CN1085756C - 化学纸浆的脱木素和漂白的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化学纸浆中脱木素和漂白的方法，该方法包括在聚合物和选自氢氧化钾、氢氧化钠和碱金属或碱土金属碳酸盐中的化合物A存在下，在温度高于100℃和在高压下，用过氧化氢处理的一个或多个步骤。

Description

化学纸浆的脱木素和漂白的方法
本发明涉及用于化学纸浆脱木素和漂白的方法。
化学纸浆或化学浆液是在牛皮纸浆，亚硫酸盐浆或亚硫酸氢盐浆中在化学制剂如氢氧化钠存在下，蒸煮木化纤维素材料，尤其是木材而获得的。
各种类型的木材都是合适的。可以提到的是例如各种松木和枞木的软木，或例如桦木，白杨木，山毛榉和桉树的硬木材料。
通过蒸煮所得的化学纸浆通常要经过许多次脱木素和/或漂白处理步骤。完成由蒸煮所产生的脱木素的第一步骤后，接着进行漂白的步骤。
在完成这些脱木素和漂白处理步骤后，纸浆通常具有高的白度和很低的卡伯(Kappa)值，同时保持良好的机械性能，就是说，纤维素没有明显的降解。这种降解可以通过测量纸浆的聚合度(DP)而测量。该DP应该保持尽可能的高。
因此，在WO95/31598的申请中，阐明了一种脱木素和漂白的方法，该方法包括在碱金属硅酸盐存在下，在温度T大于100℃和在压力大于该温度T下的水的饱和蒸汽压1.5倍下，用过氧化氢处理的步骤。正如此申请的表I所指出的那样，为了获得具有高白度和高DP的脱木素的纸浆，必须有硅酸盐存在。
而且，由Messrs Bertel Stromberg和Richard Szopinski在1994年国际纸浆漂白会议上所介绍的题目为“用于改进TCF漂白的加压的过氧化氢漂白”一文中指出，通过加压的过氧化氢的漂白导致纤维素基本上降解。
尽管有这些先入之见，本申请人的公司在加压下用过氧化氢并在没有硅酸盐存在下，已经处理了化学纸浆。
事实上，本申请人的公司已经发现了一种通过过氧化氢同时对化学纸浆进行脱木素和漂白的新方法，这就使得有可能获得保持良好的聚合度的高白度的纸浆。
该方法的特征在于，在使用过渡金属，特别是锰的配位剂或螯合剂进行预处理后，包括一个或多个步骤，其中在温度大于100℃时，并压力大于该温度T下的水的饱和蒸汽压1.5倍下，在含分子式(I)和/或(II)的单元的聚合物存在下，用过氧化氢对纸浆进行处理：
Figure C9711033800061
式中R1和R2，可以相同，也可以是不同的，每一个分别代表氢原子或含有1～3个碳原子的烷基，M代表氢原子，铵基，碱金属或碱土金属，并且该方法是在有选自氢氧化钾，氢氧化钠和碱金属或碱土金属的碳酸盐的化合物A存在下进行的。
使用由未被取代的聚(α-羟基丙烯酸)，相应的聚内酯和/或未被取代的聚(α-羟基丙烯酸)的盐(R1和R2＝氢)是有利的。钾，钠，镁和钙盐可有利地选自这些盐。
含分子式(I)和/或分子式(II)单元的聚合物的平均分子量通常是在1000和800,000之间，优选在2000和100,000之间。
含分子式(I)和/或分子式(II)的单元的聚合物以用作过氧化物溶液的稳定剂而公知(GB1,524,013，FR2,601,025)。可用FR2,237,914，FR2,237,916和FR2,628,745专利所述的方法进行制备。
化合物A有利地选自各种碳酸盐，例如碳酸钠，碳酸钾，碳酸镁和碳酸钙，因为以该替换形式的本发明方法提供了不产生任何液体废水(TEF，完全没有废液)的优点。因此，在洗涤水蒸发(该洗涤描述于下文)和有机物质焚烧之后，就可容易地再生碱金属或碱土金属的碳酸盐而不需要用石灰进行苛性化的步骤。优先使用碳酸钠。
在下文中，除非另有说明外，产品和试剂的量都是基于该纸浆的干物料重量的重量百分数来表示。
该纸浆的稠度是以相对于纸浆的总重量的干物料重量的百分数来表示。
所使用的聚合物的量通常是在约0.05％和约1.5％之间，优选在约0.1％和约1％之间，更具体地说在约0.2％和约0.5％之间。
取决于所使用的初始纸浆和所包含的过氧化氢的量，对碳酸盐化合物来说，A用量的比例为1％到15％，优选为6％到10％。
所用过氧化氢的量是约0.5％到约10％之间。优选使用的过氧化氢的量在约1％和约4％之间，更特别地是在约1.5％和约2.5％之间。
在用过氧化氢处理步骤期间，还可以使用螯合剂，例如DTPA(二乙三胺五乙酸钠)或EDTA(乙二胺四乙酸钠)，其使用量优选为0.2％以下。
根据本发明，在用过氧化氢处理前，该浆液可以用造纸工业中所公知的臭氧和/或二氧化氯和/或有机的或无机的过酸类和/或氧气来进行一次或多次的脱木素的步骤。优选使用的是氧气。
在脱木素处理结束时，纸浆可用热水或冷水洗涤一次或多次。
在用过氧化氢处理前，任何具有卡伯值(SCAN标准C1-59)不超过17的纸浆是特别合适的。可有利地使用MCC(改进的连续蒸煮)纸浆，EMCC(再改进的连续蒸煮)纸浆和超间歇(Super Batch)纸浆，在蒸煮后，对软木而言，其卡伯值可低达15-18的值，对硬木而言，其卡伯值可低达13-15的值。
在预处理中所使用的过渡金属的配位剂或螯合剂可选自DTPA，EDTA，膦酸或膦酸盐。为了增加对多种金属预处理的效率还可以结合使用许多试剂。
