芦苇预水解硫酸盐制备溶解浆工艺条件的研究课程设计论文毕设论文.docx
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芦苇预水解硫酸盐制备溶解浆工艺条件的研究课程设计论文毕设论文
课程设计（论文）
题目：
芦苇预水解硫酸盐制备溶解浆
工艺条件的研究
专业：
轻化工程指导教师：
石海强
学生姓名：
王骁翀班级学号：
092-30
2013年6月7日
大连工业大学本科毕业论文
芦苇预水解硫酸盐制备溶解浆工艺条件的研究
Thestudyoftechnologicalconditionsaboutpreparationfromsulphatetodissolvingpulpafterprehydrolysisofreed
论文完成日期2013年6月7日
2013年6月
摘要
本论文主要研究的是芦苇的预水解硫酸盐法制备溶解浆的工艺条件，着重考察了硫酸盐蒸煮的最高温度、保温时间、用碱量和硫化度这四个因素对芦苇半料浆蒸煮效果的影响。
在一定的液比下，通过改变蒸煮的最高温度、保温时间、用碱量和硫化度，使木素和灰分尽可能多的除去，同时保留尽量多的α-纤维素。
通过对不同最高温度、保温时间、用碱量和硫化度下硫酸盐蒸煮所得浆料的化学成分含量进行分析，探索芦苇硫酸盐蒸煮过程中纤维素、半纤维素、木素和灰分的溶出规律，从而得出最佳的硫酸盐蒸煮制备溶解浆的工艺条件。
分析结果表明：
芦苇预水解硫酸盐法制备溶解浆的最佳工艺条件是液比1:
8，最高温度170℃，升温时间30min，保温时间60min，用碱量25，硫化度18。
在此条件下蒸煮的芦苇浆可除去大部分的灰分，脱去大部分木素，并保留较多的α-纤维素，综纤维素含量为96.90%，α-纤维素含量为95.95%，灰分含量为0.53%，高锰酸钾值为9.3。
关键词：
芦苇；溶解浆；预水解；硫酸盐蒸煮；α-纤维素
Abstract
Thetechnologicalconditionsaboutpreparationfromsulphatetodissolvingpulpafterprehydrolysisofreedwasmainlydiscussedinthepaper,andinfluencefactorsontheeffectofReedpulpcookingwerehighlighted.Thehighesttemperature,holdingtime,alkalichargeandsulfiditywasconsideredasinfluencefactorsinthispaper.Underthecertainsolid/liquid,removingthemostofligninandashcontentbychangingthehighesttemperature,holdingtime,alkalichargeandsulfidityduringcooking,andkeepingthemostofα-cellulose.Byanalyzingthechemicalcompositionofcookedsulfatepulpunderdifferenthighesttemperature,holdingtime,alkalichargeandsulfidity,researchingthedegradationregularityofcellulose、hemicellulose、ligninandashcontent,andconsequentlyobtaintheoptimumtechnologicalconditionsofpreparationfromsulphatetodissolvingpulp.
