棉秆制浆漂白新工艺及其机理的研究

论文摘要

棉秆是我国北方地区丰富的农业废弃物。棉秆在制浆造纸工业上的应用一直徘徊不前。本论文详细论述了制浆造纸工业的发展和目前状况。针对我国现有非木材原料的使用情况，提出对棉秆纤维原料进行合理利用的思路。 论文以山东夏津所产棉秆作为研究对象，以棉秆木素结构的研究作为基础。对棉秆的主要化学成分进行了分析检测，并运用紫外光谱、红外光谱、13C-NMR等分析手段对棉秆全秆和秆芯MWL木素结构单元进行了分析。研究结果显示，棉秆木素结构属于GSH型。棉秆皮中存在较多的侧链共轭C=0基结构，此类结构造成棉秆发色基团较多，成浆颜色深等制浆问题。 在以上研究的基础上，进一步对棉秆蒸煮脱木素反应动力学进行了研究。研究过程采用了新的实验和计算方法，即采用与实际蒸煮反应相近的液比，用较短时间周期的药液浓度变化值和木素含量变化值作为计算蒸煮脱木素反应的活化能的基本数据。在相对较短的时间间隔内，用该区间内的平均药液浓度和平均木素含量作为计算依据，根据阿伦尼乌斯理论得出棉秆硫酸盐法蒸煮脱木素反应活化能是76.94KJ／mol，烧碱-蒽醌法蒸煮脱木素反应活化能为89.42KJ／mol。烧碱-蒽醌蒸煮脱木素反应的活化能高于硫酸盐法蒸煮脱木素反应活化能，说明棉秆硫酸盐法蒸煮脱木素反应比烧碱-蒽醌法容易。 通过检测木素含量和碳水化合物含量变化规律研究了棉秆蒸煮脱木素反应历程。结果表明，棉秆烧碱—蒽醌法和硫酸盐法蒸煮具有相似的脱木素反应历程，大致分为3个阶段：（1） 初始脱木素阶段，从升温开始到140℃，脱木素率为45％：（2） 大量脱木素阶段，从140℃升温到160℃且保温30min，脱木素率达90％左右；（3） 补充脱木素阶段，在160℃从保温30min至蒸煮终点。无论烧碱-蒽醌法还是硫酸盐法，棉秆蒸煮保温时间是必需的，后期脱木素主要在保温期间进行，这不同于一般草类原料（如稻草、麦草）。根据蒸煮过程纸浆得率和筛渣量变化规律，得出了棉秆蒸煮纤维分离点。棉秆硫酸盐法蒸煮纤维分离点为160℃保温30min，此时的筛渣率为1.2％，卡伯值降为30.16，粗浆得率为52.68％。棉秆烧碱-蒽醌法蒸煮纤维分离点为160℃保温60min，此时的筛渣率为1.1％，卡伯值为25.31，粗浆得率为43.72％，达到此纤维分离点比硫酸盐法蒸煮需要更长的保温时间。 对棉秆两种常规蒸煮方法蒸煮工艺条件进行了优化。分别对硫酸盐法的用碱量、硫化度和蒸煮保温时间进行正交实验，对烧碱-蒽醌法的用碱量、AQ用量和蒸煮保温时间进行正交实验。从棉秆两种常规蒸煮方法的工艺条件优化结果可以看出，采用常规蒸煮方法进行棉秆制浆，纸浆得率均低于40％，未漂浆白度不超过20％ISO，卡伯值达到20左右。必须探索新的工艺技术来改善棉秆制浆质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 造纸技术的发展历史
• 1.1.2 制浆造纸工业概况
• 1.1.3 我国非木材制浆造纸的发展简介
• 1.2 棉秆资源状况及其在制浆造纸工业中应用现状
• 1.3 制浆理论及技术的发展
• 1.3.1 硫酸盐法蒸煮
• 1.3.2 烧碱-蒽醌法蒸煮
• 1.3.3 现代漂白理论与技术的发展
• 1.4 仪器分析在木素研究中的应用
• 1.4.1 紫外-可见光光谱的应用
• 1.4.2 红外光谱的应用
• 1.4.3 核磁共振波谱应用
• 1.5 论文的研究意义目的和内容
• 1.5.1 研究意义和目的
• 1.5.2 论文研究内容
• 第二章 棉秆化学成分及木素结构分析
• 2.1 棉秆化学成分分析
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 分析方法
• 2.1.3 分析结果
• 2.2 棉秆木素结构分析
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 原料木素分离提纯
