过氧化氢强化两段氧脱木素

张 彬董元锋刘温霞

(1.Research&Development Center ofAPP,Indonesia,36126;2.LP3IRD,APP,Indonesia; 3.山东轻工业学院制浆造纸教育部重点实验室,山东济南,250353)

·氧脱木素·

过氧化氢强化两段氧脱木素

张 彬1董元锋2刘温霞3

(1.Research&Development Center ofAPP,Indonesia,36126;2.LP3IRD,APP,Indonesia; 3.山东轻工业学院制浆造纸教育部重点实验室,山东济南,250353)

研究表明,在两段氧脱木素过程加入过氧化氢会提高脱木素效果,且加在氧脱木素的第二段比加在第一段时的脱木素率和选择性指数(脱木素率与黏度损失率的比值)好;综合考虑,建议过氧化氢的用量控制在2～3 kg/t;螯合处理对脱木素率与选择性指数也有影响,建议采用Q-O-OP处理程序,且螯合处理在酸性条件下的效果较好。

氧脱木素;过氧化氢;脱木素率;脱木素选择性指数

(＊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,美国专利最早提到热空气对纸浆具有漂白作用;1958年,尼基金等人首次在碱性条件下用分子氧漂白溶解浆,1968年,首次在Jössefors浆厂进行氧脱木素的工厂试验;1970年,第一台工业化的氧脱木素设备在南非的Kamyr厂安装;1985年,日本王子制纸公司的Tomakomai浆厂安装运行了第一台两段氧脱木素设备[1]。自从第一台工业化的氧脱木素设备诞生以来,氧脱木素技术获得了快速发展。由于氧脱木素与EOP反应条件的相似性,因此过氧化氢可以被用来作为氧脱木素的增强剂以提高氧脱木素效率。氧脱木素被认为是制浆过程中除蒸煮脱木素外成本最低、操作最简单、效率最高的脱木素方法,氧脱木素可以看作是蒸煮的延续,也可以看作是漂白的开始,能够有效地把蒸煮与漂白连接起来。

生产与研究表明,常规的工业化单段氧脱木素的脱木素率能达到35%左右,工业化的两段氧脱木素的脱木素率能达到45%左右,再继续提高脱木素率将会引起碳水化合物的严重降解和质量损失[2]。为此,在保证成浆质量的前提下,造纸工作者研究在氧脱木素过程中采用过氧化氢强化来提高脱木素率和改善脱木素的选择性指数(脱木素率与黏度损失率的比值)[3]。

1 实 验

纸浆为APP公司Compact蒸煮系统的相思木硫酸盐浆,氧脱木素前纸浆的性能指标见表1。

纸浆氧脱木素是在混合反应器(Quantum V)中进行的,pH值的调节采用APP公司浆厂的氧化白液,氧气取自APP公司氧气厂,过氧化氢为外购,螯合剂为Buckman公司产品。其中,O表示氧脱木素,OP表示过氧化氢强化的氧脱木素,Q表示螯合处理。

表1 氧脱木素前纸浆的性能指标

白度的测定采用TAPPI T218 sp-02标准,卡伯值的测定采用TAPPI T236 om-99标准,黏度的测定采用SCAN-CM 15:88标准,纸浆中金属离子的测定使用I CP Spectro Genesis,残余过氧化氢的测定采用碘量法。

2 结果与讨论

2.1 过氧化氢加入点和段间洗涤对氧脱木素程序的影响

两段氧脱木素系统包括2台压力反应器、2台混合器和1台段间增压泵,氧气、氧化白液、蒸汽等经过第一台混合器进入一段反应器;然后纸浆悬浮液和氧气、蒸汽等经过第二台混合器和增压泵进入二段反应器。典型的两段氧脱木素有Metso和Kvaerner两种系统,两种系统既有相同点也有不同点,但都根据氧脱木素的反应动力学,第一段反应采用高压和低温,第二段反应采用低压和高温,但是第一段反应时间Metso系统为20～30 min,Kvaerner系统为5～6 min,第二段反应时间都采用45～60 min。本实验处理条件见表2。

表2 两段氧脱木素的反应工艺条件

由于氧脱木素和氧碱抽提(EOP)的条件相似性,过氧化氢可以被用来强化两段氧脱木素,同时也有观点认为段间洗涤能改善氧脱木素效果,实验中对过氧化氢加入点和段间洗涤进行研究,用符号“-”连接表示段间没有经过洗涤,实验结果见表3。