Theresultsofanalysisshowthatoptimumtechnologicalconditionofpreparationfromsulphatetodissolvingpulpissolid/liquidof1:
8,maximumtreatingtemperaturefor170℃,Theheatingtimefor30min,heatpreservationtimefor60min,alkalichargefor25，sulfidityfor18.Intheabovetechnologicalconditions,cookedreedpulpwasremovedthemostofAshcontentandlignin,keptthemajorα-cellulose，having96.90%holocellulose，95.95%α-cellulose，0.53%Ashcontent，andtheKValueis9.3。
KeyWords：
reed;prehydrolysis;Sulfatecooking;α-cellulose;Dissolvingpulp
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1研究理念1
1.1.1溶解浆的概念1
1.1.2溶解浆的应用及现状1
1.1.3溶解浆的制备方法1
1.1.4溶解浆的发展趋势2
1.2芦苇的特性及化学成分含量2
1.3预水解硫酸盐法蒸煮3
1.3.1预水解反应对芦苇的影响3
1.3.2硫酸盐法蒸煮对浆料的影响3
1.4半纤维素对纸浆及纸张性质的影响4
1.4.1半纤维素对纸浆打浆性能的影响4
1.4.2半纤维素对溶解浆的影响4
1.4.3半纤维素对纸张物理性能的影响5
1.5本课题的意义和研究内容5
第二章实验材料和方法7
2.1主要试剂7
2.2主要仪器与设备7
2.3实验方法8
2.3.1实验原料化学组分分析8
2.3.2对原料的预水解9
2.3.3对半料浆的硫酸盐蒸煮9
2.3.3.1浆料各项指标的测定9
2.3.4最佳蒸煮温度的确定10
2.3.5最佳保温时间的确定10
2.3.6最佳用碱量的确定10
2.3.7最佳硫化度的确定10
第三章实验结果与分析11
3.1原料分析11
3.2预水解后半料浆的硫酸盐蒸煮11
3.2.1各个因素对灰分的影响12
3.2.2各个因素对综纤维素的影响13
3.2.3各个因素对α-纤维素的影响15
3.2.4各个因素对高锰酸钾值的影响16
3.2.5各个因素对得率的影响17
3.2.6硫酸盐法蒸煮最优条件19
结论20
致谢23
第一章绪论
1.1研究理念
1.1.1溶解浆的概念
溶解浆是由自然界含有纤维素的植物（如棉、木材等）经化学加工纯化而得到的一种纤维素含量相当高，半纤维素、木素和其他成分相当少的化学精制浆。
这种浆白度高，纤维素分子质量分布均匀，反应性能良好，又称为浆粕。
溶解浆主要以木材和棉短绒为原料，竹、芦苇和甘蔗渣等也有少量应用。
溶解浆主要用于生产粘胶纤维、硝化纤维、醋酸纤维、玻璃纸、羧甲基纤维素等产品。
与普通的造纸用浆相比，溶解浆生产的得率较低，一般只有30%-35%[1]。
1.1.2溶解浆的应用及现状
溶解浆是一类高等级的纤维素浆粕，具有半纤维素含量低、木素含量低、树脂含量低的特点，适合用于生产多种纤维类产品，如羧甲基纤维素、黏胶纤维、醋酸纤维素、纤维素薄膜、香肠皮衣等。
纺织业和烟草制造业是溶解浆的主要应用领域，比例大致是：
黏胶产品60％、香烟过滤嘴16％、纤维素醚11％、硝酸纤维5％、醋酸纤维7％、其他1％。
