（制浆造纸工程专业论文）麦草osp清洁制浆工艺的研究.pdf

b 0 ，k i i i 1li l li ti l l lii iiiil y 19 0 0 311 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g a s t u d y o f0s pc l e a n e rp r o d u c t i o no f w h e a ts t r a w c a n d i d a t e ：t i a ny e s p e c i a l t y ：p u l p i n g a n dp a p e r m a k i n g e n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nj i a c h u a n s h a n d o n gp o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ，j i n a n , c h i n a m a y , 2 0 1 1 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名： 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 里璐 导师签名：蚴掣 日期：型年上) 弓2 0b 日期：盏丝年j 月丝日 - 厂 山东轻工业学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 制浆造纸纤维原料的现状及非木材纤维原料3 1 2 1 制浆造纸纤维原料的现状3 1 2 2 非木材纤维原料4 1 3 草浆制浆工艺的发展和现状5 1 3 1 草类纤维原料化学浆制浆工艺6 1 3 2 草类纤维原料化机浆制浆工艺1 0 1 3 3 草类纤维原料清洁制浆生产工艺1 4 1 4 麦草浆清洁漂白工艺的发展1 6 1 4 1 臭氧漂白17 1 4 2 过氧化氢漂白17 1 4 2 生物漂白18 1 5 论文的研究目的、意义及内容1 8 1 5 1 研究的目的和意义1 9 1 5 2 研究的主要内容1 9 第2 章麦草o s p 制浆技术的探讨2 l 2 1 原料和实验方法2 l 2 1 1 原料及成分分析2 1 2 1 2 过氧化氢含量的测定方法2 l 2 1 3 实验流程2 2 2 1 4 正交实验方案2 2 2 1 5 实验方法2 3 2 1 6 检测。2 4 、f 目录 2 2 结果与讨论2 5 2 2 1 正交实验设计2 5 2 2 2 各因素对纸张强度性能的影响。2 8 2 2 3 各因素对纸张光学性能的影响3 0 2 2 4 最优条件的初步确定。3 1 2 3 结论3 3 第3 章k o h 用于麦草清洁生产工艺的研究3 5 3 1 原料和实验方法3 5 3 1 1 原料及成分分析3 5 3 1 2 过氧化氢含量的测定方法3 5 3 1 3 实验方法3 5 3 1 4 检测3 6 3 2 结果与讨论3 7 3 2 1 以三号正交实验工艺为基础的替换实验3 7 3 2 2 以十六号正交实验工艺为基础的替换实验4 4 3 2 3 残碱和高锰酸钾值的测定4 9 3 3 结论5 0 第4 章麦草o s p 清洁制浆工艺的优化5 3 4 1 原料和实验方法5 3 4 1 1 原料及成分分析5 3 4 1 2 过氧化氢含量的测定方法。5 3 4 1 3 实验方法5 4 4 1 4 检测5 5 4 2 结果与讨论5 5 4 2 1 单一式两步预处理工艺。5 5 4 2 2 混合式两步预处理工艺5 8 4 2 3 含c 1 6 ( 以实验十六为基础拆分后的实验工艺) 的实验工艺的验证 6 l 4 2 4 麦草o s p 制浆工艺的确定6 3 4 2 5 残碱和高锰酸钾值的测定6 5 4 3 结论6 6 2 t + l i 山东轻工业学院硕上学位论文 第5 章结论与展望。6 9 5 1 本研究的主要内容6 9 5 2 本研究的创新之处7 0 5 3 下一步的工作计划7 0 参考文献：7 3 致谢7 7 攻读硕士学位期间发表的论文7 9 印 i i 山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 针对草浆造纸资源利用率低、污染严重，环境治理技术不能满足经济社会可 持续发展需求的重大社会和经济问题，为了充分利用我国所存在的丰富的麦草类 非木材原料，研究麦草类的清洁制浆生产工艺就显的极为重要。 本论文的主要目的是研制麦草o s p ( o n es t a g ep u l p i n g ) 一步法制浆技术，不 采用传统的高温高压强碱蒸煮工艺，在常温常压下，一步制成白浆，在制浆过程中不 产生黑液。