過氧化氫強化兩段氧脫木素

張 彬董元鋒劉溫霞

(1.Research&Development Center ofAPP,Indonesia,36126;2.LP3IRD,APP,Indonesia; 3.山東輕工業學院制漿造紙教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

·氧脫木素·

過氧化氫強化兩段氧脫木素

張 彬1董元鋒2劉溫霞3

(1.Research&Development Center ofAPP,Indonesia,36126;2.LP3IRD,APP,Indonesia; 3.山東輕工業學院制漿造紙教育部重點實驗室,山東濟南,250353)

研究表明,在兩段氧脫木素過程加入過氧化氫會提高脫木素效果,且加在氧脫木素的第二段比加在第一段時的脫木素率和選擇性指數(脫木素率與黏度損失率的比值)好;綜合考慮,建議過氧化氫的用量控制在2～3 kg/t;螯合處理對脫木素率與選擇性指數也有影響,建議采用Q-O-OP處理程序,且螯合處理在酸性條件下的效果較好。

氧脫木素;過氧化氫;脫木素率;脫木素選擇性指數

(＊E-mail:zhangbin0521@sina.com)

Abstract:Industrial two-stage oxygen delignification systems can achieve approx imate 45%delignification,but continued reaction causes unacceptable loss in pulp quality and yield.However hydrogen peroxide can be used to reinforce the delignification in dual oxygen delignification systems.Laboratory results show that the application of hydrogen peroxide in the second oxygen delignification stage i.e.O-OP,can improve delignification efficiency,without inter-stage washing.

Key words:oxygen delignification;hydrogen peroxide;delignification efficiency;delignification selectivity index

1867年,美國專利最早提到熱空氣對紙漿具有漂白作用;1958年,尼基金等人首次在堿性條件下用分子氧漂白溶解漿,1968年,首次在J?ssefors漿廠進行氧脫木素的工廠試驗;1970年,第一臺工業化的氧脫木素設備在南非的Kamyr廠安裝;1985年,日本王子制紙公司的Tomakomai漿廠安裝運行了第一臺兩段氧脫木素設備[1]。自從第一臺工業化的氧脫木素設備誕生以來,氧脫木素技術獲得了快速發展。由于氧脫木素與EOP反應條件的相似性,因此過氧化氫可以被用來作為氧脫木素的增強劑以提高氧脫木素效率。氧脫木素被認為是制漿過程中除蒸煮脫木素外成本最低、操作最簡單、效率最高的脫木素方法,氧脫木素可以看作是蒸煮的延續,也可以看作是漂白的開始,能夠有效地把蒸煮與漂白連接起來。

生產與研究表明,常規的工業化單段氧脫木素的脫木素率能達到35%左右,工業化的兩段氧脫木素的脫木素率能達到45%左右,再繼續提高脫木素率將會引起碳水化合物的嚴重降解和質量損失[2]。為此,在保證成漿質量的前提下,造紙工作者研究在氧脫木素過程中采用過氧化氫強化來提高脫木素率和改善脫木素的選擇性指數(脫木素率與黏度損失率的比值)[3]。

1 實 驗

紙漿為APP公司Compact蒸煮系統的相思木硫酸鹽漿,氧脫木素前紙漿的性能指標見表1。

紙漿氧脫木素是在混合反應器(Quantum V)中進行的,pH值的調節采用APP公司漿廠的氧化白液,氧氣取自APP公司氧氣廠,過氧化氫為外購,螯合劑為Buckman公司產品。其中,O表示氧脫木素,OP表示過氧化氫強化的氧脫木素,Q表示螯合處理。

表1 氧脫木素前紙漿的性能指標

白度的測定采用TAPPI T218 sp-02標準,卡伯值的測定采用TAPPI T236 om-99標準,黏度的測定采用SCAN-CM 15:88標準,紙漿中金屬離子的測定使用I CP Spectro Genesis,殘余過氧化氫的測定采用碘量法。

2 結果與討論

2.1 過氧化氫加入點和段間洗滌對氧脫木素程序的影響

兩段氧脫木素系統包括2臺壓力反應器、2臺混合器和1臺段間增壓泵,氧氣、氧化白液、蒸汽等經過第一臺混合器進入一段反應器;然后紙漿懸浮液和氧氣、蒸汽等經過第二臺混合器和增壓泵進入二段反應器。典型的兩段氧脫木素有Metso和Kvaerner兩種系統,兩種系統既有相同點也有不同點,但都根據氧脫木素的反應動力學,第一段反應采用高壓和低溫,第二段反應采用低壓和高溫,但是第一段反應時間Metso系統為20～30 min,Kvaerner系統為5～6 min,第二段反應時間都采用45～60 min。本實驗處理條件見表2。

表2 兩段氧脫木素的反應工藝條件

由于氧脫木素和氧堿抽提(EOP)的條件相似性,過氧化氫可以被用來強化兩段氧脫木素,同時也有觀點認為段間洗滌能改善氧脫木素效果,實驗中對過氧化氫加入點和段間洗滌進行研究,用符號“-”連接表示段間沒有經過洗滌,實驗結果見表3。