其中用量最多的是生产黏胶纤维。
国际市场溶解浆的主要生产公司有天柏、瑞安、金鹰等。
南非Sappi公司的SAICCOR浆厂年产桉木溶解浆80万吨，是全球最大的单一溶解浆厂。
2006年全球溶解浆消费量为410万吨，Sappi公司预测到2012年，市场需求将超过450万吨，现在主要溶解浆市场已移到亚洲。
欧洲和美国主要用于特殊产品：
Lyocell纤维和醋酸纤维。
我国黏胶纤维生产使用的木浆，主要依靠进口，2009年进口的溶解浆量达到85万吨[2]。
1.1.3溶解浆的制备方法
溶解浆和纸浆的主要生产过程大体相同，但由于用途不同，工艺流程的细节和工艺参数也有所差异。
目前，国内外制备溶解浆主要有两种工艺方法：
预水解硫酸盐法和亚硫酸盐法，其目标是为了获得高纯度纤维素浆料，而木素和半纤维素作为杂质被除去，一般来说，半纤维素含量低的原料可采用酸性亚硫酸盐法；若是树脂含量高的原料，则必须采用预水解硫酸盐法[3]。
1.1.4溶解浆的发展趋势
溶解浆的发展趋势很大程度上取决于溶解浆技术的发展和市场的需求。
随着工业的发展和人们生活水平的提高，溶解浆的需求量会继续增加，尤其是对高质量溶解浆的需求，反应性能是溶解浆的重要性能参数，对化学试剂的可及度、反应程度、黏胶的过滤性能和产品强度及其它性能指标影响很大。
因此，溶解浆的发展趋势主要是开发新原料应用于工业生产中和利用简单有效的方法获得高质量的溶解浆[4]。
1.2芦苇的特性及化学成分含量
芦苇在我国广泛分布,蕴藏量大,是一种较为重要的草类原料[5]。
其主要产区有辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、湖北、湖南、安徽、新疆、河北、山东、江苏、江西、青海、宁夏、上海、天津等16个省（市、区），重点产区是湖南洞庭湖、辽宁盘锦地区和新疆博斯腾湖等地[6]。
由于芦苇的资源优势和低成本优势，市场前景十分广阔。
近年来，国家加大力度支持造纸芦苇基地建设，坚持科学育苇与发展优质高产芦苇原料，提高芦苇单产和总产量。
芦苇，禾本科，一年生草本植物，生长于池沼、河岸、湖边、水渠、路旁。
在草类原料中，芦苇是造纸工业中一种非常重要的非木材纤维原料，苇浆有着较好的纤维，仅次于龙须草浆。
除了非纤维细胞含量较阔叶木高外，其它性能接近或超过阔叶木[7]。
尽管在今后，国家将不断提高木浆比例，降低草类浆的比例，但随着纸及纸板总产量的不断提高，苇浆的绝对需求量还是很大的,苇浆作为一种较好草类浆，在中国造纸工业发展中，将发挥重要的作用[8]。
芦苇茎长久以来被用作获取植物纤维做造纸原料。
芦苇的平均纤维长度为1.12mm，平均纤维宽度是9.7μm，长宽比为115，是较好的纤维原料。
不同产地的芦苇的化学成分有一定的差别。
芦苇的纤维素含量较高（41.5%～50.2%），木素含量较低（除个别外，多在20%左右），聚戊糖含量较高（22%～25%），灰分含量比稻麦草、龙须草等低得多，是适合制浆造纸的优质原料。
表1.2针叶材、阔叶材和禾本科植物纤维原料的主要化学组分含量[9]
树种
综纤维素
α-纤维素
聚戊糖
Klason木素
灰分
/%
/%
/%
/%
/%
针叶材
64.5±4.6
43.7±2.6
9.8±2.2
28.8±2.6
0.3±0.1
阔叶材
71.7±5.7
45.4±3.5
19.3±2.2
23.3±3.0
0.5±0.3
禾本科
75.2±3.6
41.1±2.2
26.8±1.6
17.4±5.3
3.2±1.5
表1.2列出了不同种类植物纤维原料的主要化学组分含量。