以清洁生产为理念，简化麦草制浆工艺，生产高白度，高强度的麦草 浆。 研究了麦草o s p ( o n es t a g ep u l p i n g ) 一步法制浆技术的初步工艺条件。采用 五因素四水平的正交实验l 1 6 ( 4 5 ) ，以n a o h 用量( 6 、8 、1 0 及1 2 n a o h ， 对绝干麦草原料) 、h 2 0 2 用量( 1 2 、1 6 、2 0 及2 4 h 2 0 2 ，对绝干麦草原料) ， 液比( 1 ：4 、1 ：5 、l ：6 及l ：8 ) ，蒸煮最高温度( 7 0 、8 0 、9 0 及9 5 c ) ，最高温 度下的保温时间( 6 0m i n 、8 0m i n 、1 0 0 m i n 及1 2 0m i n ) 作为参数变量，研究了其 对纸浆得率、强度性质和白度性质的影响。分析得出了麦草o s p ( o n es t a g e p u l p i n g ) 一步法制浆技术的初步工艺条件：氢氧化钠和过氧化氢的用量比为2 ：l ， 液比在1 ：5 ；在蒸煮时间和蒸煮温度上可以采取高温短时间蒸煮( 9 5 ，6 0 m i n ) 和低温长时间蒸煮( 7 0 ，1 2 0 m i n ) 。在此条件下制浆得率最大为7 2 9 、裂断长 最大为5 17 k i n 、自度最大为6 2 3 i s o 。 研究了k o h 用于麦草清洁生产工艺。研究方案分别为：以三号正交实验工 艺为基础的替换实验及以十六号正交实验工艺为基础的替换实验。实验结果表明 在蒸煮过程中使用k o h ，采用高温短时间蒸煮可以有效地提高纸张的强度、白度、 不透明度和光散射系数；以十六号正交实验为基础减少总碱用量部分替代氢氧化 钠的方法最适合k o h 用于麦草清洁制浆工艺；在此条件下与十六号正交实验相 比：得率增加了为6 7 l 、裂断长增加了3 6 1 、撕裂指数增加了1 5 9 、白度增 加了4 6 5 。 探讨了麦草o s p 清洁制浆的优化工艺，设计出分步法加填药品的o s p ( o n e s t a g ep u l p i n g ) 的制浆工艺。在初步工艺的基础上采用分步添加药液的方法生产不 需要洗涤和漂白的高强度、高白度的麦草浆。实验结果表明以含c 1 6 ( 以实验十 六为基础拆分后的实验工艺) 的混合式两步预处理的蒸煮工艺条件最佳，根据生 产需要，按照此蒸煮工艺即可生产化学浆或化学机械浆。在此工艺条件下生产的 化学浆的得率为5 0 8 、裂断长7 4 9 k m 、耐破指数5 2 1 k p a m 2 9 1 、白度7 5 5 i s o ； 生产的化学机械浆的得率为6 3 0 、裂断长6 8 2 k m 、耐破指数4 1 9 k p a m 2 g 、白 摘要 _ _ _ - _ - _ - 一 度7 3 4 i s 0 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s et h el o w e ru t i l i z a t i o no fw h e a ts t r a wm a t e r i a l ，p o l l u t i o na n dt h e e n v i r o n m e n t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yc a nn o tm e e tt h en e e d so fs u s t a i n a b l ee c o n o m i ca n d s o c i a ld e v e l o p m e n t ，i no r d e rt ot a k ef u l la d v a n t a g eo fc h i n a sn o n w o o dr a wm a t e r i a l ， i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt os t r e n g t h e nt h er e s e a r c ho fn o n - w o o dr a wm a t e r i a li nn e w c l e a np r o d u c t i o nt e c h n o l o g i e s t h em a i na i mo ft h i sp a p e ri sr e s e a r c h i n go no n es t a g ep u l p i n g ( o s p ) p u l p i n g p r o c e s s o n es t a g ep u l p i n gi s o u to ft h et r a d i t i o n a lp u l p i n gp r o c e s sw h i c hi sh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i 。