过碳酸钠对洋麻硫酸盐浆漂白效果的研究

2011-09-27陈克复刘姗姗

中国造纸 2011年1期

王强陈克复李军徐峻刘姗姗

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640;2.华南理工大学广东省造纸技术与装备公共实验室,广东广州,510640;3.中国林业科学研究院林产化学工业研究所,江苏南京,210042)

过碳酸钠对洋麻硫酸盐浆漂白效果的研究

王强1,2陈克复1,2李军1,2徐峻1,2刘姗姗3

对过碳酸钠 (SPC)在洋麻硫酸盐浆中的漂白效果进行了研究,采用 4因素 3水平正交实验对其主要影响因素漂剂用量、温度、时间及用碱量进行了探讨。结果显示各因素对过碳酸钠漂白有不同程度的影响,极差分析显示温度对白度及黏度的影响最大,较优的漂白条件为：SPC用量 3%(以 H2O2含量计),用碱量 1%,温度 70℃,时间 60 min。过碳酸钠在洋麻硫酸盐浆OpQP和OpQDP漂序中的漂白能力略优于过氧化氢,而对纤维的降解程度相当。采用过碳酸钠的 OpQDP漂序,终漂浆白度可达 80%以上。

过碳酸钠;洋麻;漂白

目前,绿色、低碳经济在全国范围内受到重视,这使得制浆造纸工业在生产中更倾向于选择低污染或无污染的漂剂。过碳酸钠 (SPC,分子式 2Na2CO3·3H2O2)是一种精细化工产品,是由碳酸钠和过氧化氢复合形成的新型氧系漂剂,外观是白色松散的颗粒[1],遇水会放出原子氧,是一种对水质没有污染的钠盐,作用温度范围宽、水溶性好、成本低、无污染、无异味,是一种理想的漂白剂,已广泛应用于化工、纺织等行业。

过碳酸钠在水中的反应如下[2]：

国外已有研究报道[3]将过碳酸钠应用于混合杉木机械浆的漂白,结果显示漂白效果及浆料白度稳定性能良好。赵德清等[4]将过碳酸钠应用于蔗渣浆漂白,发现漂白效果良好。过碳酸钠作为一种新型的漂剂,在纸浆漂白中的应用研究仍处于初步探讨阶段,本实验在前人工作的基础上采用四因素三水平正交实验对洋麻硫酸盐浆过碳酸钠的漂白效果进行了探讨,以期为其在造纸行业的进一步推广应用提供理论基础。

1 实验

1.1 原料

洋麻秆原料取自江苏省某县,采用全洋麻秆备料,人工将洋麻秆切成3～5 cm长度后在塑料袋中平衡水分备用。洋麻硫酸盐浆为实验室自制,制浆工艺为：活性碱用量 20% (以Na2O计),硫化度 22%,蒸煮温度

175℃,保温时间 2 h,液比 1∶4。所得浆料性质：细浆得率 44.9%,卡伯值 20.4,残碱浓度 9.6 g/L,白度 25.3%。

过碳酸钠 (SPC)由江西永泰化工有限公司提供。

1.2 实验设计

过碳酸钠漂白采用四因素三水平的正交实验,实验条件见表 1。

表1 正交实验设计

1.3 实验过程

漂白实验在实验室电热恒温水浴锅内进行,浆料放入塑料袋中后升温至所需温度,加入漂剂。严格控制漂白温度及时间。每隔 15 min将浆料取出揉搓 1次,保证药液与浆料混合均匀。漂白结束后充分洗涤。Op段漂白条件：压力 0.5 MPa,温度 100℃,时间 60 min,NaOH用量 4%,H2O2用量 0.5%;Q段漂白条件：EDTA用量 0.1%,浆浓 4%,温度 75℃,时间 30 min。

表2 过碳酸钠漂白正交实验结果

1.4 检测

白度测定：浆料经纤维疏解器疏解后,用布氏漏斗抄片,在转鼓烘干机上烘干后,用杭州轻通仪器厂产的 YQ-Z-48B型白度颜色测定仪测定白度。

浆料的黏度及得率均按照参考文献 [5]中的方法进行检测。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果及分析