很明显，禾本科植物的综纤维素含量最高，阔叶材次之，以针叶材为最低，而α-纤维素含量以阔叶材为最高，禾本科的克拉森木素的含量最低，阔叶材次之，针叶材最高。
在溶解浆的制备过程中，禾本科的高综纤维素含量和低克拉森木素含量都为制备溶解浆提供了较为有利的条件。
1.3预水解硫酸盐法蒸煮
1.3.1预水解反应对芦苇的影响
预水解的主要作用是尽可能多地除去半纤维素,破坏纤维的初生壁,增加药液和溶出物的扩散能力,为后一阶段制浆提供有利条件,以获得反应性能较好、化学纯度较高的人纤浆粕。
然而,由于原料不同,预水解方法及工艺条件不同,人纤浆粕的质量也就不同。
与木材相比,芦苇中含有较多的半纤维素和灰分,这些成分都对人纤浆粕的质量有较大的影响。
同时由于芦苇中的木素在细胞结构中的分布与木材不同,木素本身的结构和分子质量也与木材有较大的差异。
所以为了掌握芦苇在预水解反应过程中的变化规律,应对苇片进行预水解[10]。
1.3.2硫酸盐法蒸煮对浆料的影响
硫酸盐法蒸煮的主要目的是尽可能多的除去木素，同时保护碳水化合物不被破坏。
碱法蒸煮脱木素的特点是木素大分子必须碎解为小分子才能从原料中溶解出来。
因此脱木素反应实际上就是木素大分子的结构单元间各种连接键发生断裂的反应，同时，也关系到断裂了的木素分子不再缩合变成大分子。
硫酸盐法蒸煮的主要反应剂除了OH-外，还有Na2S水解产生的HS-。
烧碱法和硫酸盐法的共性是所有的药品都具有碱性，通过化学反应，在木素大分子中引入亲液性的基团，使木素大分子降解，变成分子量较小、结构比较简单、易溶于碱液的碱木素和硫化木素[3]。
1.4半纤维素对纸浆及纸张性质的影响
半纤维素是植物组织中与纤维素相伴生的一种低分子质量（其平均聚合度50—200）的多糖类碳水化合物，是由两种或两种以上的单糖组成的不均一聚糖，大多数带有短侧链，绝大部分位于纤维素细胞的胞间层和细胞壁上[11]。
芦苇的半纤维素主要是聚阿拉伯糖-4-O-甲基-葡萄糖醛酸木糖，由D-木糖基以（1→4）β苷键联接成主链。
1.4.1半纤维素对纸浆打浆性能的影响
纸浆中存留的半纤维素有利于纸浆的打浆，这是因为半纤维素比纤维素更容易水化润胀，而纤维的润胀对纤维的细纤维化是十分有利的。
纸浆中存留的半纤维素聚糖的种类与结构比半纤维素的含量对打浆的影响更大，如硫酸盐浆中的半纤维素含量不少于亚硫酸盐浆，而其打浆却比亚硫酸盐浆困难。
这与硫酸盐浆的半纤维素中碱溶性聚糖较少，而亚硫酸盐浆的半纤维素中碱溶性聚糖较多有关[9]。
1.4.2半纤维素对溶解浆的影响
溶解浆是生产粘胶纤维，玻璃纸或者其它纤维素衍生物。
半纤维素的存在对溶解浆的使用会产生不利影响，例如在生产粘胶纤维的溶解浆（粘胶浆粕）中，半纤维素及其它杂质含量少，在生产粘胶纤维时，原料浆粕及二硫化碳的单位消耗和碱回收均比较经济，而且粘胶纤维的质量也较高。
浆粕中半纤维素的含量增加，会使粘胶过滤困难并降低粘胶的透明度。
半纤维的磺化速度快，当浆粕中半纤维素含量高时，不仅要多耗用二硫化碳，而且会造成磺化不均匀，影响粘胶的溶解性能，帘子线的疲劳强度也随之降低。
所以，对溶解浆中的半纤维素含量均有一定的限制。
例如生产醋酸纤维素的溶解浆，其α-纤维素不得小于96％，对于生产粘胶纤维的溶解浆，其α-纤维素应大于87％，最高可达99％[9]。
1.4.3半纤维素对纸张物理性能的影响
半纤维素是木材或纸浆中的一种重要成分，它对纸张的性质有较大的影响，根据对不同纸张的性质的不同要求，在制浆时应尽量或适当保留纸浆中的半纤维素。
半纤维素有利于纸浆的打浆，有利于纤维的细纤维化，大量研究结果表明，凡是通过打浆能获得较高强度纸张的纸浆都有较高半纤维素的含量。