g ha l k a l ic o o k i n g ，a n do n l yi nt h ec o n d i t i o no fn o r m a lt e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r eo n es t a g ep u l p i n g ( o s p ) c a np r o d u c th i g hb r i g h t n e s sp u l pa n dl i t t l e b l a c kl i q u i d o nt h eb a s eo fc l e a np r o d u c t i o n , s i m p l i f i e dw h e a ts t r a wp u l p i n gp r o c e s s a n dp r o d u c eh i g h - b r i g h t n e s s ，h i 【g h - s t r e n g t hw h e a ts t r a wp u l p o n es t a g ep u l p i n g ( o s p ) p r o c e s si n i t i a lp r o c e s sc o n d i t i o n si sr e s e a r c h e d a f i v e - f a c t o rt h r e eo r t h o g o n a lt e s tl 1 6 ( 4 ) t on a o hc o n s u m p t i o n ( 6 ，8 ，10 a n d 12 ，o nt h ea b s o l u t e l yd r yw h e a ts t r a wm a t e r i a l ) ，h 2 0 2c o n s u m p t i o n ( 12 ，16 ，2 0 a n d2 4 ，o nt h ea b s o l u t e l yd r yw h e a ts t r a wm a t e r i a l ) ，t h el i q u i dr a t i o ( 1 ：4 ，1 ：5 ，l ：6a n d 1 ：8 ) ，t h eh i g h e s tc o o k i n gt e m p e r a t u r e ( 7 0 c ，8 0 ( 2 ，9 0 ca n d9 5 c ) ，t h eh o l d i n g t i m ei n m a x i m u mt e m p e r a t u r e ( 6 0r a i n ，8 0m i n ，lo o m i na n d12 0m i n ) a st h ep a r a m e t e r st os t u d y t h ei n f l u e n c eo np u l py i e l d , s t r e n g t hp r o p e r t i e sa n do p t i c a lp r o p e r t i e s t h er e s u l ts h o w s t h eo p t i m a lo s pp u l p i n gp r o c e s si n i t i a lc o n d i t i o n si st h a tn a o h ：h 2 0 2 = 2 ：i ；l i q u i d r a t i o ：l ：5 ：a b o u tt h ec o o k i n gt i m ea n dc o o k i n gt e m p e r a t u r e ：h i g ht e m p e r a t u r ea n ds h o r t c o o k i n g ( 9 5 c ，6 0 m i n ) o rl o wt e m p e r a t u r ea n ds h o r tc o o k i n g ( 7 0 c ，12 0 m i n ) u n d e r s u c hp r o c e s s e s ，m a x i m u mp u l py i e l di s7 2 9 ，m a x i m u mb r e a k i n gl e n g t hi s5 