CN106381741A - 一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法 - Google Patents

一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法，竹片筛选后送入汽蒸仓进行常压预汽蒸，然后进行第一段螺旋挤压；挤压后的物料加入生物酶进行预处理，然后进行高温灭活，洗涤脱水，再依次进行第一段和第二段化学预浸渍，然后用高浓盘磨进行第一段高浓常压磨浆，将浆料在高浓反应仓内停留约50～60min完成漂白反应；接着再用盘磨进行后续磨浆，通过控制输入不同的磨浆能耗，制取不同加拿大游离度的浆样，并分别记录制取各浆样所需的磨浆能耗，不同浆样分别经过消潜、酸化、洗涤、筛选、脱水浓缩后，用于纸浆性能测试。本发明通过对竹材生物酶预处理，观察与传统PRC‑APMP制浆工艺在磨浆能耗与成浆性能方面的差异，为以竹子为原料制备化学机械浆提供参考工艺。

Description

一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法
技术领域
本发明涉及造纸行业，具体地涉及一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法。
背景技术
全球范围内造纸工业的快速发展使中国已成为世界造纸产品的主要生产国和消费国，生产量和消费量居世界第二位。而造纸原料的短缺及造纸工业的环境污染问题早已成为制约我国造纸工业发展的最大难题。2007年国家发展和改革委员会在《造纸产业发展政策》中就明确指出充分利用国内外两种资源，提高木材比重，扩大废纸回收利用，合理使用非木材纸浆，逐步形成以木纤维、废纸为主、非木纤维为辅的造纸原料结构。因此结合我国实际情况，根据国家相应政策，对于如何利用好非木材纤维原料资源、保护好生态环境和治理好污染，促进我国造纸工业持续健康发展，尽快将我国造纸工业构建成为“环境友好型”和“资源节约型”的现代中国纸业就成为一项重要而紧迫的任务。
竹子高得率化机浆具有投资低、纸浆得率高、化学品消耗少等特点，而且保留了大量木素，具有化学浆没有的某些特性，如高松厚度，优良的印刷性能等[耿秀娟，夏新兴.竹材化学机械制浆的研究进展[J]，黑龙江造纸，2011，第4期：31-33]，目前国内对竹子高得率制浆的研究还是主要集中在高白度漂白方面的研究，如华南理工大学陈礼辉、詹怀宇等人[陈礼辉，江茂生，詹怀宇，等.毛竹蒸汽***法高得率浆的研究[J].福建林学院学报，2001，21(3)：224-227.]进行了毛竹蒸汽***法高得率浆的研究，研究表明采用用量4％的单段过氧化氢漂白，毛竹***浆漂白后白度也只能达到61％(ISO)；黄显南、詹怀宇等人[黄显南，詹怀宇，王双飞，等.粉单竹化学机械浆H2O2漂白的研究[J].造纸科学与技术，2006,25(1)：7-9.]采用粉单竹为原料，采用高浓H2O2漂白，可将粉单竹CTMP漂至60％ISO以上的白度。但是很少有对竹材原料进行生物酶预处理制备化学机械浆的研究。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法。
为实现上述技术目的，本发明提出了一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法，包括如下步骤：
(1)竹片经TMI竹片筛筛选后，合格竹片经热水洗涤后，送入汽蒸仓进行常压预汽蒸，汽蒸后竹片进行第一段螺旋挤压；
