

利用硬度計測出加入不同配比、不同質量濃度的抑塵劑土體固化后的硬度。

2 結果與討論

2.1 提取方法對CMC制備的影響

圖1左側是恒溫水浴法制備的CMC,圖1右側是高壓反應釜法制備的CMC,兩者比較來看:左側加水成膠后顏色較暗,溶解后有少量沉淀;右側可以在水中均勻分散形成膠狀物質,且靜置一段時間后,未發現沉淀產生。因此,選擇高壓反應釜法制備CMC,產率更高,提取率更高,成膠性能更好。

圖1 CMC產品

2.2 不同質量濃度、配方的抑塵劑對黏度的影響

不同配方和濃度對抑塵劑溶液黏度的影響如圖2所示。由圖2可知,同一配方的抑塵劑質量濃度越大,黏度也越大。在相同濃度下,配方不同溶液黏度也不同。其中,配方二的黏度較小,但比水稍大;配方一和配方三的黏度較大。質量濃度為1%,2%,3%的配方三的黏度都大于配方一,但配方三4%的濃度小于配方一4%。溶液黏度越高,噴灑阻力會越大,會造成噴射設備管路堵塞,破壞設備;在黏度愈低,溶液的噴灑阻力越小,且抑塵劑更易分散,霧化程度高,但是,濃度太小,成膜性能及抗風蝕性能都會隨之降低,因此,要選擇合適的濃度以使其不但具有合適的黏度同時還具有良好的使用效果,通過分析可知,配方三的1%,2%,3%以及配方一的1%,2%的抑塵劑溶液黏度較好。

2.3 不同質量濃度、配方的抑塵劑對表面張力的影響

不同配方和濃度對抑塵劑溶液表面張力的影響如圖3所示。表面張力越小,濕潤性越好。由圖3可知,水和硅酸鈉的黏度較高。配方一和配方三的抑塵劑溶液黏度較小時,溶液的黏結性較小,表面張力隨著黏度的增大而減小;在黏度大于一定值時,配方一和配方三的質量濃度在2%～4%以及配方二的質量濃度在1.5%～2%時,表面張力逐漸增大,潤濕性減小。因此,當抑塵劑溶液的質量濃度在1.5%～3%時表面張力有下降的趨勢,濕潤性較好。

2.4 不同質量濃度、配方的抑塵劑對滲透性的影響

本實驗在滲透時間和加入抑塵劑劑量都相同的情況下,滲透深度越深,則表示抑塵劑滲透性能越好。

不同配方和濃度對抑塵劑溶液滲透性的影響如圖4所示。在相同的時間下、實驗所用土體來源相同,加入的抑塵劑滲透深度的大小凸顯滲透深度受抑塵劑配比和質量濃度的影響。黏度隨溶液濃度的增大而逐漸增大,黏度越大,溶液的滲透性越小,所以溶液的滲透性會隨著濃度的增大而逐漸減小。由圖4可知,配方二的滲透性要優于配方一和配方三。

圖4 滲透性變化曲線

2.5 不同質量濃度、配方的抑塵劑對硬度的影響

不同配方和濃度對抑塵劑溶液表面張力的影響如圖5所示。由圖5可知,加入配方二的土體的硬度隨著其加入抑塵劑的質量濃度的增大而增大;而加入配方一、三的土體的硬度在其加入抑塵劑質量濃度為1%,2%時呈上升趨勢,由于其加入抑塵劑質量濃度為3%,4%時,該濃度的抑塵劑滲透性能較差,它土體表面到往下40～60 mm膠化,然后成膜,膜表面較軟,且膠化層以下的土體不含有抑塵劑,故不會固化。所以會出現上圖配方一、三這樣的硬度曲線圖。因此可得:當加入的抑塵劑的濃度大于一定值時,土體硬度會下降。

圖5 硬度變化曲線

2.6 不同質量濃度、配方的抑塵劑對抗風蝕性的影響

不同配方和濃度對抑塵劑溶液抗風蝕性的影響,配方一的3%,4%和配方三的4%以及硅酸鈉、空土在風速6～7 m/s時的質量損失率都有較大的上升趨勢。其余抑塵劑配方的質量損失率都近乎0。由實驗1.2.4.3可知配方一的3%,4%和配方三的4%都出現不同程度的固化層成膜翹起,進而導致在風速6～7 m/s下,固化層成膜被吹掉,從而導致上述三種抑塵劑出現質量損失率呈上升趨勢的現象。空土的質量損失率遠大于其他。而在上述三種抑塵劑的固化層成膜被吹掉后,不會再出現質量損失率呈大勢上升的現象,則證明了加入抑塵劑后,土體的質量損失率明顯下降且在不同風速下沒有較為明顯波動。

2.7 不同質量濃度、配方的抑塵劑對保水性的影響

不同配方和濃度對抑塵劑溶液保水率的影響,配方二的保水性較差,隨土樣靜止時間的增加,其保水率也隨著下降。在6,24 h后,都出現了大幅度失水的情況,但45 h后又逐漸趨于平緩;在51 h后,硅酸鈉的保水性能最好,其次是配方三的1%。說明配方三1%的抑塵劑在上述所有的配方中的保水性能較好。

3 結論

以廢紙為原料,以羧甲基纖維素鈉為基質,輔以天然植物膠和硅酸鈉等進行復配制備出可降解、低成本、無毒無害的高效抑塵劑,實現了廢紙的資源化。同時,優化復配后的抑塵劑在黏度和保水性以及滲透性等性能上都表現出了更優良的抑塵性能。實驗結果表明,與傳統的恒溫水浴法相比較,采用高壓反應釜法從廢紙提取羧甲基纖維素鈉,產率更高,提取率更高,成膠性能更好。高壓反應釜法制備的CMC為基質復配了三種配方的抑塵劑,實驗研究了不同配方、不同濃度對抑塵劑溶液黏度、表面張力、滲透性的影響,還研究了它們使用后保水性、抗風蝕性以及結殼性能的影響。經過實驗證明:配方三的1%,2%,3%以及配方一的1%,2%的抑塵劑與純水和純硅酸鈉溶液相比有更優的保水性、潤濕性和滲透性等。同時該抑塵劑的抗風蝕性能與純水和硅酸鈉以及空土相比,效果格外顯著;即分別在6～7和12～13 m/s的風速條件下能保持近乎百分百的抑塵效果。