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化学浆过氧化氢漂白技术进展

2021-12-06 来源:小奈知识网
工艺与技术 9 化学浆过氧化氢漂白技木进展 马永生,安显慧z钱学仁。 1 黑龙江省造纸总公司 黑龙江哈尔滨(150001) 2东北林业大学材料科学与工程学院黑龙江哈尔滨摘(150040) 要:本文概述了化学浆过氧化氢漂白的技术进展。包括新型漂白稳定剂的应用、活化(催化)过 氧化氢漂白(脱木素)、改变工艺条件的过氧化氢漂白等。 关键词:化学浆;过氧化氢漂白;活化剂;稳定剂;过程强化 1纸浆H2O 漂白的新型稳定剂 4%以后增加趋缓。添加沸石的漂白效果比添加蛋白 石的漂白效果好,纸浆白度平均约高2%IS0。 1.1层硅(层状结晶二硅酸钠) 层状结晶二硅酸钠(以下简称层硅)是一种具有 特殊聚合和结晶结构的硅酸盐,是一种新型的、多功 柠檬酸钠与沸石或蛋白石共用漂白时纸浆白度 均比空白实验的高,添加l%蛋白石和不同量柠檬酸 钠漂白时的纸浆白度比添加1%沸石和不同量柠檬酸 钠漂白时的高,说明柠檬酸钠与蛋白石共用比柠檬酸 钠与沸石共用效果好,这可能是沸石和蛋白石的孔隙 效应所致。沸石和蛋白石虽均为多孔物质,但二者在 孔隙结构上有区别,沸石的孔半径为3 X i0一o ̄10 X lO 0n1,属微孔物质,而蛋白石的孑L半径为5 X 10-9 ̄20 X 10-gm,比沸石大一个数量级,属中孔物质。 当它们与柠檬酸钠共用时,孔隙结构将起主导作用, 中孑L结构可能更有利于柠檬酸钠在纤维细胞与蛋白 石孔隙之间穿梭扩散。 1.3改性蛋白石 能的、环境友好的洗衣粉助洗剂。钱学仁等曾对层硅 替代Na2SiO 作为纸浆H2o:漂白稳定剂的应用效果 进行了研究【l】。添加NazSiO,和层硅都能使麦草浆的白 度有明显提高,但添加层硅比添加Na2SiO 的漂白效 果更好,在相同条件下可增加麦草浆的白度1.5%一 2%IS0。 1.2柠檬酸钠、沸石、蛋白石以及柠檬酸钠与沸石或蛋 白石共用 钱学仁等曾考察麦草Soda—AQ浆H:O 漂白过程 中采用柠檬酸钠、沸石、蛋白石以及柠檬酸钠与沸石 或蛋白石共用作为保护剂替代传统稳定剂和螯合剂 的可能性12]。研究表明,不加稳定剂漂白纸浆的白度只 柠檬酸钠与蛋白石共用在降低H20 消耗和提高 漂白效率方面具有明显效果,但发现单独使用蛋白石 作为纸浆H 0 漂白稳定剂的效果不及Na 0 等传 有48.1%ISO,而添加1%柠檬酸钠在同样条件下漂白 纸浆白度为5O.7%IS0,而且随着柠檬酸钠用量的增 加纸浆白度有增加的趋势,当柠檬酸钠用量为5%时, 纸浆白度可达55.1%,比空白实验增加7%ISO,说明 柠檬酸钠具有明显的提高纸浆白度和控制金属离子 的作用。 沸石和蛋白石均为水不溶性物质,容易从水中沉 统稳定剂12]。究其原因,是由于蛋白石对金属离子的螯 合能力不够。因此有必要对蛋白石进行适当的改性处 理,以增强它对纸浆H20:漂白的稳定能力。 钱学仁等开发了蛋白石的改性方法和工艺,并将 其作为稳定剂成功地应用于纸浆H2o:漂白15]。研究发 现,硅酸钠、蛋白石和改性蛋白石3种稳定剂对麦草 浆H 0:漂白的稳定效果有所不同,改性蛋白石的稳 定效果最好,蛋白石的稳定效果最差。在相同用量下, 改性蛋白石比硅酸钠作稳定剂时白度提高3%IS0以 淀下来。因此,当纸厂采用白水封闭循环时,估计不会 像硅酸钠那样造成严重的硅积累问题。添加沸石时, 随着沸石用量的增加,纸浆白度增加,但当用量超过 3%以后,白度增加趋缓。添加蛋白石,用量1%时纸浆 白度下降,用量2%时纸浆白度恢复到空白水平,之后 随着蛋白石用量增加纸浆白度增加,但当用量超过 上,而比蛋白石作稳定剂时白度提高4%IS0以上。