配位剂或螯合剂的量通常在约0.05％和约1％之间。优选的使用量约0.1％约0.5％之间。
预处理的温度通常为20到100℃，优选在约60℃和约90℃之间。
用配位剂预处理的时间通常是1到30分，优选为5到15分。
在预处理期间纸浆的稠度可在1％到25％的范围内变化。优选的稠度在5％和15％之间。
虽然用配位剂预处理可以在酸性pH介质中进行，但优选的是在碱性pH介质中进行。pH值大于7和小于或等于12.5是有利的。更优选的pH值在8和10之间。
在预处理期间的该碱性pH值可以通过用氧处理结束时纸浆的剩余碱度或通过该配位剂或螯合剂的碱度或另外通过加入一种碱，例如NaOH而获得的。
对大多数纸浆来说，将该纸浆的残余碱度与DTPA相结合，则可以在不加入氢氧化钠的条件下就获得pH值为9。
用过氧化氢处理前，纸浆中的锰含量优选不超过该同一纸浆的干物料的量的5ppm的重量。
配位预处理结束时，用水洗涤该纸浆。根据造纸工业的公知技术可以用热水或冷水进行洗涤。
为了获得所选定的稠度，将过氧化氢，化合物A，包括分子式(I)和/或(II)的单元的聚合物和任选的水加入到经配位预处理所得到的纸浆中，然后将该混合物在压力大于处理温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍下进行处理，然后将该混合物保持在温度T下。优选地是在室温或低于约60℃的温度下，将这些试剂加入到该纸浆中。
根据第二个可供选择的方式，在第一步中可以增加压力，然后将试剂与纸浆混合并同时增加温度。
优选的是根据第一个可供选择的方式进行操作。
在造纸工业中通常用于蒸煮纸浆的装置，该装置使得在高压和高温下保持用过氧化氢水溶液、化合物A和聚合物中浸渍纸浆成为可能，该装置可以适用于进行本发明的用过氧化氢处理的步骤。
在该处理后，将纸浆减压，任意地冷却，然后用水洗涤，以便除去所有可溶的有机和无机物质。然后根据造纸工业通常的技术，用蒸发浓缩洗涤水并接着在锅炉中焚烧。
所获得的灰主要是由纯化后可再循环使用的碳酸盐组成。
来自该处理步骤的废水只含有机物质和金属碳酸盐而不含氯化物和硅酸盐，它也可用来自牛皮纸浆单元的废液(黑液)来处理。
用过氧化氢处理期间该纸浆的稠度通常在约4和35％之间。该方法可在约4到约10％的低稠度下进行，并可通过泵送容易地转移反应混合物。
纸浆稠度在约15％到25％之间，使其有可能获得高白度和高的脱木素作用并可节省热能。选择选择约8％和约20％之间的稠度是有利的，因为这样可使该方法的产率达到最佳值。
在介质温度超过100℃前，该纸浆所受到的压力通常达到大于用过氧化氢处理的温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍的值。该压力优选大于处理温度T时水的饱和蒸汽压的2倍。
使用5和200巴之间的绝对压力是有利的。由于实际操作的原因，该压力优选是5和50巴的绝对压力。由于经济原因，优选的压力是5和20巴的绝对压力。
纸浆可以使用任何合适的方法加压，该方法使得获得大于在处理温度T时的水的饱和蒸汽压1.5倍的压力成为可能。因此，使用例如空气或氮气的压缩气体能产生该压力。也可在一密封室中用高压排液泵或离心泵抽吸纸浆而获得。
最常用的反应温度T是在110和180℃之间，120到150℃是有利的。
用过氧化氢处理的时间通常是1分钟到3小时。该时间随温度的增加而减少。优选的时间是15分到1小时。这些相对较短的时间使得有可能增加脱木素和漂白纸浆生产中的每小时产率。
在用过氧化氢处理结束时，纸浆可以在上述相同条件下或在通常条件下(在硫酸镁或硅酸钠存在下的碱性介质中，在温度低于90℃，大气压的条件下)进行第二个处理步骤，或可在造纸工业公知的条件下用二氧化氯进行处理。
上面和下面所使用的术语的定义相当于下述标准：
白度：ISO标准2470
卡伯值：SCAN标准C1-59
聚合度(DP)：SCAN标准SC15-12。
实验部分
一般步骤
a)用配位剂或螯合剂预处理
在蒸煮后和任选的用氧脱木素后，将纸浆悬浮在10％稠度的具有0.5％的以重量计为40％的工业用DTPA溶液中并在90℃下加热15分钟。取决于所选的纸浆，最终的pH值是8到10。
然后过滤纸浆，并用去离子水洗涤。
b)用压缩的过氧化氢处理
为了得到所择稠度，必须向(a)中所收集的纸浆中加入过氧化氢水溶液，化合物A，聚(α-羟基丙烯酸)或相应的聚内酯和去离子水。然后，将如此得到的反应混合物放到一不锈钢热压器中。完全装料的压热器用压缩空气加压，然后加热到所选定的温度T经过选定的时间。为了使压力保持在选定的反应值下，间歇地开启阀门以使该压热器排气。
反应后，冷却该压热器，然后降压，并将纸浆收集在过滤器上，并用去离子水洗涤。然后根据造纸工业标准测量其白度，卡伯值和DP。
通过蒸发浓缩洗涤水，然后焚烧。主要由碳酸钠组成的灰分可以再循环。
在所有的实施例中，该试剂的量都是以相对于纸浆干物料重量的重量百分数表示，除了另有说明外，压力都是指相对压力。
在实施例1-13中使用的是由蒸煮所获得的具有下述特征的工业源的硬木牛皮纸浆(HK1)：
白度＝34.8°ISO
卡伯值＝15.2