表3 H2O2加入点和段间洗涤对氧脱木素程序的影响

表3表明,过氧化氢的加入会提高脱木素效果,但是过氧化氢加在第二段时的脱木素率和选择性指数比加在第一段时的好;两段氧脱木素的段间洗涤能够提高脱木素率,同时白度也有所提高,但是对纸浆的黏度有损伤,脱木素的选择性指数也有所降低,这可能是因为段间的洗涤去除了第一段氧脱木素中形成的氧化性木素、半纤维素等碎片,增加了过氧化氢对过渡金属离子的敏感性(H2O2+Mnn+=Mn(n+1)+OH-+ OH·,OH·在碱性条件下对碳水化合物有严重的降解作用,导致纸浆的黏度损失)。同时,两段氧脱木素的段间洗涤还需要洗涤设备方面投资,具体采用哪一种方式要根据具体情况综合考虑。

2.2 过氧化氢用量对脱木素率的影响

研究过氧化氢用量对氧脱木素程序的影响,过氧化氢用量分别为0、2、4、6、8 kg/t,采用O-O和O-OP脱木素,其他反应条件同表2,结果见表4。

表4 过氧化氢用量对氧脱木素的影响

表4表明,随着过氧化氢用量的增加,过氧化氢的消耗量有所下降,当过氧化氢用量为8 kg/t时,过氧化氢的消耗量为85.9%;纸浆的脱木素率和白度随着过氧化氢用量的增加都有增加趋势,脱木素率和白度最高分别达56.4%和57.4%,但是随着过氧化氢用量的增加,纸浆的黏度和脱木素选择性指数有明显下降,黏度下降到了787 mL/g,此时的选择性指数也只有3.0。虽然过氧化氢的加入有利于改善两段氧脱木素的效率,但同时会影响纸浆的黏度,实际加入量要综合考虑后确定,建议用量在2～3 kg/t。

2.3 过渡金属离子的螯合处理

很多造纸工作者的研究已经表明,为了获得最大的脱木素效率,在应用过氧化氢处理纸浆前需要采用螯合剂对其进行处理以调整纸浆中金属离子的含量,并且认为Q段处理后的纸浆要经过洗涤,但是增加洗涤会增加设备的投资,而且也会失去标准两段氧脱木素的优势,实验研究了Q段的位置、洗涤以及pH值对氧脱木素的影响。

2.3.1 Q段的位置和洗涤对氧脱木素的影响

Q段的不同位置与处理后是否有洗涤对氧脱木素的影响见表5。分析表5数据可以发现,Q段处理后洗涤与不洗涤对金属离子的去除效果没有很大的影响,但对脱木素选择性指数和黏度有较大的影响,与不洗涤相比,Q段后采用洗涤处理会使纸浆黏度降低幅度较大,这可能是因为洗涤去除了降解的纤维素与半纤维素碎片,失去了它们对纤维的保护作用;Q段后洗涤对纸浆的白度有影响,白度提高2个单位。Q段处理时,采取段前处理与段间处理对金属离子的去除、脱木素效率、黏度、白度以及脱木素选择性指数都没有大的影响。因此,建议Q段处理后不采取洗涤处理,即采用Q-O-OP处理。

表5 Q段的位置和洗涤对氧脱木素的影响

2.3.2 Q段pH值对Q-O-OP氧脱木素的影响

Q段后进行O-OP程序的两段氧脱木素,即Q-OOP。Q段pH值对O-OP程序的影响见表6。由表6可见,虽然Q段的pH值在酸性范围对Mn、Fe和Cu离子的去除效果较好,同时脱木素的选择性指数也高,但由于随后的氧脱木素是在碱性条件下进行的, Q段在低pH值下势必会增加氧脱木素段的氧化白液或氢氧化钠的消耗量,造成化学品消耗量增加,因此Q段采用的pH值要根据质量与成本进行综合权衡。

表6 Q段pH值对氧脱木素的影响

3 结 论

3.1 过氧化氢可以用来改善段间没有洗涤设备的标准两段氧脱木素,使标准两段氧脱木素发挥最大的脱木素效率。

3.2 两段氧脱木素过程中加入过氧化氢会提高脱木素效果,但是过氧化氢的加入点对脱木素效率和选择性指数有影响,加在第二段时比加在第一段时的脱木素效率和选择性指数好。

3.3 两段氧脱木素中过氧化氢的加入量对脱木素效率有影响,但是综合考虑建议过氧化氢的用量控制在2～3 kg/t。

3.4 过氧化氢强化两段氧脱木素系统中的螯合处理对脱木素效率与选择性指数有影响,同时螯合剂的加入点与反应条件对其有影响,建议采用Q-O-OP处理程序。

[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.

(责任编辑: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)

张 彬先生,工程师;主要研究方向:新产品和新原料、新技术、新化学品在制浆造纸中的应用与推广。

TS745

A

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

2009-11-29(修改稿)