17 k m , m a x i m u mb r i g h t n e s si s6 2 3 k o hi su s e di nw h e a ts t r a wc l e a np r o d u c t i o ni sr e s e a r c h e d t h er e s e a r c hm e t h o d s f o l l o w s ：r e p l a c e m e n tt e s tb a s e do nt h et m r do r t h o g o n a lp r o c e s sa n dr e p l a c e m e n tt e s t b a s e do nt h es i x t e e n t ho r t h o g o n a lp r o c e s s t h er e s u l ts h o w st h a tw h e nu s i n gk o hi n c o o k i n g ，h i g ht e m p e r a t u r ea n ds h o r tc o o k i n gc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es t r e n g t h p r o p e r t i e s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，o p a c i t ya n dl i g h ts c a t t e r i n g c o e f f i c i e n to ft h ep u l p ； r e p l a c e m e n t t e s to fr e d u c i n ga l k a l o i d sa m o u n tb a s e do nt h es i x t e e n t ho r t h o g o n a l p r o c e s si s w e l lf o rw h e a ts t r a wc l e a np r o d u c t i o nu s e dk o h c o m p a r e dw i t ht h e s i x t e e n t ho r t h o g o n a lp r o c e s s ，u n d e rs u c hp r o c e s s e sp u l py i e l d ，b r e a k i n gl e n g t h ，t e a r i n g “ t a b s t r a c t i n d e x ，b r i g h t n e s sr e s p e c t i v e l yi n c r e a s eb y6 7 1 ，3 6 1 ，15 9 ，4 6 5 w h e a ts t r a wo n es t a g ep u l p i n go p t i m i z e dp u l p i n gp r o c e s si sr e s e a r c h e da n dt h e f r a c t i o n a ls t e pm e t h o di su s e di no n es t a g ep u l p i n g ( o s p ) p r o c e s s t h ef r a c t i o n a l s t e pm e t h o db a s e do ni n i t i a lp r o c e s sc o n d i t i o n sc a l lp r o d u c et h eh i g h - b r i g h t n e s s ， h i g h - s t r e n g t hw h e a ts t r a wp u l pw h i c ha v o i dw a s h i n g t h er e s u l ts h o w st h ec 16h y b r i d t w o - s t a g ep r e t r e a t m e n ti st h eb e s tc o o k i n gp r o c e s s ，a n di tc a np r o d u c ec h e m i c a lp u l p a n dc m p a c c o r d i n gt od i f f e r e n tn e e d s u n d e rs u c hp r o c e s s e s ，t h ec h e m i c a lp u l p ：p u l p y i e l di s5 0 8 ，b r e a k i n gl e n g t hi s7 4 9k m ，b u r s ti n d e xi s5 2 1 k p a 。