DP＝2100
实施例1
在下述条件下，先用螯合剂进行预处理，然后用过氧化氢进行处理：
稠度＝15％
温度＝140℃
时间＝20分
压力＝10巴
H2O2＝2％
Na2CO3＝10％
聚(α-羟基丙烯酸)的聚内酯(PPHA)＝1％。
在预处理后该纸浆的pH值是9.5。在处理结束时，已消耗99％的过氧化氢，最终的pH值是9.4。
该纸浆的白度是73.7°ISO，卡伯值是7.4，聚合度等于1500。
实施例2(对照例)
进行与实施例1相同的操作，但是其中没有聚(α-羟基丙烯酸)和/或相应的聚内酯。其白度等于60.8°ISO，卡伯值是8以及DP是1100。
实施例3到8
进行与实施例1相同的操作，只是改变其中聚内酯的量。
实施例9到13
操作与实施例1相同进行，只是改变其碳酸钠的量。
实施例1到13的试验结束时所得到的纸浆特性总结于表1中。图1-3表示碳酸钠和聚内酯对该HK1纸浆的白度和聚合度的有利影响。
其中图1表明聚(α-羟基丙烯酸)内酯含量对白度的影响。
图2表明聚(α-羟基丙烯酸)内酯含量对聚合度的影响。
图3表明碳酸钠含量对白度的影响。
                            表1
 实施例  碳酸钠％  聚合物％ 白度°ISO   卡伯值   聚合度
    1     10     1     73.7     7.4     1500
    2     10     0     60.8     8     1100
    3     10     0.1     62.7     7.9     1125
    4     10     0.3     68.4     7.9     1300
    5     10     0.4     71.4     7.8     1460
    6     10     0.5     71.7     7.6     nd
    7     10     0.75     73.4     7.6     nd
    8     10     1.5     73.6     7.6     nd
    9     1.5     1     60.6     nd     nd
    10     2     1     61.5     nd     nd
    11     4     1     69.1     nd     nd
    12     6     1     70.3     nd     nd
    13     8     1     73.2     nd     nd
nd＝未测定
实施例14到19
具有下述特征的硬木牛皮纸浆(HK2)：
白度＝50.1°ISO
卡伯值＝9.7
DP＝1400在蒸煮和用氧脱木素后，用于实施例14到19中。
在用配位剂预处理后，纸浆在表II所列的条件下进行漂白。
用过氧化氢处理结束后纸浆的特性列于表II。
在实施例18中，使用8％的工业的硅酸钠溶液(比重为1.33)代替碳酸盐和聚(α-羟基丙烯酸)。
实施例19不是按照本发明，因为所用压力等于处理温度下水的饱和蒸汽压。
实施例20到26
具有下述特征的软木牛皮纸浆(SK1)：
白度＝34.5°ISO
卡伯值＝12.4
DP＝1100在蒸煮和用氧脱木素后，在碱性介质(最终pH＝9.3)中进行螯合剂处理(a)然后在表III所述的条件下用过氧化氢进行处理。
实施例21不是按照本发明，是在无聚合物的情况下进行的。实施例25和26是使用氢氧化钠和硅酸盐或氢氧化钠和硫酸镁代替碳酸钠和聚内酯而进行的对照试验。
实施例27到41
具有下述特征的来自工业源的硬木牛皮纸浆(HK3)：
白度＝31.9°ISO
卡伯值＝15.2
DP＝1600在蒸煮和用氧脱木素后，在碱性介质中用配位剂进行预处理a)，然后在表IV所列的操作条件下用过氧化氢进行处理。
实施例35和40不是按照本发明的。
                                                            表3
  实施例 稠度％ 温度℃  时间，分  压力，巴   H2O2％   Na2CO3％   聚合物％  白度°ISO   卡伯值     DP
    14     15     150     20     10     2     6    0.5     81.6     6.1     1000
    15     15     130     60     10     2     6    0.5     80.3     6.2     1170
    16     15     140     20     30     2     6    0.5     81.2     6.1     1120
    17     15     130     40     10     3     8    0.5     83.2     6.1     900
    18     15     150     20     10     2     0    B％硅酸盐     77.6     6.6     1300
