李軍波 韓卿 陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院 陜西 西安（710021）

麥草氨法預(yù)處理制備化機(jī)漿工藝的研究

李軍波 韓卿 陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院 陜西 西安（710021）

本文研究了尿素-氫氧化鉀法，通過使用尿素和氫氧化鉀對(duì)麥草進(jìn)行預(yù)處理，在控制尿素和氫氧化鉀用量、溫度、升溫保溫時(shí)間條件下，使麥草化機(jī)漿成漿得率達(dá)到65%以上。結(jié)果表明：在尿素用量9%，KOH用量5%，蒸煮溫度160℃、升溫時(shí)間60min、保溫時(shí)間60min時(shí)，得率為66.72%，所抄紙張的環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)9.43N·m/g、裂斷長(zhǎng)4..67km、緊度0.53g/cm3，已經(jīng)達(dá)到了瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13023-2008）中A級(jí)水平。制漿后的黑液和洗滌液進(jìn)行酸化和苛化處理，分離出沉渣和上層清液，沉渣作為含鉀的有機(jī)復(fù)合肥料，上層清液用來重新配制蒸煮液。

麥草化機(jī)漿；氨法預(yù)處理；尿素；瓦楞原紙；強(qiáng)度；黑液

尿素是第一個(gè)人工合成的有機(jī)物，尿素法制漿在我國的研究始于上個(gè)世紀(jì)80年代。尿素制漿法是以尿素代替蒸煮過程中使用的化學(xué)藥品的制漿方法[1-2]。尿素法制漿廢液中含氮、磷、鉀等，適合灌溉農(nóng)田，肥效明顯。尿素法制漿污染輕、腐蝕性小、簡(jiǎn)單易行[3-5]。

尿素可以用來制漿，其原理主要有三個(gè)方面：①尿素的分子結(jié)構(gòu)中含有碳?；鞍被?，并且形成了酰胺的結(jié)構(gòu)，基團(tuán)綜合作用使得分子整體呈現(xiàn)了微堿性，稱之為結(jié)構(gòu)堿性。在蒸煮時(shí)，尿素可以與在蒸煮過程中植物纖維氧化產(chǎn)生的有機(jī)酸（如草酸）發(fā)生反應(yīng)，起到中和有機(jī)酸的作用，促進(jìn)了蒸煮的進(jìn)行，這本身就具備了一定的蒸煮作用[6-7]；②尿素與水共熱，在100℃下發(fā)生水解生成NH3和CO2，對(duì)于NH3的脫木素可以理解為兩方面∶其一為在蒸煮溫度和壓力下，氨有一定的軟化作用，它可使木素結(jié)構(gòu)引入親水基羧酸鹽-COONH4，使木素易于溶出；其二為氨與木素反應(yīng)使得在木素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中引入亞氨基，亞氨基的存在使得木素易于潤脹和斷裂；而對(duì)于二氧化碳的脫木素機(jī)理可以認(rèn)為是它與木素結(jié)構(gòu)反應(yīng)生成了木素羧酸鹽，具有親水性而溶出[8]；③NH3和CO2反應(yīng)可以生成碳酸銨，而尿素可以分解成氰酸，氰酸可以轉(zhuǎn)化成氰尿酸。氰尿酸與木素的醇型羥基反應(yīng)生成異氰酸酯，易溶于水從而達(dá)到脫木素的目的；碳酸銨主要體現(xiàn)為NH4+活力大，能潤脹纖維并置換木素的酚羥基[9-10]。

本文通過對(duì)尿素預(yù)處理麥草機(jī)理的探討，確定了本實(shí)驗(yàn)的可行性，同時(shí)探討了尿素預(yù)處理麥草后對(duì)后續(xù)紙張性能（環(huán)壓強(qiáng)度、裂斷長(zhǎng)、緊度）的影響，并確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料及化學(xué)試劑

原料：西安某造紙廠的新鮮麥草；

尿素：重慶川江化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，分析純，含量≥99.0%，其中尿素按GB/T2441-91測(cè)定總氮含量，氮含量為33.75%；

氫氧化鉀：重慶川江化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，分析純，含量≥82%。

1.1.2 儀器

蒸煮鍋；PFI磨漿機(jī)；洗漿機(jī)；德國抄片器；環(huán)壓測(cè)定儀；抗張測(cè)定儀。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 麥草氨化預(yù)處理

使用大鍋進(jìn)行蒸煮，每次裝鍋量為90g（絕干）。液比為1：6。蒸煮時(shí)，為了確定最佳工藝條件，尿素的用量分別為5%，7%，9%，氫氧化鉀的用量分別為3%，5%，7%，最高溫度分別為 140℃，150℃，160℃，保溫時(shí)間控制分別為45min，60min，75min，升溫時(shí)間均為60min，做蒸煮正交試驗(yàn)表。

1.2.2 磨漿

用PFI磨漿機(jī)對(duì)洗好的麥草漿進(jìn)行機(jī)械磨漿，使其打漿度在45°SR左右。然后對(duì)其測(cè)定水分，測(cè)定得率。

1.2.3 抄片

用德國的標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器抄紙，定量為100g/m2。手抄片在物檢前，放到ISO標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)平衡水分24h以上。

1.3 正交試驗(yàn)與極差分析

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。選取尿素用量、KOH用量、最高溫度、保溫時(shí)間4個(gè)因素并分別確定3個(gè)水平做正交實(shí)驗(yàn)，采用L9(34)來安排實(shí)驗(yàn)，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。

表1 尿素蒸煮正交試驗(yàn)因素水平表

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了大量數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行直觀的極差分析，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，如圖1、2、3、4所示。這樣可以較為方便地找出尿素和KOH用量、最高溫度和保溫時(shí)間的最優(yōu)值，圖中橫坐標(biāo)的1、2、3表示的是各因素的水平。