蛋 白石作为稳定剂时麦草浆H2o:漂白结果与以前的研 作者简介:马永生,男。(1970-),工程师、总经理,主要从事技术服务和行业管理等工作。 1O 工艺与技术 2010年第1期 究十分吻合。 1.4亚甲基膦酸 木素具有选择性,避免产生tfO・游离基作为主要氧化 剂造成对碳水化合物的降解;(2)在使用条件下有足 够的稳定性并可溶解;(3)能在较低温度下发挥作用 并适用于一定的温度范围;(4)分子尺寸足够小,以利 亚甲基膦酸犁螯合剂具有优良的化学稳定性,在 强酸强碱介质中不易分解,热稳定性好,它的毒性很 小,无致癌致畸作用,低剂量使用对人畜和水生动物 无害、无污染。亚甲基膦酸型螯合剂是目前应用较为 普遍的一类阻垢缓蚀剂,它对钙、镁、锌和铁等许多金 属离子具有优良的螯合能力。 于进人浆料纤维组织和接近木素;(5)易于制备,且成 本具有竞争优势I91。 研究表明,一类铁的配合物可达到上述要求。这 类活化剂属于Fe(m)的四酰胺大环配位体( rAM )。 采用这类活化剂的H O 漂白过程被标记为 。对针 叶木硫酸盐浆的 漂白试验结果显示,在从室温至 90℃的温度范围内,加入微量的这类活化剂即可明显 提高H 0:的脱木索能力,加快漂白进程并增加漂浆 白度。研究中发现,活化剂与H:O 的加入方式对 漂白的脱木素效果产生影响。但无论采取何种活化剂 加入方式,P 的脱木素效果都优于未加活化剂的常 规H O:漂白(P漂)。 亚甲基膦酸型螯合剂具有与氨基羧酸型螯合剂 相似的结构,如乙二胺四亚甲基膦酸(EDTMPA)对应 乙二胺四乙酸(EDTA),二亚乙基三胺五亚甲基膦酸 (DTPMPA)对应二乙烯三胺五乙酸(DTPA)。钱学仁等 对两种亚甲基膦酸型螯合剂一乙二胺四亚甲基膦酸 (EDTMPA)和二亚乙基三胺五亚甲基膦酸(DTPMPA) 用作纸浆H2o 漂白的新型螯合剂的可能性进行了研 究嗣。采用亚甲基膦酸型螯合剂EDTMPA和DTPMPA 比传统的氨基羧酸型螯合剂EDTA和DTPA进行麦 草浆H:O:漂白的效果要好。从漂白效果和经济效益 两方面考虑,螯合剂用量以0.4% 0.6%为佳。 2活化(催化)H2O 漂白(脱木素) 2.1四乙酰乙二胺活化H202漂白 2.3双核锰配合物催化H20 脱木素 双核锰配合物具有抑制H:O:无效分解的作用, 它能在低温下氧化硫酸盐浆中的残余木素。该系统与 漆酶调节系统极为类似,它可增加浆的白度,在低温 下获得相对高的脱木素率,且对碳水化合物无严重破 采用各种活化剂对H 0 漂段进行活化以提高 H O:漂段的漂白效率,是一种简单而有效的方法。漂 白活化剂实际上是酰基结合了某些离子基团的酰化 剂,如四乙酰乙二胺(TAED)、壬酰氧基苯磺酸钠 (SNOBS)、四乙酰甘脲(TAGU)及五乙酰葡萄糖 坏【 ”】。催化脱木素浆比非催化脱木素浆的卡伯值低, 催化脱木素浆的粘度差别不大,并且在有催化剂存在 的情况下,H O 对残余木素的作用能力比对碳水化合 物的作用能力强。 2.4氨基氰和双氰胺活化H202漂白 (PAG)等,它们通过水解反应,使过羟基离子酰基化 产生过酸和过酰基阴离子起作用。 钱学仁等曾对麦草Soda—AQ浆H O 漂白时四乙 酰乙-]J ̄(TAED)的活化效果和影响因素进行了研究, 找出了较佳的TAED活化过氧化氢漂白工艺条件,以 期为该技术的工业化应用提供一定的科学依据 。结 果表明,TAED对H20 漂白有显著的活化作用,随着 TAED与H O 摩尔比的增加,漂浆的白度提高,但当 TAED与H:O:摩尔比大于0.5时,白度出现停滞,太 高时甚至降低,说明当TAED与H2O:摩尔比为0:5 时,TAED的漂白活化效果最佳。