    19     15     150     20     3.8     2     6    0.5     74.6     6.7     1100
                                                            表II
实施例  稠度％   温度℃  时间，分  压力，巴   H2O2％     Na2CO3％     聚合物％  白度°ISO   卡伯值     DP
    20     15     140     20     10     2   8     0.5     70.3     5.1     960
    21     15     140     20     10     2   8     0     59.1     5.6     910
    22     15     140     20     10     2   8     0.1     66     5     未测定
    23     15     140     20     10     2   8     0.3     70     4.8     960
    24     15     140     20     10     2   8     0.75     70     4.9     960
    2 5     15     150     30     10     2   0.5％氢氧化钠     4％硅酸盐     67     3.4     1040
    26     15     140     20     10     2   3.5％氢氧化钠     0.1％硫酸盐     57.5     53     910
                                                                      表IV
  实施例   稠度％   温度℃   时间，分   压力，巴   H2O2％    Na2CO3％   聚合物％  白度°ISO   卡伯值     DP
    27     15     140     20     10     1     6     1     61.5     8.3 未测定
    28     15     140     20     10     2     6     1     72.8     6.8 1070
    29     15     140     20     10     3     6     1     77.9     6.3 未测定
    30     15     140     20     10     4     6     1     81.3     5.7 未测定
    31     10     140     20     10     2     6     1     70     7.4 未测定
    32     20     140     20     10     2     6     1     72.5     6.9 未测定
    33     15     130     20     10     2     6     1     70.7     6.9 未测定
    34     15     150     20     10     2     6     1     72.4     6.7 未测定
    35     15     140     20     2.6     2     6     1     67     8 未测定
    36     15     140     20     20     2     6     1     73.3     6.7 未测定
    37     15     140     30     10     2     8     1     73.1     6.9 1120
    38     15     140     30     10     2     6     1     73.7     6.8 1110
    39     15     140     30     10     2     4     1     71.6     7.5 未测定
    40     15     140     30     10     2     8     0     61     7.2 未测定
    41     15     140     30     10     2  2％氢氧化钠     1     71.3     7 1300

Claims (27)