圖1 各因素對(duì)得率的影響

圖2 各因素對(duì)環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)的影響

圖3 各因素對(duì)裂斷長(zhǎng)的影響

圖4 各因素對(duì)緊度的影響

2 結(jié)果與討論

由于所制紙漿用來生產(chǎn)瓦楞原紙，所以最佳工藝條件的選取，重點(diǎn)考慮得率和環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)。本文中對(duì)得率、環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)、裂斷長(zhǎng)、緊度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果分析如下：

（1）當(dāng)尿素用量為9%時(shí)，得率、環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)、緊度均為最高值，分別為 60.13%、9.79N·m/g、0.53 g/cm3。而這時(shí)的裂斷長(zhǎng)為4.98km，雖然不是最高值，但比國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13023-2008）中A級(jí)水平規(guī)定的4.3km要高，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求；尿素用量若為5%，環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)、裂斷長(zhǎng)、緊度均為最低值；尿素用量若為7%，得率為最低值，僅為57.77%。所以綜合考慮，尿素用量為9%是最佳選擇。

（2）因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所制漿料是用來生產(chǎn)瓦楞原紙的，所以得率和環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)的指標(biāo)尤為重要。當(dāng)KOH用量為5%時(shí)，環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)為9.57 N·m/g，為最高值。而這時(shí)的得率雖然不是最高值，但為次高值60.20%，與最高值相差極少，裂斷長(zhǎng)和緊度分別為4.76 km和0.5 g/cm3，均達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求；若KOH用量選擇3%，裂斷長(zhǎng)和緊度則太低；若KOH用量選擇7%，則得率太低，且KOH用量大，價(jià)格昂貴，增加了生產(chǎn)成本。所以綜合考慮，KOH用量為5%是最佳選擇。

（3）當(dāng)保溫時(shí)間為60min時(shí)，環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)、裂斷長(zhǎng)、緊度都是最高值，分別為 9.97N·m/g、5.57km、0.52 g/cm3，而這時(shí)的得率也相對(duì)較高，為58.92%，僅次于最高值。所以保溫時(shí)間為60min是最佳選擇。

（4）當(dāng)最高溫度為160℃時(shí)，得率，裂斷長(zhǎng)、緊度均為最高，分別為 60.98%、5.24km、0.54 g/cm3，而這時(shí)的環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)為9.16 N·m/g，與最高值9.98 N·m/g相差不多，且達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求；最高溫度若選擇140℃，環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)、裂斷長(zhǎng)、緊度均為最低值，分別為7.48 N·m/g、4.11km、0.47 g/cm3，裂斷長(zhǎng)和緊度達(dá)不到瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13023-2008）中A級(jí)水平；最高溫度若選擇150℃，環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)雖然是最高值，裂斷長(zhǎng)和緊度也相對(duì)較高，但得率實(shí)在太低。所以綜合考慮，最高溫度為160℃是最佳選擇

按照上述分析得出的尿素和KOH蒸煮麥草的工藝條件：尿素用量9%，KOH用量5%，保溫時(shí)間60min，最高溫度160℃，做驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果如表2。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

從驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果來看，粗漿得率達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)、裂斷長(zhǎng)、緊度也都達(dá)到了瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13023-2008）中A級(jí)水平，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的要求。

3 制漿黑液的處理

制漿后的黑液和洗滌液相繼進(jìn)行酸化和苛化處理后，分離出沉渣和清液，沉渣可以作為含鉀的有機(jī)復(fù)合肥料或其他用途，清液用來重新配制蒸煮液。這樣就能使制漿產(chǎn)生的黑液得以回收，變廢為寶，減少環(huán)境污染。

4 結(jié)論

1)通過正交試驗(yàn)得出尿素和KOH預(yù)處理麥草的最佳工藝條件是：尿素用量為9%、氫氧化鉀用量為5%、最高溫度160℃、升溫時(shí)間60min、保溫時(shí)間60min。

2)在上述條件下預(yù)處理麥草，進(jìn)行手抄片。手抄片的環(huán)壓強(qiáng)度指數(shù)為9.43 N·m/g，裂斷長(zhǎng)為4.67km，緊度為0.53 g/m3，均達(dá)到了瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB13023-2008）中A級(jí)水平。

3)所產(chǎn)生的黑液含氮、磷、鉀等元素，適合灌溉農(nóng)田，肥效明顯，也可以將其制成肥料。降低了工廠處理黑液的成本，又保護(hù)了環(huán)境。

4)尿素法制漿污染輕、腐蝕性小、簡(jiǎn)單易行，非常適合工廠的生產(chǎn)。

[1]武書彬.制漿造紙清潔生產(chǎn)新技術(shù) [M].化學(xué)工業(yè)出版社.2003∶1-3.

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Study on nitrogen compounds pretreatment technology of wheat straw chemi-mechanical pulp

The technology of urea-potassium hydroxide for pretreating wheat straw was studied in this paper.The dosages of urea and potassium hydroxide,temperature,time and liquor ratio were investigated in order to produce a chemi-mechanical pulp which the unscreened yield of the pulp was beyond 65%.The results shown that the chemi-mechanical unscreened yield was 66.72%when the dosages of urea and potassium hydroxide were 9%,5%respectively,and pretreatment temperature,heating time and keeping time at the high temperature were 160℃,60min,60min separately.The physical properties of the hand sheet were as follow:the ring crush compression resistance index was 9.43N·m/g,breaking length was 4.67km and the tight degree was 0.53g/cm3,the physical properties had achieved the national standard A grade level(GB/T 13023-2008)of the corrugated paper.

wheat straw CMP；nitrogen compounds pretreatment；urea； corrugated paper；black liquor

2011-10-24