(2)挤压后的物料加入生物酶，进行生物酶预处理，完成后进行高温灭活，洗涤脱水，然后进行第一段化学预浸渍，完成第一段浸渍后的物料洗涤脱水，进行第二段化学预浸渍，二段浸渍结束后用高浓盘磨进行第一段高浓常压磨浆，浆料游离度控制在约600mLCSF～700mL CSF；第一段磨后浆料在高浓反应仓内停留约50～60min，其间监测温度，pH值，在反应终点测残余过氧化氢和氢氧化钠的量，完成漂白反应；
(3)完成漂白反应后的纸浆再用盘磨进行后续磨浆，通过控制输入不同的磨浆能耗，制取不同加拿大游离度的浆样，并分别记录制取各浆样所需的磨浆能耗，不同浆样分别经过消潜、酸化、洗涤、筛选、脱水浓缩后，用于纸浆性能测试。
优选地，步骤(1)中，预汽蒸的条件为：预汽蒸温度100～105℃，时间为15～20min。
优选地，第一段螺旋挤压的压缩比为4∶1～5∶1。
优选地，生物酶预处理的条件为：生物酶预处理的条件为：在温度50～55℃的条件下加入15～20％的生物酶，在pH4.5～4.5的条件下反应100～120min，生物酶的浓度为15～20U/g。
所述的生物酶为纤维素酶或木聚糖酶。
第一段化学预浸渍的条件为：H2O2用量2.0kg/(t绝干浆)，NaOH用量1.5kg/(t绝干浆)，Na2SiO3用量0.5kg/(t绝干浆)，DTPA用量0.2kg/(t绝干浆)，化学浸渍浓度20％-30％，温度90-95℃，时间50-60min。
第二段化学预浸渍的条件为：H2O2用量8.0kg/(t绝干浆)，NaOH用量2.5kg/(t绝干浆)，Na2SiO3用量1.5kg/(t绝干浆)，DTPA用量0.5kg/(t绝干浆)，化学浸渍浓度20％-30％，温度60℃，时间30-40min。
有益效果：本发明通过对主材进行生物酶预处理，观察与传统PRC-APMP制浆工艺在磨浆能耗与成浆性能方面的差异，为以竹子为原料制备化学机械浆提供参考工艺，结果表明，使用生物酶对竹材原料进行预处理可以有效的降低磨浆电耗，使用纤维素酶和木聚糖酶预处理，纸浆磨至加拿大游离度为300ml左右时，磨浆电耗分别降低60kWh/t和273kWh/t，下降幅度分别达到3.73％和16.96％，另外，生物酶预处理后，在相同的游离度水平条件下，竹材纸浆的物理强度除撕裂指数有所下降外，抗张指数与耐破指数均得到改善，同时与对照样相比，竹材经过木聚糖酶预处理后纸浆整体白度最佳，最高为53.6％ISO，其次为纤维素酶处理后的纸浆，最高白度为53.37％ISO。
附图说明
图1为不同生物酶预处理磨浆电耗的影响；
图2为不同生物酶预处理对纸浆松厚度的影响；
图3(a)～图3(c)为生物酶预处理对纸浆物理强度性能的影响；
图4为生物酶预处理对纸浆光学性能的影响。
具体实施方式
下面通过具体的实施例详细说明本发明。
实验步骤：竹片经TMI竹片筛筛选后，合格竹片经热水洗涤后，送入汽蒸仓进行常压预汽蒸，预汽蒸温度105℃，时间为15min，汽蒸后竹片进行第一段螺旋挤压(压缩比4∶1，下同)，挤压后物料加入生物酶，进行生物酶预处理，完成后进行高温灭活，洗涤脱水，进行第一段化学预浸渍，完成第一段浸渍后的物料洗涤脱水，进行第二段化学预浸渍，二段浸渍结束后用高浓盘磨进行第一段高浓常压磨浆，浆料游离度控制在约600mLCSF～700mLCSF。第一段磨后浆料在高浓反应仓内停留约60min(其间监测温度，pH值，在反应终点测残余过氧化氢和氢氧化钠的量)完成漂白反应。完成漂白反应后的纸浆再用盘磨进行后续磨浆，通过控制输入不同的磨浆能耗，制取4个不同加拿大游离度的浆样，并分别记录制取各浆样所需的磨浆能耗。不同浆样分别经过消潜、酸化、洗涤、筛选、脱水浓缩后，用于纸浆性能测试。
其中，竹材生物酶预处理制浆工艺条件如表1所示：
表1