1.一种用于化学纸浆的脱木素和漂白的方法，其特征在于，用过渡金属的配位剂或螯合剂预处理后，该方法包括在含式(I)和/或(II)的单元的聚合物存在下，在温度T大于100℃，压力大于在温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍时，并且在有选自氢氧化钾、氢氧化钠和碱金属或碱土金属的碳酸盐中的一化合物A存在下，将纸浆用过氧化氢进行处理的一个或多个步骤： 其中R1和R2可以相同或不同，每一个都代表氢原子或含1到3个碳原子的烷基，M代表氢原子，铵基，碱金属或碱土金属。
2.一种用于化学纸浆的脱木素和漂白而无废液的方法，其特征在于，用过渡金属的配位剂或螯合剂预处理后，该方法包括：(i)在有含式(I)和/或(II)单体的聚合物存在下并在有选自碱金属、或碱土金属碳酸的化合物A存在下，在温度T大于100℃，压力大于温度T下水的饱和蒸汽压的1.5倍时，将纸浆用过氧化氢进行处理的一个或多个步骤：
Figure C9711033800032
式中R1和R2，是相同的或是不同的，每一个都代表氢原子或含1到3个碳原子的烷基，M代表氢原子，铵基，碱金属或碱土金属，(ii)在该处理结束时，用水洗涤纸浆一次或多次，以及(iii)焚烧洗涤水。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，在用过氧化氢处理前，将纸浆进行一次或多次脱木素处理。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，在用过氧化氢处理前，将纸浆进行一次或多次脱木素处理。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于，脱木素剂选自氧气，臭氧和有机或无机过酸。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于，脱木素剂选自氧气，臭氧和有机或无机过酸。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，配位剂是DTPA。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，在预处理期间，该混合物的pH值在8和10之间。
9.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，该化合物A是碳酸钠。
10.根据权利要求7的方法，其特征在于，该化合物A是碳酸钠。
11.根据权利要求8的方法，其特征在于，该化合物A是碳酸钠。
12.根据权利要求9的方法，其特征在于，所使用的碳酸钠的量是纸浆的干物料的1～15％。
13.根据权利要求10的方法，其特征在于，所使用的碳酸钠的量是纸浆的干物料的1～15％。
14.根据权利要求11的方法，其特征在于，所使用的碳酸钠的量是纸浆的干物料的1～15％。
15.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，该聚合物是聚(α-羟基丙烯酸)或其相应的盐或聚内酯。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于，该聚合物是聚(α-羟基丙烯酸)或其相应的盐或聚内酯。
17.根据权利要求15的方法，其特征在于，该聚合物的平均分子量是在2000和100,000之间。
18.根据权利要求16的方法，其特征在于，该聚合物的平均分子量是在2000和100,000之间。
19.根据权利要求15的方法，其特征在于，所使用的该聚合物的量是干态下的纸浆重量的0.1～1％之间。
20.根据权利要求16的方法，其特征在于，所使用的该聚合物的量是干态下的纸浆重量的0.1～1％之间。
21.根据权利要求17的方法，其特征在于，所使用的该聚合物的量是干态下的纸浆重量的0.1～1％之间。
22.根据权利要求18的方法，其特征在于，所使用的该聚合物的量是干态下的纸浆重量的0.1～1％之间。
23.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于，混合物的压力在其温度超过100℃前达到大于在温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍的值。
24.根据权利要求7的方法，其特征在于，混合物的压力在其温度超过100℃前达到大于在温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍的值。
25.根据权利要求8的方法，其特征在于，混合物的压力在其温度超过100℃前达到大于在温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍的值。
26.根据权利要求21的方法，其特征在于，混合物的压力在其温度超过100℃前达到大于在温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍的值。
27.根据权利要求22的方法，其特征在于，混合物的压力在其温度超过100℃前达到大于在温度T时水的饱和蒸汽压的1.5倍的值。
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