理论上,在碱性条件 下,lmoLTAED与2moL过羟基阴离子(过氧化氢)反 应生成2moL过氧乙酸。上述实验结果与此相吻合。 2.2 TAMLTH活化H2O2漂白 采用H O 进行脱木素和漂白时,增强其对浆中 残留木素化学反应的方法之一是:利用活化剂转变 H O:成为氧化能力更强的过氧化物种,如转化为过醋 酸或过氧单硫酸等,反应时,它们能够提供超过H2o: 本身更强的氧化脱木素和漂白的能力。采用氨基氰 (H NCN)和双氰胺((H2N):CNCN)作为活化剂,其增强 漂白能力的机理是:H 0:与氨基氰的瞬间反应生成的 过氧羧基亚胺酸具有比H 0 更强的氧化反应能力 。 研究表明,在0.5%的活化剂用量下,两种活化剂 均能明显地增加漂浆的白度,获得3%~5%ISO的白 度增值。活化剂用量超过0.5%之后,双氰胺的活化作 用继续增加漂浆白度。用量1.5%时,白度增值最高达 8%ISO。而当氨基氰用量超过0.5%时,对漂浆白度的 增加则出现负面的影响,可见活化剂双氰胺具有较广 泛的适应性。 2.5钒过氧配合物活化Hz0 漂白 某些金属配合物对H O 漂白的活化效果引起了 关注。金属配合物应能满足以下基本要求:(1)活化 H:0。在漂白条件下的氧化能力,并使其氧化能力对脱 已知过氧金属配合物是比H O:更有效的氧化 剂,这些配合物能氧化底物(如烯烃、醇、酮、芳香族和 翻固固岛 工艺与技术 脂肪族碳氧化合物)。Suchy等考察了钒过氧配合物 一优势I】6l。但该一I一艺过程有两点弊端:其一是在有效的 脱木素条件下温度偏高,而杂多酸盐在pH值4~5时 才比较稳定,致使纤维素在高温酸性条件下水解较剧 f[NI{41fV(()一0),(phen)l[H O】}(三过氧邻二氮杂菲钒 酸铵,缩写为ATPV)作为氧脱木素硫酸盐浆H:0 漂 白活化剂的效果Il31。 ATPV是一种容易一步法制备的水溶性的、稳定 的黄色固体,其最显著的特征之一是:它在室温下转 移氧至芳香族碳氢化合物的能力。研究表明,活化剂 用量从0%增加到0.5%,白度显著增加。更高的活化 剂用量仅导致少量的白度增加。这些结果也与纸浆脱 木素(即卡伯值降低)的结果一致。 2.6含二亚胺基的杂环芳香化合物活化Hg3,漂白 氧和过氧化物脱除残余木素的作用可通过使用 含Ot,仅。一二亚胺基的杂环芳香化合物的活化剂或催化 剂(如1,l0一菲罗啉、2,2’一双吡啶和琥珀酰亚胺)而增 强。Obrocea等考察了多吡啶和琥珀酰亚胺对单独用 过氧化物(P)或与氧相结合(OP)进行针叶木硫 酸盐浆脱木素的催化活化作用。结果表明,当活化 剂用量为0.05%时卡伯值降低得最多,较高的用量 未显示更高的脱木素效率,这说明所研究的活化剂 充当了催化剂。 当使用活化剂时,过氧化氢的活化是通过自由基 机理实现的,脱木素的加强也同时加速了聚糖的破 坏。在所研究的3种活化剂中,菲罗啉不仅对脱木素 而且对聚糖降解均具有最高的催化作用。在活化剂存 在下,H 0 漂白浆的强度性质比对照实验的要差一 些,但差别不是很大。 2.7钼酸盐催化H202漂白 在碱性条件下,H2o:可以通过电离出的HO0一离 子与木素反应。在酸性介质中,H 0 也可以有效地降 解木素。但在酸性条件下,H 0 只能将酚型结构氧化 成邻位或对位醌型结构,而不能将其进一步氧化。但 通过在漂白体系中添加钼酸盐,可以有效地催化这一 反应【 。 赵建等的研究结果表明,在H:0:用量一定的条 件下,添加钼酸盐能有效地提高桉木硫酸盐氧漂浆酸 性H20 漂段的脱木素效率,降低纸浆的卡伯值,同时 可提高漂后纸浆的白度,但纸浆的粘度略有降低【l4】。 张爱萍等的研究结果表明,在酸性条件下采用 Na2Mo0 催化H:0:脱木素能够有效降低麦草浆的卡 伯值,降低率达47.6%,并使纸浆白度提高6.4%IS0, 同时有助于改善纸浆的强度【151。 