m 2 g ，b r i g h t n e s si s 7 5 5 ；t h ec m p ：p u l py i e l di s6 3 0 ，b r e a k i n gl e n g t hi s6 8 2k m ，b u r s ti n d e xi s 4 19 k p a r n ：g b r i g h t n e s si s7 3 4 k e yw o r d ：w h e a ts t r a w , o s p , c l e a np r o d u c t i o n , s t r e n g t hp r o p e r t i e s ，b r i g h t n e s s l i 山东轻工业学院硕上学位论文 第1 章绪论 本章介绍了论文的研究背景，我国制浆造纸纤维原料的现状及非木材纤维的 种类，形态和应用现状，并结合国内外研究现状探讨了本论文的研究目的、意义、 内容及方法。 1 1 研究背景 造纸工业是制造各种类别的纸制品的行业，造纸工业是一个与国民经济发展 息息相关的重要产业【1 】，它涉及林业、交通运输、农业、机械制造、化工、电气 自动化、环保等多个产业。纸和纸板的消费水平也衡量了一个国家的现代化水平 和文明建设的重要标志。同时，造纸行业产品范围有纸浆、机制纸及纸板、加工 纸、手工纸等【2 】几乎笼阔了国民生活的各个方面。 纸及纸板的消费量直接与国家的国内生产总值有着直接的联系【3 j 。在现代经 济中，造纸行业的发展越来越多地引起国家和社会的瞩目，被国际上公认为“永 不衰竭”的工业，在欧美和日本等经济发达国家，造纸工业已成为其国民经济的 支柱制造行业之一【4 】。造纸业是仅次于钢铁和电信行业后的全世界第二大产业。 现在全世界的纸和纸板的产品总量中，不足百分之二十用于人们直接消费，百分 之八十以上作为生产资料用于新闻、出版、商品包装、印刷和其他工业领域。造 纸产业可以直接拉动例如机械制造、化工、热电、交通运输、林业、农业、环保 等产业的发展，是国民经济发展的重要增长点【5 j 。当今世界各国已将国家文明程 度和现代化水平与纸和纸板的生产和消费水平相联系，作为衡量国家经济实力和 人民生活状况的重要标志之一。造纸行业常用来衡量一个国家经济的发展状况， 人民的纸和纸板的平均消耗量体现了一个国家的生活水平和经济实力。为了适应 激烈的市场竞争，实现制浆造纸工业的现代化，在提高经济效益的同时，还要在 生产的过程中尽可能地减少污染、降低消耗、保护环境1 6 j 。 造纸术到公元7 世纪初期开始东传至朝鲜、日本。造纸的发明与传播，使文 字的载体成本得到了大幅度的下降，知识在平民中的普及得以实现，从而极大的 推动了世界科技、经济的发展。中国造纸工业发展现状是改革开放以来，进入了 长时间的发展阶段，具有更大的发展空间和良好的发展前景。中国造纸工业的迅 速发展，特别是在国家计划经济体制转为市场经济体制以后的改革开放三十年， 中国造纸工业取得的成绩更是显赫辉煌。 我国造纸工业虽然有了很大的发展，但是与世界上造纸工业较为发达的国家 第l 章绪论 相比，依然还存在着较大的差距。主要表现在纸和纸板的总量不足，产品结构不 合理，企业规模小；造纸原料结构不合理，木浆比重低；技术水平落后；水资源 消耗量大，环境污染严重；自主创新能力差等方面。这些都是我国造纸行业面临 的问题。随着我国消费和生产同步快速增长，近十年来我国纸和纸板的产量有了 巨大的提升，仅次于美国跃居世界第二。总体趋势呈现出生产增速与消费增速趋 于平衡。由此可见，中国已进入世界纸张消费大国和生产大国行列【7 1 。 簟位：万吨 _ l l l l 1l l li il己ik 阳隅l 中国造纸工业集中化、专业化、国际化的格局初步形成。我国的造纸产业主 要集中在三个地区：即珠江三角洲，长江三角州和山东半岛。每个地区在纸品的 生产和规模上也存在着较大的变化。为了保护环境，减少对环境的污染，全国各 地规模较小的草浆厂都已被国家强制性关停f 9 】。同时，企业生产规模开始向大型 化大规模发展，从而大型化大规模的企业则向集团化的形式发展【l o l 。几个大的造 纸企业都已经拥有了全国范围内的龙头产品。造纸企业已经从单纯的生产简单产 品向生产名牌专业产品的目标而奋斗。 我国造纸工业实施以清洁生产为目标，要求对生态环境的破坏的状况有较大 幅度的改善，污染情况有了明显的减轻。但是由于原料结构和小企业的原因，在 环境保护和治理方面还存在着社会欠账。为加快改变增长方式，建立资源节约型， 环境友好型绿色纸业，造纸企业应当自觉履行社会环境责任，实现绿色发展。