在竹材PRC-APMP生物酶预处理阶段，分别加入纤维素酶、木聚糖酶以及空白试样，研究竹材PRC-APMP生物酶预处理对制浆性能的影响。制浆工艺详见表1。
浆料处理及测试
磨浆能耗测试：磨浆机电能记录仪表的测定精度为0.007kWh。
磨浆电耗计算公式：
纸浆消潜：采用英国Messer公司标准疏解器，在浆料浓度(质量分数)为3％、温度85℃条件下，搅拌消潜10min。
酸化：采集的不同加拿大游离度浆料，在浓度为3％(质量分数)的条件下，用1mol/L的硫酸调节pH值至6左右，酸化搅拌约10min，酸化后浆料进行脱水、洗涤，洗后浆料pH值为中性。
纸浆性能检测：对采集的不同加拿大游离度浆料，采用英国Messmer纸页成形器(带白水循环)进行手工抄片，抄取60g/m2纸页，置于恒温恒湿室干燥，揭取纸页，按相关标准规定对纸张的物理性能及光学性能进行检测。
本发明为了研究不同生物酶预处理对磨浆能耗的影响，首先保持其他试验条件一致，包括酶用量20U/g，反应温度50℃，预浸渍浓度15％，反应时间120min，pH4.8，重点研究不同生物酶对制浆磨浆电耗及成浆性能的影响。研究结果如下。
(1)对磨浆电耗的影响
由于磨浆电耗是化机浆生产所产生的主要成本之一，因此在确保纸浆质量稳定的情况下，尽可能地减少磨浆电耗是所有化机浆生产企业所追求的目标。一般来说，对于特定的原料制浆，磨浆电耗只与制浆过程中木片的浸渍效果有关，木片的浸渍效果好，磨浆过程中纤维则易于分离，所需的磨浆电耗就低，反之，则需要的磨浆电耗高。图1显示的是浸渍段添加不同用量的渗透剂，制得小叶桉P-RCAPMP浆所需的磨浆电耗。由图1可以看出，使用生物酶对竹材原料进行预处理可以有效的降低磨浆电耗。与1#对照样(未进行生物酶预处理)相比，在竹材生物酶预处理阶段分别加入纤维素酶与木聚糖酶，制浆的磨浆电耗有不同程度的下降，且加入木聚糖酶预处理后磨浆电耗下降较为明显，加入纤维素酶预处理的磨浆电耗下降幅度不明显。如图2所示，使用相同用量的生物酶预处理后，输入不同的磨浆能耗，制取4个不同加拿大游离度的浆样，与1#对照样相比，木聚糖酶处理后的磨浆电耗均显著低于对照样，纸浆磨至加拿大游离度为300ml左右时，磨浆电耗分别降低60kWh/t和273kWh/t，下降幅度分别达到3.73％和16.96％。这可能是生物酶的作用使竹材原料纤维细胞壁的内部组织结构变得更为松弛，药液渗透效果得到了一定程度的改善，木片的软化程度更好，磨浆时容易分丝帚化，从而使得磨浆电耗下降。
(2)对松厚度的影响
图2显示了生物酶预处理后，竹材PRC-APMP纸浆的松厚度变化情况。从图中可以看出，生物酶预处理竹材后，纸浆的松厚度与对照样相比均有所下降。当游离度在300ml左右时，对照样的松厚度为3.41cm2.g-1，纤维素酶处理后的纸浆松厚度为3.31cm2.g-1，而半纤维素酶处理后的纸浆松厚度为3.28cm2.g-1，当游离度逐渐增加时生物酶预处理后的纸浆松厚度下降的较为明显。
(3)对强度性能的影响
图3(a)～(c)是生物酶预处理对纸浆物理强度性能的影响，从图中可以看出，生物酶预处理后，在相同的游离度水平条件下，竹材纸浆的物理强度除撕裂指数有所下降外，抗张指数与耐破指数均得到改善，这可能是由于生物酶预处理使得纤维的平均长度降低，故纸浆撕裂指数下降；在没的作用下，纤维被降解，使得纤维在磨浆过程中易于分丝帚化，从而使得纸浆抗张指数与耐破指数增加。
(4)对光学性能的影响
图4是生物酶预处理后竹材经过PRC-APMP制浆工艺后，不同游离度条件下纸浆白度，过氧化氢总用量10％(对绝干竹浆量)，氢氧化钠总用量4％。从图中可以看出，与对照样相比，竹材经过木聚糖酶预处理后纸浆整体白度最佳，最高为53.6％ISO，其次为纤维素酶处理后的纸浆，最高白度为53.37％ISO，这说明竹材经过生物酶预处理，使纤维得到活化和松弛，提高纤维的吸水润涨作用，并使半纤维素得到一定程度的降解，使得药液更容易渗透，有利于后续碱性过氧化氢漂白。
