麦草氨法预处理制备化机浆工艺的研究

李军波 韩卿 陕西科技大学造纸工程学院 陕西 西安（710021）

麦草氨法预处理制备化机浆工艺的研究

李军波 韩卿 陕西科技大学造纸工程学院 陕西 西安（710021）

本文研究了尿素-氢氧化钾法，通过使用尿素和氢氧化钾对麦草进行预处理，在控制尿素和氢氧化钾用量、温度、升温保温时间条件下，使麦草化机浆成浆得率达到65%以上。结果表明：在尿素用量9%，KOH用量5%，蒸煮温度160℃、升温时间60min、保温时间60min时，得率为66.72%，所抄纸张的环压强度指数9.43N·m/g、裂断长4..67km、紧度0.53g/cm3，已经达到了瓦楞原纸国家标准（GB/T13023-2008）中A级水平。制浆后的黑液和洗涤液进行酸化和苛化处理，分离出沉渣和上层清液，沉渣作为含钾的有机复合肥料，上层清液用来重新配制蒸煮液。

麦草化机浆；氨法预处理；尿素；瓦楞原纸；强度；黑液

尿素是第一个人工合成的有机物，尿素法制浆在我国的研究始于上个世纪80年代。尿素制浆法是以尿素代替蒸煮过程中使用的化学药品的制浆方法[1-2]。尿素法制浆废液中含氮、磷、钾等，适合灌溉农田，肥效明显。尿素法制浆污染轻、腐蚀性小、简单易行[3-5]。

尿素可以用来制浆，其原理主要有三个方面：①尿素的分子结构中含有碳酰基及氨基，并且形成了酰胺的结构，基团综合作用使得分子整体呈现了微碱性，称之为结构碱性。在蒸煮时，尿素可以与在蒸煮过程中植物纤维氧化产生的有机酸（如草酸）发生反应，起到中和有机酸的作用，促进了蒸煮的进行，这本身就具备了一定的蒸煮作用[6-7]；②尿素与水共热，在100℃下发生水解生成NH3和CO2，对于NH3的脱木素可以理解为两方面∶其一为在蒸煮温度和压力下，氨有一定的软化作用，它可使木素结构引入亲水基羧酸盐-COONH4，使木素易于溶出；其二为氨与木素反应使得在木素的网状结构中引入亚氨基，亚氨基的存在使得木素易于润胀和断裂；而对于二氧化碳的脱木素机理可以认为是它与木素结构反应生成了木素羧酸盐，具有亲水性而溶出[8]；③NH3和CO2反应可以生成碳酸铵，而尿素可以分解成氰酸，氰酸可以转化成氰尿酸。氰尿酸与木素的醇型羟基反应生成异氰酸酯，易溶于水从而达到脱木素的目的；碳酸铵主要体现为NH4+活力大，能润胀纤维并置换木素的酚羟基[9-10]。

本文通过对尿素预处理麦草机理的探讨，确定了本实验的可行性，同时探讨了尿素预处理麦草后对后续纸张性能（环压强度、裂断长、紧度）的影响，并确定了最佳实验条件。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

1.1.1 原料及化学试剂

原料：西安某造纸厂的新鲜麦草；

尿素：重庆川江化学试剂厂生产，分析纯，含量≥99.0%，其中尿素按GB/T2441-91测定总氮含量，氮含量为33.75%；

氢氧化钾：重庆川江化学试剂厂生产，分析纯，含量≥82%。

1.1.2 仪器

蒸煮锅；PFI磨浆机；洗浆机；德国抄片器；环压测定仪；抗张测定仪。

1.2 试验方法

1.2.1 麦草氨化预处理

使用大锅进行蒸煮，每次装锅量为90g（绝干）。液比为1：6。蒸煮时，为了确定最佳工艺条件，尿素的用量分别为5%，7%，9%，氢氧化钾的用量分别为3%，5%，7%，最高温度分别为 140℃，150℃，160℃，保温时间控制分别为45min，60min，75min，升温时间均为60min，做蒸煮正交试验表。

1.2.2 磨浆

用PFI磨浆机对洗好的麦草浆进行机械磨浆，使其打浆度在45°SR左右。然后对其测定水分，测定得率。

1.2.3 抄片

用德国的标准纸页成型器抄纸，定量为100g/m2。手抄片在物检前，放到ISO标准恒温恒湿实验室内平衡水分24h以上。

1.3 正交试验与极差分析

设计实验方案如表1所示。选取尿素用量、KOH用量、最高温度、保温时间4个因素并分别确定3个水平做正交实验，采用L9(34)来安排实验，正交实验结果进行极差分析。

表1 尿素蒸煮正交试验因素水平表

正交实验结果得到了大量数据，为了进行直观的极差分析，将得到的数据进行作图，如图1、2、3、4所示。这样可以较为方便地找出尿素和KOH用量、最高温度和保温时间的最优值，图中横坐标的1、2、3表示的是各因素的水平。

图1 各因素对得率的影响

图2 各因素对环压强度指数的影响

图3 各因素对裂断长的影响

图4 各因素对紧度的影响

2 结果与讨论

由于所制纸浆用来生产瓦楞原纸，所以最佳工艺条件的选取，重点考虑得率和环压强度指数。本文中对得率、环压强度指数、裂断长、紧度进行了测量，结果分析如下：

（1）当尿素用量为9%时，得率、环压强度指数、紧度均为最高值，分别为 60.13%、9.79N·m/g、0.53 g/cm3。而这时的裂断长为4.98km，虽然不是最高值，但比国家标准（GB/T13023-2008）中A级水平规定的4.3km要高，达到了实验要求；尿素用量若为5%，环压强度指数、裂断长、紧度均为最低值；尿素用量若为7%，得率为最低值，仅为57.77%。所以综合考虑，尿素用量为9%是最佳选择。