并 倡议造纸行业各企业共同行动。严格贯彻执行国家有关环境保护、劳动保障、循1 环经济、安全生产等法律法规，推进造纸行业可持续发展。以尽可能少的资源消 耗取得最大经济产出和最少废弃物排放，实现造纸工业发展和环境，社会效益相 统一。 虽然我国造纸工业取得了长足的进步，但是还是存在着如“原料紧缺、能源 消耗量大、自主研发能力低、技术水平落后、环境污染严重”等问题。因此如何 2 o生墨 张弘 j 山东轻工业学院硕士学位论文 在充分利用现有资源并且不以牺牲环境为代价的前提下，构建：“资源节约型、 “环境友好型”的健康可持续的造纸行业是制浆造纸工业所面临的一个巨大问题 1 1 2 】 1 2 制浆造纸纤维原料的现状及非木材纤维原料 1 2 1 制浆造纸纤维原料的现状 造纸工业中的物质基础是纤维原料。 系到造纸工业的质量、品种和发展速度， 纤维原料的质量、数量和种类，不但关 而且对造纸企业采取的工艺技术路线， 规模、污染治理和经济效益等都有着十分重要的影响。造纸工业的原料来源主要 有三种：木材纤维原料，非木材纤维原料和二次纤维原料【1 3 】。各种纤维原料所占 比例如表1 1 所示。 表1 1 我国造纸纤维原料比例 由于我国森林资源匮乏，森林覆盖率只有1 6 4 5 ，随着我国造纸工业的快速 发展，影响造纸工业发展的重要因素是造纸纤维原料的供给不足。因为我国木材 资源缺乏，我国的造纸原料结构长期不合理，木浆比重小i i 引。资料表明，2 0 0 7 年 为8 4 5 吨，而2 0 0 8 年已达9 5 2 万吨，增加了2 0 多个百分点。在大量进口木浆的 同时，现在每年还大量进口废纸，以代替一部分木浆。另外，因国内草浆造纸厂 的污染不容易解决，许多小草浆厂也改用废纸为原料，废纸作为二次纤维的利用 价格上价位便宜，中国造纸工业的原料比重中，废纸浆的比重也是逐年的上升， 2 0 0 8 年纸浆的总消耗中废纸浆的比重就已达到了6 0 ，但是由于国内政策和技术 水平的落后，国内废纸的回收效率低【l5 1 。2 0 0 8 年中国从国外进1 3 的废纸数量已高 达2 5 4 0 万吨。造纸工业中，资源的来源极为重要，直接关系到企业的生死存亡。 国家在造纸产业发展政策中虽然明确提出要“充分利用国内外两种资源”，但 是由于我国造纸行业的发展需要，这几年我国造纸工业在国内的原料极为紧张， 每年都要从国外大量进口商品木浆和废纸，这样的趋势在很长一段时间内不会改 变。若造纸行业要长期发展，完全依赖进口是不现实的也不可能的。唯一的方法 是加快我国“林纸一体化”进程，自己为自己生产原料，同时提高生产技术一次提 高国内木浆的生产量和加强及改进国内废纸回收的工作，提高废纸回收率，此为 上策【1 6 1 。所谓的林纸一体化就是制浆企业以多种形式各种形式建设速生林基地， 第1 章绪论 将制浆，造纸，造林，营林，采伐和销售结合起来，形成良性循环的产业链，使 纸业和林业得到较快的发展。林纸一体化一方面为造纸工业提供了充足的木材原 料，解决了造纸工业原料短缺的问题；另一方面有利于调整农业种植结构，增加 农民收入和提供就业；三一方面有利于节约水资源，保护了环境。 1 2 2 非木材纤维原料 我国是一个农业大国，麦草资源在我国极为丰富，目前，我国用于造纸的麦 草占总资源的百分之二十左右，仍有相当大的潜力，在我国木材纤维十分匮乏的 情况下，在一定的时期内，结合我国制浆造纸的现状，麦草仍然是造纸行业中一 种较为可靠的非木材纤维原料【1 7 1 。 与木材相比，造纸用非木材原料具有生长周期短的特点。小麦6 个月内就可 以收获，而一些相对来说较大的材种如洋麻与其他的木材相比也仅需3 年。由于 非木材原料生长周期短，投入的生产资金可以在短期内迅速回笼，所种植的原料 面积可以随生产需要进行局部的调整，这些优势对于木材纤维原料而言是很难实 现的【1 8 1 。 和木材纤维结构不同，非木材纤维较为细且短，纤维的比表面积大，纤维细 胞腔小，细胞壁厚，细胞挺而硬，杂细胞和半纤维素含量高、木素含量少【1 9 】，如 表1 2 所示。 表1 2 我国造纸植物原料纤维形态比较表 国内外大量的研究表明，非木材纤维原料中除稻、麦草外，其他各种原料的 微细结构在次生壁上都有特殊的结构特征。较多的纤维的次生壁部分构成不符合 s l ，s 2 ，s 3 模式。有些纤维的次生壁则由更多层次组成。非木材纤维的p 层和s 层的厚度占细胞壁厚度的比例较大，远远大于木材纤维中相应的比例2 0 1 。非木材 纤维的微细结构的这些特点，对其打浆来说是有重要意义的。一般来说，草类纤 4 山东轻工业学院硕士学位论文 维原料比木浆纤维易打浆，并且打浆时纤维的润张，体积膨胀的方向与木浆打浆 时纤维膨胀的方向十分不同，这主要是因为非木材纤维原料的微细结构的取向不 同而造成的1 2 。 