实验中对经 OpQ漂白处理的浆料进行过碳酸钠漂白,结果见表 2,极差分析结果见表 3。

表 3的正交实验的极差分析结果表明,纸浆白度和黏度均受温度 (B)的影响较大,而漂白时间的影响程度较小,另外漂白剂用量及用碱量对纸浆的不同指标有不同的主次关系。

2.1.1 各因素对白度的影响

SPC用量、漂白温度、漂白时间及用碱量对漂白浆料白度的影响见图 1。

表3 极差分析结果

图1 各因素对漂白浆料白度及白度增长率的影响

由图 1可知,随着实验水平的递增,纸浆的白度及白度增长率均呈上升趋势。白度在漂白温度为70℃时达到最大值,结合表 3的极差分析结果可知,温度对过碳酸钠漂白的影响最大,是第一影响因素。继续升温至 90℃,纸浆的白度及白度增长率开始下降,说明过碳酸钠有其最适宜的漂白温度,超过一定值后其分解作用加剧,漂白效率降低。用碱量对白度的影响也较大,是影响漂白效果的第二影响因素。表现为随着用碱量的升高,纸浆的白度及白度增长率呈增加趋势,有报道[6]称过碳酸钠在漂白过程中通过自身离解可以生成羟基离子,从而可以提高 pH值,代替常规过氧化氢漂白中加入的碱,但本实验结果表明,在漂白中加入一定量的碱可以更有效地改善漂白效果,提高纸浆白度,具体的作用机理有待于进一步研究。另外,图 1显示SPC用量在 1%～5%之间变化时,对漂白效果是较次要的影响因素,随着 SPC用量的增加,纸浆的白度及白度增长率逐渐增加,但相对于温度和用碱量而言,其改善的幅度较小,在用量为 3%时有一个拐点,随后白度改善幅度明显降低,说明漂白时SPC用量不宜过高,否则会降低漂白效率。时间对漂白效果而言是最次要的影响因素,表现为在 30～90 min之间变化时对白度改善程度较小,说明过碳酸钠在短时间内即可完成漂白,在实际生产中可以适当缩短漂白时间。

2.1.2 对黏度的影响

SPC用量、漂白温度、漂白时间及用碱量对漂白浆料黏度的影响见图 2。

图2 各因素对纸浆黏度及黏度降低率的影响

由图 2可知,温度是影响纸浆黏度的第一因素,随着漂白温度的升高,纸浆的黏度迅速降低,然后又趋于平缓,从黏度降低率来看随着温度的升高,黏度降低率快速升高然后保持不变,说明较高的漂白温度对浆料纤维的降解作用显著。SPC用量是影响纸浆黏度的第二因素,表现为随着 SPC用量的增加,浆料黏度呈下降趋势,黏度降低率呈升高趋势,这说明过碳酸钠漂剂对纤维有降解作用,在漂白过程中应控制其用量,避免对纤维的大量降解。用碱量是较次要的影响因素,表现为随着用碱量的增加,纸浆的黏度逐渐降低,这是因为漂白体系是碱性环境,浆料发生碱性降解,从而导致浆料黏度的降低,黏度降低率升高。所以在漂白中应控制用碱量,从而保证纤维的物理及机械性能。漂白时间是影响纸浆黏度的最次要因素,随着漂白时间的延长,纸浆的黏度先是有所增加,然后开始小幅度回落,这可能是因为小分子质量的纤维素碱性降解后在洗涤过程中除去,使得大分子质量的纤维素含量升高,从而改善了纸浆的黏度性能,但这会导致漂白得率的损失,所以应该适度控制漂白时间来提高得率。

2.1.3 漂白选择性

由于各因素对过碳酸钠漂白均有不同程度的影响,特别是对成浆性能的影响是一个矛盾体,所以引入漂白选择性这一指标来分析漂白各因素对漂白效果的影响。漂白选择性即白度增长率与黏度降低率之间的比值,其物理意义在于纸浆单位黏度降低率上的白度增长率。该值越大表明在黏度降低率较小的前提下白度增长率较大,漂白工艺越合理有效;反之说明在白度升高的同时纸浆黏度降低显著,漂白效果较差。实验中各因素对漂白选择性的影响见图 3。

图3 各因素对漂白选择性的影响

由图 3可知,温度仍然是影响漂白选择性的第一因素,随着漂白温度的升高,漂白选择性快速降低,在 70℃以后降低幅度趋缓。这说明仅仅依靠升高漂白温度来达到改善白度的目的是不可行的,其对纤维的降解作用过于显著。第二影响因素是 SPC用量,随着其用量的增加,漂白选择性也是快速降低,说明过碳酸钠在提高纸浆白度的同时对纤维的降解也较强烈。用碱量是第三影响因素,其变化趋势较缓和,而且用碱量的增加可以起到改善白度的效果,所以在漂白过程中可以通过适当提高用碱量来达到改善白度的目的。最次要的影响因素为漂白时间。由图 3可见,随着漂白时间的延长,纸浆的漂白选择性有所改善,所以可以通过适当延长漂白时间来实现在较低的黏度损失下提高纸浆白度。综合考虑,较优的漂白工艺确定为：SPC用量 3%,用碱量 1%,温度 70℃,时间60 min。