2.8杂多酸盐催化H2O 脱木素 有些杂多酸盐脱木素的选择性高,而且兼有催化 有机废物湿氧化的双重功能,具有明显的环境和经济 烈,纸浆的强度性能降低较严重;其二是杂多酸盐用 量大。现有研究结果表明,杂多酸盐氧化酚型木素模 型物,而且氧化lotol木素模型物约需2mol杂多酸 盐。由于杂多酸盐的分子质量(摩尔质量)通常很大, 因而相对以木素的质量分数表示的杂多酸盐用量就 特别高。尽管杂多酸盐可在后面单独的再生段回收, 但对纸浆杂多酸盐脱木素来说仍是一个弊端。减少杂 多酸盐用量的途径之一就是杂多酸盐用作催化剂,即 杂多酸盐的还原一氧化循环在氧化剂如氧、过氧化氢 等的存在下原位发生Il61。  .钱学仁等考察了4种钼钒磷杂多酸盐(2种Ke mn型,2种Dawson型)催化H2o 脱木素的效果,并对 其中一种Keggin型杂多酸盐Na 【PM0,。V O40】催化 H2O:脱木素的温度效应进行了研究【闭。结果表明,随 着反应温度的升高,纸浆的卡伯值逐渐降低,在60。I= 左右卡伯值降低率出现最高值。温度对碳水化合物 的降解有强烈的影响,随着反应温度的升高,纸浆 的粘度降低率增加。在该反应中,体系的pH值为5 左右,温度越高,酸性水解就越剧烈。此外,H 0 和杂多酸盐均为强氧化剂,升高温度会加剧碳水化 合物的氧化降解。 3改变工艺条件的H20。漂白 3.1高浓H202漂白 随着高浓工艺与设备的发展和完善,由高浓 (30%~35%)漂白取代传统中浓(10%~15%)漂白已 成为一种趋势。H2o:高浓漂白比中浓漂白消耗的药品 少,耗费的蒸汽及电能少,生产成本低,而且产生的 COD量少,减轻了中段废水治理的负荷 。在H:0 高 浓漂白中,浆料与漂白剂的均匀混合是最重要的因 素,必须依靠高浓混合器来完成。 3.2压力、高温H 漂白 H 0:脱木素或漂白通常限于8O℃以下,因为一 般认为在较高的温度下H:0:更易分解而导致化学药 品效率和纸浆强度的降低。但是,H2o:是一种弱氧化 剂,为了实现全无氯(TCF)漂白和达到高白度,必须强 化H2o:漂白段,即采用更高的温度(≥100 ̄C)和在压 力(0.2~0.6MPa)下进行漂白,以增强脱木素和漂白 作用。这种漂白方法被称为压力高温H 0 漂白法,记 为PH 吲。关于PHT漂白法,近年来国内外进行了较 多的研究报道。 12 工艺与技术 2010年第1期 提高H:0:漂白温度至IOOT ̄以上,能大大加快脱 【8钱学仁,于钢,安显慧,等.漂白对纸浆颜色的影响UI8】_中国造纸, 2001.20(3):1—3. 木素和漂白反应速率。在PHT漂白中,采用调节压力 的方法来控制羟基自由基(HO・)和过氧阴离子自由 }91张曾,黄干强,李兵云,等.过氧化氯漂白的活化荆Ⅱ】纸和造纸.2001 (3):49-50. f1O}石岩,谢来苏双核锰络合物催化的过氧化氢漂白【『i_造纸科学与技 术.2001,20(1):22—24. 【1 1]Cui Y,Puthson P,Chen C—L,et a1.Kinetic study 0n deligniifcation of kraft—AQ pine pulp with hydrogen peroxide ca ̄yzed by Mn(I、,) Me4DTNE[J].Holzforschung,2000,54(4):413—418. 11 2]Chen J.Enhanced alkaline peroxide bleaching of softwood kraft pulps using a new activator U】.Journal of Pulp and Paper Science,2001,27(1 2】: ~基形成的速率以协调自由基形成的速率和H0・与木 素反应的速率之间达到平衡,以减少H,0 的无谓消 耗。