• 2.2.3 紫外光谱检测及分析
• 2.2.4 红外光谱检测及分析
• 13C-NMR核磁共振检测及分析'>2.2.5¹³C-NMR核磁共振检测及分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 棉秆常规蒸煮工艺优化及其碱木素分析
• 3.1 棉秆常规蒸煮方法工艺条件的优化
• 3.1.1 原料
• 3.1.2 蒸煮方法
• 3.1.3 正交实验条件
• 3.1.4 分析检测
• 3.1.5 正交实验结果分析
• 3.2 棉秆蒸煮黑液碱木素及纸浆残余木素分析
• 3.2.1 黑液碱木素分离提纯
• 3.2.2 纸浆残余木素分离提纯
• 3.2.3 棉秆黑液碱木素及纸浆残余木素分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 棉秆蒸煮脱木素反应动力学研究
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 原料
• 4.1.2 实验方法
• 4.1.3 蒸煮工艺
• 4.1.4 分析检测
• 4.2 结果及讨论
• 4.2.1 脱木素反应速率常数的计算
• 4.2.2 蒸煮反应速率随温度变化的规律
• 4.2.3 棉秆蒸煮脱木素反应活化能的计算
• 4.3 与麦草蒸煮脱木素反应活化能的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 棉秆蒸煮脱木素反应历程及纤维分离点的研究
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 原料
• 5.1.2 蒸煮方法
• 5.1.3 蒸煮工艺
• 5.1.4 分析检测
• 5.2 结果及讨论
• 5.2.1 木素脱除率变化
• 5.2.2 纸浆得率变化
• 5.2.3 碳水化合物降解率变化
• 5.2.4 纸浆筛渣率变化规律及纤维分离点确定
• 5.3 本章小结
• 第六章 棉秆蒸煮预处理技术及蒸煮助剂的研究
• 6.1 棉秆蒸煮预处理技术研究
• 6.1.1 预处理方法
• 6.1.2 检测项目
• 6.1.3 紫外光谱分析
• 6.1.4 红外光谱分析
• 6.1.5 实验方案
• 6.1.6 结果与讨论
• 6.2 蒸煮助剂研究
• 6.2.1 蒸煮工艺
• 6.2.2 黑液碱木素提纯
• 6.2.3 黑液碱木素改性
• 6.2.4 结果与讨论
• 6.3 本章小结
• 第七章 棉秆浆漂白工艺的研究
• 7.1 纸浆漂白现状
• 7.2 棉秆浆常规漂白
• 7.2.1 实验方法
• 7.2.2 实验原料
• 7.2.3 H单段漂白和H—H两段漂白
• 7.2.4 CEH三段漂
• 7.2.4 CED三段漂
• 7.2.5 CEP三段漂
• 7.2.6 棉秆不同部位纸浆的CEH漂白
• 7.3 棉秆浆ECF漂白
• 7.3.1 常规蒸煮棉秆浆的DQP漂白
• 7.3.2 常规蒸煮棉秆浆的ODQP漂白
• 7.3.3 预处理和添加助剂蒸煮得到的纸浆ODQP漂
• 7.4 棉秆浆TCF漂白
• 7.4.1 两种棉秆浆的OQP漂白
• 7.4.2 两种棉秆浆的OQP漂白结果
• 7.5 本章小结
• 第八章 棉秆浆打浆及配抄性能的研究
• 8.1 棉秆浆打浆性能的研究
• 8.1.1 原料及制浆方法
• 8.1.2 PFI磨打浆及纤维长度分析
• 8.1.3 光学显微镜观察
• 8.1.4 扫描电镜观察
• 8.1.5 保水值测定
• 8.1.6 结果与讨论
• 8.2 棉秆浆配抄性能的研究
• 8.2.1 棉秆浆配抄防水铜版原纸的实验
• 8.2.2 棉秆浆配抄低定量涂布原纸的实验
• 8.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文
• 致谢