竹材PRC-APMP制浆工艺，使用生物酶对竹材原料进行预处理可以有效的降低磨浆电耗，使用纤维素酶和木聚糖酶预处理，纸浆磨至加拿大游离度为300ml左右时，磨浆电耗分别降低60kWh/t和273kWh/t，下降幅度分别达到3.73％和16.96％。
生物酶预处理后，在相同的游离度水平条件下，竹材纸浆的物理强度除撕裂指数有所下降外，抗张指数与耐破指数均得到改善。
与对照样相比，竹材经过木聚糖酶预处理后纸浆整体白度最佳，最高为53.6％ISO，其次为纤维素酶处理后的纸浆，最高白度为53.37％ISO。

Claims (7)

1.一种竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)竹片经TMI竹片筛筛选后，合格竹片经热水洗涤后，送入汽蒸仓进行常压预汽蒸，汽蒸后竹片进行第一段螺旋挤压；
(2)挤压后的物料加入生物酶，进行生物酶预处理，完成后进行高温灭活，洗涤脱水，然后进行第一段化学预浸渍，完成第一段浸渍后的物料洗涤脱水，进行第二段化学预浸渍，二段浸渍结束后用高浓盘磨进行第一段高浓常压磨浆，浆料游离度控制在约600mL CSF～700mL CSF；第一段磨后浆料在高浓反应仓内停留约50～60min完成漂白反应；
(3)完成漂白反应后的纸浆再用盘磨进行后续磨浆，通过控制输入不同的磨浆能耗，制取不同加拿大游离度的浆样，并分别记录制取各浆样所需的磨浆能耗，不同浆样分别经过消潜、酸化、洗涤、筛选、脱水浓缩后，用于纸浆性能测试。
2.根据权利要求1所述的竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，步骤(1)中，预汽蒸的条件为：预汽蒸温度100～105℃，时间为15～20min。
3.根据权利要求1所述的竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，第一段螺旋挤压的压缩比为4∶1～5∶1。
4.根据权利要求1所述的竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，生物酶预处理的条件为：在温度50～55℃的条件下加入15～20％的生物酶，在pH4.5～4.5的条件下反应100～120min，生物酶的浓度为15～20U/g。
5.根据权利要求1所述的竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，所述的生物酶为纤维素酶或木聚糖酶。
6.根据权利要求1所述的竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，第一段化学预浸渍的条件为：H2O2用量2.0kg/(t绝干浆)，NaOH用量1.5kg/(t绝干浆)，Na2SiO3用量0.5kg/(t绝干浆)，DTPA用量0.2kg/(t绝干浆)，化学浸渍浓度20％-30％，温度90-95℃，时间50-60min。
7.根据权利要求1所述的竹材化学机械浆生物酶预处理方法，其特征在于，第二段化学预浸渍的条件为：H2O2用量8.0kg/(t绝干浆)，NaOH用量2.5kg/(t绝干浆)，Na2SiO3用量1.5kg/(t绝干浆)，DTPA用量0.5kg/(t绝干浆)，化学浸渍浓度20％-30％，温度60℃，时间30-40min。
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