羟基自由基是水溶液中最强的单电子氧化剂,其 标准氧化电势为2.32V,是反应体系中一个十分重要 的活性基团。H0・的半衰期非常短,所以H0・与木素 反应往往发生在产生HO・部位的附近。由于压力的提 高,加速了H 0 分子向纸浆中纤维的渗透(传递),此 429-432. 【1 3]Suchy M and Argyropoulos D S.Activation of alkaline peroxide delig— nification using a vanadium peroxide complexlJ].Tappi Journal,2000,83(6): 1—9. 时,H:0:的分解大部分发生在纤维里而不是在溶液 中。显然,在自由基产生的位置附近的木素就有可能 增加发生反应的机会而导致木素的大量降解,纸浆白 度大幅度提高。 参考文献 {1】钱学仁,安显慧,刘文波,等.层硅用作纸浆H。o 漂白稳定荆的研究 『71.中国造纸,2003,22(6):】2-15. 【21钱学仁,-t- ̄ ̄,柳宏奇,等.提高纸浆H o:漂白效率的新途径U1.中国 造纸学报,2002,17(1):36-39. 【3】钱学仁,于钢.沸石在制浆造纸工业中的潜在应用O】.国际造纸, 1999,18(5):39—42. 【141赵建,石淑兰,胡惠仁,等-钼酸盐对桉木KP浆H 2漂白的改善效 果Ⅱ】.中国造纸,2001,20(1):18-21. (15J张爱萍,秦梦华,付英娟,等.钼酸钠催化的麦草浆酸性H2o:脱木素 0】_中国造纸,2005,24(11):1-4. I16】钱学仁,于钢,詹怀宇.多金属氧酸盐在纸浆漂白工程中的应用U】.国 际造纸.2000.190):53-56. 【17】钱学仁,于钢,安显慧,等.杂多酸盐对H2o:脱木质素的催化效应 U1.林产化学与工业,2003,23(1):51-54. f1 81窦正远.过氧化氢高浓漂白盯】.纸和造纸,1995(2):1o. 【19]Roy B P,Lierop B Van,Audet A。et 1a.High temperature alkaline per— oxide bleaching of kraft pulps[C].TAPPI Pulping Conference,1995,Book 2,771—778. Technical progress on peroxide bleaching of hemicalc pulp 【4]Saln M M and Daneault C.Improved peroxide bleaching of deinked ONP with zeolite based replacement chemicals[J].AppitaJournal,1997,50 (1):61~67. Ma Yongsheng ,An Xianhui .Qian Xueren (1.Heilongjiang Provincila Pulp&Paper ChiefCompany,Harbin, Heilongjiang Province,1 50001;2.Materia/Science and Engineering College,Northeast Forestry University,Harbin,Heilong ̄iang Province, 150040) Abstract:In this paper,the technical progress on peroxide bleaching of chemical pulp、Ⅳas reviewed.including the application of novel bleaching stabilizers,activated/catalyzed peroxide bleaching/delignification,and peroxide bleaching in varied technological conditions etc. 