表3 H2O2加入點和段間洗滌對氧脫木素程序的影響

表3表明,過氧化氫的加入會提高脫木素效果,但是過氧化氫加在第二段時的脫木素率和選擇性指數比加在第一段時的好;兩段氧脫木素的段間洗滌能夠提高脫木素率,同時白度也有所提高,但是對紙漿的黏度有損傷,脫木素的選擇性指數也有所降低,這可能是因為段間的洗滌去除了第一段氧脫木素中形成的氧化性木素、半纖維素等碎片,增加了過氧化氫對過渡金屬離子的敏感性(H2O2+Mnn+=Mn(n+1)+OH-+ OH·,OH·在堿性條件下對碳水化合物有嚴重的降解作用,導致紙漿的黏度損失)。同時,兩段氧脫木素的段間洗滌還需要洗滌設備方面投資,具體采用哪一種方式要根據具體情況綜合考慮。

2.2 過氧化氫用量對脫木素率的影響

研究過氧化氫用量對氧脫木素程序的影響,過氧化氫用量分別為0、2、4、6、8 kg/t,采用O-O和O-OP脫木素,其他反應條件同表2,結果見表4。

表4 過氧化氫用量對氧脫木素的影響

表4表明,隨著過氧化氫用量的增加,過氧化氫的消耗量有所下降,當過氧化氫用量為8 kg/t時,過氧化氫的消耗量為85.9%;紙漿的脫木素率和白度隨著過氧化氫用量的增加都有增加趨勢,脫木素率和白度最高分別達56.4%和57.4%,但是隨著過氧化氫用量的增加,紙漿的黏度和脫木素選擇性指數有明顯下降,黏度下降到了787 mL/g,此時的選擇性指數也只有3.0。雖然過氧化氫的加入有利于改善兩段氧脫木素的效率,但同時會影響紙漿的黏度,實際加入量要綜合考慮后確定,建議用量在2～3 kg/t。

2.3 過渡金屬離子的螯合處理

很多造紙工作者的研究已經表明,為了獲得最大的脫木素效率,在應用過氧化氫處理紙漿前需要采用螯合劑對其進行處理以調整紙漿中金屬離子的含量,并且認為Q段處理后的紙漿要經過洗滌,但是增加洗滌會增加設備的投資,而且也會失去標準兩段氧脫木素的優勢,實驗研究了Q段的位置、洗滌以及pH值對氧脫木素的影響。

2.3.1 Q段的位置和洗滌對氧脫木素的影響

Q段的不同位置與處理后是否有洗滌對氧脫木素的影響見表5。分析表5數據可以發現,Q段處理后洗滌與不洗滌對金屬離子的去除效果沒有很大的影響,但對脫木素選擇性指數和黏度有較大的影響,與不洗滌相比,Q段后采用洗滌處理會使紙漿黏度降低幅度較大,這可能是因為洗滌去除了降解的纖維素與半纖維素碎片,失去了它們對纖維的保護作用;Q段后洗滌對紙漿的白度有影響,白度提高2個單位。Q段處理時,采取段前處理與段間處理對金屬離子的去除、脫木素效率、黏度、白度以及脫木素選擇性指數都沒有大的影響。因此,建議Q段處理后不采取洗滌處理,即采用Q-O-OP處理。

表5 Q段的位置和洗滌對氧脫木素的影響

2.3.2 Q段pH值對Q-O-OP氧脫木素的影響

Q段后進行O-OP程序的兩段氧脫木素,即Q-OOP。Q段pH值對O-OP程序的影響見表6。由表6可見,雖然Q段的pH值在酸性范圍對Mn、Fe和Cu離子的去除效果較好,同時脫木素的選擇性指數也高,但由于隨后的氧脫木素是在堿性條件下進行的, Q段在低pH值下勢必會增加氧脫木素段的氧化白液或氫氧化鈉的消耗量,造成化學品消耗量增加,因此Q段采用的pH值要根據質量與成本進行綜合權衡。

表6 Q段pH值對氧脫木素的影響

3 結 論

3.1 過氧化氫可以用來改善段間沒有洗滌設備的標準兩段氧脫木素,使標準兩段氧脫木素發揮最大的脫木素效率。

3.2 兩段氧脫木素過程中加入過氧化氫會提高脫木素效果,但是過氧化氫的加入點對脫木素效率和選擇性指數有影響,加在第二段時比加在第一段時的脫木素效率和選擇性指數好。

3.3 兩段氧脫木素中過氧化氫的加入量對脫木素效率有影響,但是綜合考慮建議過氧化氫的用量控制在2～3 kg/t。

3.4 過氧化氫強化兩段氧脫木素系統中的螯合處理對脫木素效率與選擇性指數有影響,同時螯合劑的加入點與反應條件對其有影響,建議采用Q-O-OP處理程序。

[1] Kondo S.Two-stage MC oxygen delignification and operating experiences[J].Japan Tappi,1992,46(1):32.

[2] Pikka O,Vilpponen A,Vehmaa J.The Two-stage Delignification Process and Recent Experiences[C]//International Pulp Bleaching Conference.Atlanta:TAPPI PRESS,1996.

[3] DevenynsJohan,Desprez Francios.Enhanced two-stage oxygen delignification[C]//5thInternational Conference on New Available Techniques.Stockholm:STFI,1996.

(責任編輯:郭彩云)

Enhanced DualO2Delign ification with H2O2Reinforcement

ZHANGBin1,＊DONG Yuan-feng2L IU Wen-xia3
(1.Research&Developm ent Center,APP,Indonesia,36126;2.LP3I RD,APP,Indonesia; 3.Key Lab of Pulp and Paper Engineering ofM inistry of Education,Shandong Institute of Light Industry, Ji'nan,Shandong Province,250353)

張 彬先生,工程師;主要研究方向:新產品和新原料、新技術、新化學品在制漿造紙中的應用與推廣。

TS745

A

0254-508X(2010)05-0014-03

2009-11-29(修改稿)