（2）因为本实验所制浆料是用来生产瓦楞原纸的，所以得率和环压强度指数的指标尤为重要。当KOH用量为5%时，环压强度指数为9.57 N·m/g，为最高值。而这时的得率虽然不是最高值，但为次高值60.20%，与最高值相差极少，裂断长和紧度分别为4.76 km和0.5 g/cm3，均达到了实验要求；若KOH用量选择3%，裂断长和紧度则太低；若KOH用量选择7%，则得率太低，且KOH用量大，价格昂贵，增加了生产成本。所以综合考虑，KOH用量为5%是最佳选择。

（3）当保温时间为60min时，环压强度指数、裂断长、紧度都是最高值，分别为 9.97N·m/g、5.57km、0.52 g/cm3，而这时的得率也相对较高，为58.92%，仅次于最高值。所以保温时间为60min是最佳选择。

（4）当最高温度为160℃时，得率，裂断长、紧度均为最高，分别为 60.98%、5.24km、0.54 g/cm3，而这时的环压强度指数为9.16 N·m/g，与最高值9.98 N·m/g相差不多，且达到实验要求；最高温度若选择140℃，环压强度指数、裂断长、紧度均为最低值，分别为7.48 N·m/g、4.11km、0.47 g/cm3，裂断长和紧度达不到瓦楞原纸国家标准（GB/T 13023-2008）中A级水平；最高温度若选择150℃，环压强度指数虽然是最高值，裂断长和紧度也相对较高，但得率实在太低。所以综合考虑，最高温度为160℃是最佳选择

按照上述分析得出的尿素和KOH蒸煮麦草的工艺条件：尿素用量9%，KOH用量5%，保温时间60min，最高温度160℃，做验证试验。结果如表2。

表2 验证试验结果

从验证试验的结果来看，粗浆得率达到了预期的目标，环压强度指数、裂断长、紧度也都达到了瓦楞原纸国家标准（GB/T 13023-2008）中A级水平，达到了实验的要求。

3 制浆黑液的处理

制浆后的黑液和洗涤液相继进行酸化和苛化处理后，分离出沉渣和清液，沉渣可以作为含钾的有机复合肥料或其他用途，清液用来重新配制蒸煮液。这样就能使制浆产生的黑液得以回收，变废为宝，减少环境污染。

4 结论

1)通过正交试验得出尿素和KOH预处理麦草的最佳工艺条件是：尿素用量为9%、氢氧化钾用量为5%、最高温度160℃、升温时间60min、保温时间60min。

2)在上述条件下预处理麦草，进行手抄片。手抄片的环压强度指数为9.43 N·m/g，裂断长为4.67km，紧度为0.53 g/m3，均达到了瓦楞原纸国家标准（GB13023-2008）中A级水平。

3)所产生的黑液含氮、磷、钾等元素，适合灌溉农田，肥效明显，也可以将其制成肥料。降低了工厂处理黑液的成本，又保护了环境。

4)尿素法制浆污染轻、腐蚀性小、简单易行，非常适合工厂的生产。

[1]武书彬.制浆造纸清洁生产新技术 [M].化学工业出版社.2003∶1-3.

[2]罗少初,刘景富,霍庆元等.尿素法制浆.中华人们共和国.发明专利CN87101508A,1987年9月30日

[3]罗少初.尿素法制浆机理的探讨 [J].天津造纸,1992,14(2)∶11-15.

[4]杨汝男,王晓敏,张运展.稻草半化学浆制瓦楞原纸的研究[J].中国包装工业,1999(12)∶18-19.

[5]刘书钗,王娟,任涛.高得率棉秆浆制瓦楞原纸[J].西南造纸,2004(4)∶32-33.

[6]Huang Guolin,Chen Zhongsheng.Aqueous ammonia-caustic potash pulping of rice straw[J].Chemistry and Industry of Forest Products,2002,4(12)∶31-36.

[7]Kucuk M,Demirbas A.Kinetics study on hydrolysis of biomass by using alkaline-glycero lsolution[J].Energy Con and Management,1999,40(7)∶1397-1403.

[8]黄国林,邹丽霞,陈中胜等.麦草NH4OH-氢氧化钾蒸煮反应历程和动力学[J].华东理工大学学报,2003(6)∶234-238.

[9]黄国林,邹丽霞,陈中胜等.稻草NH4OH-氢氧化钾蒸煮反应历程和动力学研究[J].林产化学与工业,2003(1)∶1-6.

Study on nitrogen compounds pretreatment technology of wheat straw chemi-mechanical pulp

The technology of urea-potassium hydroxide for pretreating wheat straw was studied in this paper.The dosages of urea and potassium hydroxide,temperature,time and liquor ratio were investigated in order to produce a chemi-mechanical pulp which the unscreened yield of the pulp was beyond 65%.The results shown that the chemi-mechanical unscreened yield was 66.72%when the dosages of urea and potassium hydroxide were 9%,5%respectively,and pretreatment temperature,heating time and keeping time at the high temperature were 160℃,60min,60min separately.The physical properties of the hand sheet were as follow:the ring crush compression resistance index was 9.43N·m/g,breaking length was 4.67km and the tight degree was 0.53g/cm3,the physical properties had achieved the national standard A grade level(GB/T 13023-2008)of the corrugated paper.

wheat straw CMP；nitrogen compounds pretreatment；urea； corrugated paper；black liquor

2011-10-24