麦草得化学成分组成为：水分1 0 3 1 ，灰分6 0 2 ，果胶质含量0 2 8 ，冷 水抽出物含量5 3 3 ，聚戊糖含量2 4 7 5 ，硝酸乙醇纤维素4 0 3 8 。其特点是： ( 1 ) 木素含量比木材纤维原料低，比较接近与阔叶木的低值。( 2 ) 纤维素含量 和木材纤维素相当，略低于阔叶木的高值。( 3 ) 聚戊糖的含量比针叶木高，与阔 叶木的高值近似。( 4 ) 灰分的含量极高。( 5 ) 1 氢氧化钠抽出物和热水抽出物 的含量高于木材。 麦草原料中的纤维较短，长度一般都小于2 m m ，除竹子外；宽度也较小，即 具有又短又细的特点。由此可见，一般草类原料在制浆造纸上的性能是无法和木 材纤维原料相比的。草类纤维原料中的薄壁细胞含量高，薄壁细胞壁薄腔大，在 蒸煮过程中液比需求量大，且薄壁细胞长度短，不但给洗浆和抄纸带来很多麻烦， 同时也会影响到纸张的强度性能和形态的稳定性。薄壁细胞与纤维之间的结合力 小，对湿纸页的强度也会造成严重的影响。薄壁细胞的比表面积大吸附力强，反 映在成纸质量上：纸张的撕裂度，耐折度差，紧度大，松厚度和透气度小，吸水 性较差，纸张的透明度大，纸质发脆且塑性差，纸容易翘边变形，收缩率大和尺 寸稳定性差，纸的印刷适应性和吸墨性差。草类原料的灰分和s i 0 2 含量高，在减 法蒸煮时，增加了废液中的硅含量，使得黑液的粘稠度增加，洗浆效率降低，碱 回收过程中的硅干扰严重。通常在蒸煮过程中，非木材纤维原料的尺寸都比木片 小，且木素含量低，纤维间连接的木素沉积相对来说比较少，这样在蒸煮中时间 短，木素容易溶出，因此耗费的能量也比木材少。例如，蔗渣和麦草在1 0 - - - ，1 5 分钟之内就可以成浆。另外，研究还发现要获得相同的游离度，大多数的非木材 纤维所需要的磨浆能耗比木材纤维岁1 8 j 。 表1 3 草浆制浆和木浆制浆的主要参数对比 黑液提取率 碱回收率 含水量 8 0 8 5 6 5 8 0 8 0 - - - lo o m 3 t 9 9 9 8 以上 2 0m 3 t 1 3 草浆制浆工艺的发展和现状 我国的制浆造纸是在草浆的基础上发展起来的，和木浆的发展趋势一样，草 浆也经历了草类化学浆，机械浆，半化学机械浆和化学机械浆这几个阶段的发展。 第1 章绪论 随着造纸工业的发展和对环境要求的日益提高，草类的化学蒸煮方法受到了很大 的限制，很多小规模的草浆厂关闭，各种草类清洁制浆工艺开始研发并使用。在 几十年的草浆发展过程中，我国的造纸行业积累了丰富的经验，围绕着节约能源， 降低污染，提高质量，充分利用非纤维原料为目标，研究开发了很多新型的草浆 生产工艺，其中包括：有机溶剂法，微波处理法，生物制浆法，爆破制浆法，以 及螺旋挤压制浆法，但是这些制浆方法由于未达到工业化的技术标准和经济标准， 目前还没有得到广泛的应用瞄】。生物制浆法和微波法是最近几年才兴起的技术。 生物法制浆主要是利用一些生物酶，在较为温和的条件下对纤维原料进行生物处 理，破坏纤维原料的内部结合方式，使需要除去的物质得到更好的脱除。而微波 法制浆，是利用了微波的特性：微波是频率介于3 0 0 m h z 和3 0 0 g h z 之间的电磁 波，微波制浆的原理是微射线辐射于纤维原料并穿过细胞壁到达细胞内部，由于 吸收微波能，细胞内部温度升高，压力增大，当压力超过细胞壁的承受能力时， 细胞壁破裂，细胞中的纤维素得到分离软化，使化学药品更易于进入纤维原料中。 从而有利于木素的脱除和纤维的软化。微波具有穿透力强、选择性高、加热效率 高等特点。 1 3 1 草类纤维原料化学浆制浆工艺 按照使用的化学药剂的不同，常用的麦草化学制浆的工艺有如下几种：烧碱 法，烧碱蒽醌法，烧碱甲醇法，硫酸盐法，多硫化物法，氧碱法等。 1 3 1 1 烧碱法 用烧碱法生产麦草化学浆是常用的蒸煮方法，所用的碱通常是氢氧化钠，有 时也会有少量的碳酸钠。烧碱法蒸煮麦草时，用碱量极大，原料经过强烈的脱木 素反应，纸浆的得率较低。在蒸煮过程中重要有以下几种脱木素的化学反应和木 素发色基团的形成：1 ) 酚型a 芳基醚键或q 烷基醚键的断裂。2 ) 酚型p 芳基醚 键的断裂。3 ) 非酚型p 芳基醚键的断裂。4 ) 苯丙单元侧链芳基烷基键或烷基 烷基之间的c c 键的断裂。5 ) 苯环上甲氧基的甲基断裂。6 ) 碱法蒸煮过程中的 缩合反应。由于以上6 中的主要脱木素反应，使大分子量的木素逐渐被降解为小 分子量的木素从而溶出 2 3 】。但是在降解木素的同时，原料中的碳水化合物也会受 到剥皮反应和碱性降解的作用，从而降低碳水化合物的聚合度和纸浆的得率，纸 q 浆的粘度和强度也随之下降。 1 3 1 2 烧碱蒽醌法 目前使用最多的有机助剂就是葸醌及其类似物，添加葸醌是上世纪7 0 年代才 开始使用的方法。