【5】钱学仁,安显慧,刘文波,等.改性蛋白石用作纸浆H:o:漂白稳定剂 的研究Ⅱ1.林产化学与工业.2003,23(4):75-78. [6l钱学仁,安显慧,刘文波,等.亚甲基膦酸用作纸浆H 漂白螯合荆 的研究卟中国造纸,2003,22(5):8-11. 【7】钱学仁,于钢,安显慧,等.四乙酰乙二胺对麦草浆H o 漂白的活化 作用叽中国造纸,2001,20(2):6-9. Key words:chenfical pulp;peroxide bleaching;activator;smb ̄izer;process reinforcement 收稿日期:2009-11-29 (上接第8页) 样的毛毯脱水性能好,使用寿命长,生 产出的纸板表面毯痕轻。选用干网代替棉质帆布,不 但提高干燥效率、节约蒸汽,还可减少在干燥过程中 产生的纸病。 2.8控制合理的干燥曲线 管理,建立质量保证体系,才能保证箱板纸质量的稳 定和提高。现将某厂牛皮箱板纸生产工艺流程例举如 图l,以说明箱板纸的生产流程。 以上只是抄造好的牛皮箱板纸应注意的几个方 面。事实上,它的抄造是非常复杂的,注意的东西也很 牛皮箱板纸的厚度大,横向收缩也较严重。因此, 必须控制合理的干燥曲线,使来自压榨部含有57% 水分的湿板纸与表面温度不超过9O一950C的烘缸接 多,这需要在实践中不断摸索、总结。 参考文献 f1]George L,Booth.Coating Equipment and Processes.A/lie.1970. 触,此时板纸机内部水分能通过扩散作用转移到板纸 表面而得到蒸发。然后可逐步提高干燥温度,直至 120oC~125 ̄C。如果湿板纸进入干燥部得到骤然加热, 【21郑炽.加工纸工艺学.华南理工大学.1995 【31董明达,王城.纸张油墨的印刷适性.印刷工业出版社 Studyoilprocesscontrol ofboxboard Lj Quanpeng Zhao Chuanshan (Key Lab ofPaper Science and Technology ofMinistry ofEducation, 则往往由于内部水分很快转化为水蒸汽,又来不及从 板纸表面移出,从而造成板纸起泡等。 2.9严格控制工艺条件 牛皮箱板纸生产是一个连续化、多机台配合、多 因素的生产过程。在生产过程中制定科学严密的工艺 条件,统一操作,加强对各环节的检查,开展全面质量 Shandong Institute ofLight Industry,3i’nail,Shangdong Province,250353) Abstract:The COlTlnlon paper flaws and solutions of boxbo ̄d were men— ifnned.This paper lso taold us how to produce boxboard with high quality from aspect ofproduction process. Key words:boxboard;paper flaws;quality;proce ̄control 收稿日期:2009—09—28 

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