造纸废渣中木质素的接枝改性

奚 强,汪 翔,刘 裴,包新中,卢洪宇

(1.武汉工程大学化工与制药学院，湖北 武汉 430074；2.武汉格瑞林建材科技股份有限公司，湖北 武汉430070)

0 引 言

制浆造纸废液废渣中含有大量的木质素，如不加以回收利用，不仅浪费资源，而且造成严重的环境污染危害[1].国内对造纸废液的污染治理技术研究得较多，对造纸废渣大部分只采取简单的堆放、填埋或焚烧[2].因此，如何利用造纸废渣中大量的木质素资源生产高附加值产品，实现资源的循环利用具有非常重要的意义.

木质素的基本结构单元为苯丙烷基，具有较好的表面活性和分散性[3]，但若直接作为减水剂使用，因减水率低、分散性不足而不能达到减水剂的国家标准. 因此，按照减水剂的作用机理，以湖北省某造纸厂的造纸废渣为研究对象，对提取的木质素进行接枝改性[4]，增加侧链以及极性基团的数量，使其具有更好的位阻作用和静电作用，从而改善木质素的性能.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

NJ-160水泥净浆搅拌机,无锡市锡鼎建工仪器厂生产.

所用试剂均为分析纯，由上海化学试剂有限公司生产；湖北省某造纸厂造纸废渣；市售华新水泥；SP010聚羧酸高性能减水剂,武汉格瑞林建材科技股份有限公司生产.

1.2 实验方法

1.2.1 木质素的提取 按文献[5]进行.

1.2.2 木质素与丙烯酰胺接枝共聚反应 按一定比例将木质素、蒸馏水和适量1.0 mol/L NaOH溶液加入三口瓶中，搅拌使木质素溶解，然后加入定量配比的丙烯酰胺单体，在氮气保护下搅拌使木质素与单体匀化，之后加入一定量的过硫酸钾，继续在氮气保护下进行搅拌反应，反应结束后测定固含量，按照固含量计算减水剂掺量，进行混凝土性能测试.

1.2.3 性能测试 净浆流动度测试按GB 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》对产品进行净浆流动度测试；

混凝土性能试验按GB 8076-2008《混凝土外加剂》标准对产品进行混凝土性能测试.

2 结果与讨论

以木质素与水的质量比为1∶30、单体浓度为1.5 mol·L-1、过硫酸钾引发剂用量为2.0×10-2mol·L-1、反应温度为70 ℃、反应时间3 h为条件，研究丙烯酰胺与木质素接枝反应中各因素对净浆流动度的影响.净浆流动度测试条件为：掺量为0.4%(折固)、水灰比为29%、华新水泥.

2.1 影响净浆流动度的因素

2.1.1 单体浓度对净浆流动度的影响 单体浓度对净浆流动度的影响结果如图1所示.单体浓度在0.5至1.5 mol·L-1范围内，木质素接枝产物净浆流动度呈上升趋势，其后继续增加单体用量，净浆流动度呈现下降趋势.这是因为在一定范围内，单体浓度逐步增大时，增加了反应过程中木质素自由基与丙烯酰胺碰撞机会，生成具有较长支链的木质素接枝产品，增加了水泥颗粒之间的空间位阻作用，进而增大了净浆流动度;当单体浓度继续增大到一定值以后，由于单体均聚，生成的聚丙烯酰胺起到了增稠作用导致净浆流动度减小.研究结果表明，单体用量以1.5 mol·L-1为宜.

图1 单体浓度对净浆流动度的影响

2.1.2 引发剂用量对净浆流动度的影响 图2表明，当引发剂浓度小于1.5 ×10-2mol·L-1时，净浆流动度增幅不大，而后随引发剂浓度增加，净浆流动度大幅增加，当引发剂浓度增至2.0×10-2mol·L-1后，净浆流动度趋于平稳.这是因为，引发剂浓度增加会产生更多的自由基，木质素较容易与丙烯酰胺发生接枝反应，但是当引发剂增至一定浓度后，可能使丙烯酰胺自聚速度加快，进而影响接枝效率.研究结果表表明，引发剂浓度以2.0×10-2mol·L-1为宜.

图2 引发剂浓度对净浆流动度的影响

2.1.3 反应温度对净浆流动度的影响 由图3可知，在较低温度范围内，净浆流动度增加比较缓慢，随着温度升高，反应体系内的活化能增大，使接枝反应进行，净浆流动度增大，进一步提高反应温度，净浆流动度值呈现下降趋势.由此可见，提高反应温度可使自由基向单体转移，对接枝反应不利.研究表明，70 ℃左右为最佳反应温度.

2.1.4 反应时间对净浆流动度的影响 从图4可知，随着反应时间的延长，净浆流动度呈现迅速增加的趋势，至3 h以后趋于稳定.所以反应时间选择3 h.

图3 反应温度对净浆流动度的影响

图4 反应时间对净浆流动度的影响

2.5 混凝土性能测试

参照GB8076-2008《混凝土外加剂》标准对产品进行混凝土性能测试.结果如表1、2所示.

表1 减水剂主要指标测试结果

由表1、2测试结果可知，木质素改性减水剂能够达到普通减水剂的国家标准；并且在与聚羧酸减水剂(表中SP010，武汉格瑞林公司提供)配合应用于C30商砼时，不仅能够减少SP010的使用量，而且起到了增加减水率以及缓凝的作用.

表2 改性木质素减水剂与聚羧酸高性能减水剂在C30商砼中的复配使用性能

注：1.高性能聚羧酸减水剂(SP010)由武汉格瑞林建材科技股份有限公司提供;2.LAG为实验中制备的木质素丙烯酰胺接枝产品．

3 结 语

通过对造纸废渣的处理，以及对提取的木质素进行接枝改性，产品的减水性能比一般磺化产品的减水性能优越，且能与聚羧酸减水剂进行有效复配，在低等级混凝土中，可以降低聚羧酸减水剂的成本，经检测各项主要指标达到普通减水剂的国家标准.此工艺简单，操作方便，易于工业化 生产，不但可以解决造纸废渣的二次污染问题，变废为宝，同时又能够为企业创造效益，一举两得.

参考文献：

[1]穆环珍.木质素的化学改性方法以及应用[J].农业环境科学学报,2006,25(1):14-18.

[2]杨鸿烈.我国造纸行业的现状和发展趋势[J].产业用纺织品,1998,16(3):9-10.

[3]苏寿承.木质素的化学结构和利用[J].浙江林学院学报,1990,7(1):87-96.

[4]刘生鹏，张苗，胡昊泽，等.聚乙烯改性研究进展[J].武汉工程大学学报,2010,32(3):31-36.

[5]李淑勉.造纸污泥中木质素的提取及其改性研究[J].环境工程,2006,24(2):62-63.