2.2 漂白效果比较

为了进一步讨论过碳酸钠在生产中的应用前景,将其与目前主流的环保漂剂过氧化氢进行比较,在其较适宜的漂白条件下与等量的过氧化氢漂白进行比较,所得结果列于表 4。

由表 4可知,浆料经过 OpQ漂白后白度可达到40.8%,黏度值为 821 mL/g。OpQ漂后经用量 3%的过氧化氢和过碳酸钠漂白后,纸浆白度分别提高到56.2%和 58.0%,相同用量下过碳酸钠漂白浆料的白度增长率要高出 4.4个百分点。经用量 5%的过氧化氢和过碳酸钠漂白后,纸浆白度分别提高到61.9%和 63.2%,相同用量下的过碳酸钠可以使白度增长率提高 3.2个百分点。可见,在 TCF漂序(OpQP)中,过碳酸钠的漂白效果可以与过氧化氢相媲美,且略优。

在OpQDP漂白流程中,浆料经过 OpQD漂白后,白度达到 64.2%,黏度值为 742 mL/g。再经用量1.5%的过氧化氢和过碳酸钠漂白后,纸浆白度分别提高到 76.6%和 78.6%,相同用量下过碳酸钠可使白度增长率提高 3.1个百分点。经用量 3%的过氧化氢和过碳酸钠漂白后,纸浆白度分别提高到 79.0%和 80.2%,相同用量下的过碳酸钠可使白度增长率提高 1.8个百分点。从纸浆黏度来看,相同用量下两种漂剂对黏度的降低率基本相同。

表4 过碳酸钠与过氧化氢漂白效果的比较

过碳酸钠与过氧化氢的漂白效果相近或较优,因为过碳酸钠为固体物料,比液态的过氧化氢稳定性好,便于远程运输和长期储存,从而可以降低运输和储存成本,是一种具有良好应用前景的漂剂。

3 结论

3.1 通过正交实验对过碳酸钠 (SPC)在洋麻硫酸盐浆漂白中的主要影响因素进行了探讨,得出较适宜的漂白条件为：SPC用量 3%,用碱量 1%,温度70℃,时间 60 min。

3.2 在 OpQP和 OpQDP漂序中,过碳酸钠的漂白效果略优于过氧化氢,对纤维的降解程度与过氧化氢相近。浆料经过 P段为过碳酸钠漂白时,OpQP漂白浆料白度可达 63.2%,OpQDP漂白浆料白度可达80.2%。

[1] 乔建芬.新型氧化剂-过碳酸钠 [J].山西化工,2002,22(4)：61.

[2] 伍玉碧,周日尤.过碳酸钠的开发应用[J].广西轻工业,2000(2)：8.

[3] Leduc C,Garceau M,Daneault C,et al.Bleaching of a mechanical pulp with Sodium Percarbonate and Amineborane—Bleaching response and brightness stability[J].JPPS,2002,28(5)：171.

[4] 赵德清,李军,莫立焕,等.蔗渣 Soda-AQ浆过碳酸钠与过氧化尿素短序少氯漂白[J].中国造纸,2008,27(10)：1.

[5] 石淑兰,何福望.制浆造纸分析与检测[M].北京：中国轻工业出版社,2003.

(责任编辑：郭彩云)

Bleaching of Hibiscus Cannabines Kraft Pulp with Sodium Percarbonate

WANG Qiang1,2,＊CHEN Ke-fu1,2LI Jun1,2XU Jun1,2LIU Shan-shan3
(1.State Key Lab of Pulp&Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;2.Guangdong Public Lab of Paper Technology and Equipment,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;3.Institute of Chemical Industry of Forest Products,Chinese Academy of Forestry,Nanjing,Jiangsu Province,210042)
( ＊ E-mail：wangqiang8303@163.com)

The bleachability of Hibiscus cannabines kraft pulp bleaching with sodium percarbonate(SPC)was studied.The key factors,including SPC dosage,bleaching temperature,ti me and active alkali charge,were investigated by orthogonal experiment.The results showed that the four factors have different effects on SPC bleaching,and the range analysis shows temperature has maximal effect on brightness and viscosity.The optimal bleaching condition could be proposed as follows：SPC charge 3%,alkali charge 1%,bleaching temperature 70℃ and time 60min.The bleaching performance of SPC is lightly better than hydrogen peroxide in OPQP and OPQDP sequences,then degradation effect on cellulose is similar,the brightness can reach to higher than 80%ISO when OPQDP bleaching sequence is employed.

sodium percarbonate(SPC);Hibiscus cannabines;bleaching

TS745

0254-508X(2011)01-0018-05

王强先生,在读博士研究生;主要从事制浆造纸清洁生产与污染控制方面的研究。

2010-09-06(修改稿)