自使用以来，葸醌就被广泛的应用于许多国家和地区的造纸工 业中。具统计，在日本的造纸厂，有7 0 - 8 0 使用葸醌类作为蒸煮助剂，在一些 6 山东轻工业学院硕士学位论文 发达的造纸国家如加拿大，美国，芬兰等都广泛的使用葸醌。葸醌的作用是首先 氧化碳水化合物的还原性醛末端基，使之变成羧基，从而避免剥皮反应，葸醌本 身则还原成葸氢醌，在碱性溶液中，蒽氢醌电离成葸氢醌离子，然后互换为蒽酚 酮离子，与木素亚甲基结构反应使木素断裂，而葸酚酮离子又变回为蒽醌，继续 对碳水化合物进行氧化。这样的氧化还原的循环交替，既提高了生产效率，促进 了木素的脱除，又保护了碳水化合物免于降解1 2 引。其反应经过示于图1 2 。 防止剥皮反应 生产糖醛酸 二7 = ， 蕙醌1638415ll12 37164121l815 312716411815 111637121584 注：能耗的计算根据简易公式为能耗= 1 ( 保温时间+ 温度) 气 由表2 6 可以看出，在十六组正交实验中，综合白度、裂断长、耐破指数和 能耗，第三组，第十六组和第七组为较理想的初步麦草o s p 制浆工艺条件。从这 三组实验工艺可以看出，氢氧化钠和过氧化氢的用量比为2 ：1 时效果最为明显。 既有利于h 2 0 2 发挥漂白功效，也有利于纤维软化和润张，增加纸张的紧度和强 度。温度和时间的配合可以看出，低温长煮或稍高温短煮都可以达到的效果。液 比则在l ：5 时为佳，液比过大时药液的浓度相对较小，不利于渗透，液比过小则 3 2 y-li ，、 山东轻工业学院硕士学位论文 药液的浓度相对较大，使得高浓碱促变黑，且没有过多的碱提供给h 2 0 2 以用来 漂白。 2 3 结论 ( 1 ) 麦草o s p 制浆工艺中，影响纸浆得率的主要因素是氢氧化钠，其次是液 比，过氧化氢用量和温度。影响撕裂指数、裂断长及耐破指数等强度指标的因素 的主次关系是用碱量、保温时间及最高温度。 ( 2 ) 在麦草o s p 制浆工艺中的各影响因素中，过氧化氢的用量是影响白度的 最主要的原因，其次是温度和液比。过氧化氢作为漂白剂起到了重要的作用。影 响纸张不透明度和光散射系数的主要影响因素是氢氧化钠的用量，液比和温度也 有着一定的影响。 ( 3 ) 在麦草o s p 制浆工艺中，第三组，第十六组和第七组为较理想的初步工 艺条件。从这三组实验工艺可以看出，氢氧化钠用量和过氧化氢用量( 相对于绝 干物料) 比为2 ：1 ，液比在1 ：5 。在蒸煮时间和蒸煮温度上可以采取高温短煮( 9 5 ， 6 0 r a i n ) 和低温长蒸( 7 0 ，1 2 0 r a i n ) 。 ( 4 ) 在三个初步较理想的工艺条件下，所得到的各物理指标的最大值为：裂 断长为5 1 7 1 a n ，撕裂指数4 4 7i n n m 2 g - 1 ，耐破指数3 0 8k p m 2 g 一，白度 6 2 3 i s o 。 3 3 ：葛i-，l，、-_-、 簟 p ；、 一- 山东轻工业学院硕士学位论文 第3 章k o h 用于麦草清洁生产工艺的研究 随着木材资源问题给造纸行业造成的压力日趋加大，非木材原料的利用得到 了重视。在世界范围内，非木材纤维原料制浆所占比例可望由现在的百分之七至 八提高到2 0 1 0 年的百分之十至十五【5 9 1 。我国森林资源匮乏，森林覆盖率只有 1 3 9 4 6 0 1 ，加上人口众多，造纸业一直以非木材为主要原料，尤其是禾草原料制 浆，但其污染是十分严重的【6 1 1 。我国约8 0 以上的造纸原料为非木材纤维，大多 数中小造纸厂以禾本科为生产原料，由于禾本科植物中的灰分含量高，因此其制 浆黑液的污染与回收问题在我国显得特别的严重。如何切实可行地治理中小型造 纸厂的废水污染，不仅关系到厂家自身的生存，更关系到国民经济的健康发展和 人民生活质量的提高。寻求新的制浆方法，使纤维资源得到综合高效的利用，是 解决这个问题的一个有效途径。 为改变传统制浆带来的黑液污染，人们始终都在研究和开发其他制浆方法来 减轻和消除黑液的污染，亚硫酸盐铵法由于其黑液富含营养物质可用于农田施肥， 自1 9 7 0 年已开始在我国应用于草类制浆，但该法因为蒸煮时间长，漂白困难及药 液腐蚀设备而未广泛推广。同样，利用氨水制浆，因蒸煮黑夜中含有农作物生长 所需要的多种营养元素，可作为农业生产的肥料源，也是得到人们的关注，但由 于需要大量的氨水和很长的蒸煮时间，而未得到进一步的发展和应用m j 。近年来 人们对氨法制浆进行了技术改革，大大提高了木素脱除速犁吲。 以钾盐为例，同样可以作为农业肥料的钾源作为利用，用钾盐代替钠盐，不 仅因为钾盐是比钠盐更强的碱，同时也可对钾盐进行回收，作为农业产品