对于给定的植物纤维原料来说，在蒸煮过程中半纤维素脱的越少，则单位质量的纸浆中含有的纤维素就越少；反之，半纤维素脱得越多，则单位质量的纸浆中含有的半纤维素就越多。
从这个意义上来说，半纤维素含量高，有利于纤维素的结合，所以对提高纸张的裂断长、耐破度和耐折度等有利。
半纤维素含量低，有利于一些与纤维素结合力无关的纸张性质，如不透明度和撕裂度等。
在工业纸浆中，随着半纤维素含量的增加，相对地降低了α-纤维素的含量，即减少了保证纤维本身的强度的纤维素的含量，所以半纤维素在增加纤维结合上的积极影响在某程度上会被纤维本身强度降低的不利影响所降级或抵消。
从逻辑上希望有一个最佳的（或最适宜的）半纤维素含量，但在实际中是很难控制的，因为半纤维素的含量对不同纸张的影响是不一样的，如草浆的聚戊糖含量与纸张的物理性能有如下关系：
α-纤维素/聚戊糖=2.5～3时，纸张的裂断长、耐破度和耐折度最大，而松厚度和撕裂度最小。
当该系数为6～9时，则撕裂度最大、松厚度好。
杨木浆达到最大耐破度和抗张强度的适宜半纤维素含量约为20%，而此时纸张的不透明度和撕裂度最小[9]。
1.5本课题的意义和研究内容
目前，三大纺织材料中，天然纤维产量（特别是棉花）受耕种面积减少和生产成本增加的约束；合成纤维因其难以降解和舒适度不足，需求受限制；而全球经济与人口的增长又提升了对纺织材料的整体需求，这就为第三种纺织材料——黏胶纤维带来了需求增长空间。
有条件的造纸企业如岳阳纸业、吉林化
纤和福建南纸等利用溶解浆与造纸用浆的相通性，纷纷进行改建或扩建。
根据2010~2012年全球及中国溶解浆的行业报告，预计到2012年底国内溶解浆行业的生产能力将增长到529%，达到163.6万t，占全球总产能的26.8%。
伴随溶解浆需求增长，木材资源供应却处于日益紧张的状态，加之生长周期长，已经难以满足市场的需求。
目前非木材用于制备溶解浆也倍受重视，如竹子、芦苇、甘蔗渣、洋麻、废黄麻等都得到了不同程度的研究及应用，芦苇作为重要的植物纤维原料，在造纸工业中综合利用的社会效益和环境效益显著。
预水解处理半纤维素的溶出，造成生物资源的浪费与高污染负荷生产污水的高处理费用。
近几年，IFBR（IntegratedForestProductsBio-refinery）的理念引入，将传统的化学法制浆厂转变为林产品生物质精炼联合企业，结合生物质精炼（Bio-refinery）和化学法制浆的特点，在化学法制浆之前增加预处理段，将半纤维素以聚糖或单糖的形式提取，经过转化加工可生产燃料乙醇、生物柴油和聚合物材料等高附加值的产品。
预处理后的纤维原料制浆后的黑液可生产木素产品，与传统的碱法制浆厂在碱回收将黑液中的有机物直接燃烧相比较，有望获得生物资源综合利用高增值的机会。
使制浆原料中的纤维素、半纤维素和木素等化学组分都能获得更加充分合理的利用[12]。
本课题研究的内容主要包括以下四项：
（1）造纸植物纤维原料的化学成分分析，包括主要成分（纤维素、半纤维素、木素）和次要成分（灰分、有机溶剂抽出物等）的分析。
（2）采用热水预处理的方式对芦苇进行预水解处理，在1:
8的液比下，控制30分钟的升温时间，105分钟的保温时间，170℃的最高温度对芦苇进行预水解。
（3）对预水解后的芦苇半料浆进行硫酸盐法蒸煮，在1:
8的液比下，控制不同的最高温度，保温时间，用碱量和硫化度对预水解后的半料浆进行硫酸盐法蒸煮。
对不同的最高温度，保温时间，用碱量和硫化度的条件下蒸煮的芦苇浆进行综纤维素，α-纤维素，灰分，高锰酸钾值的测量。
（4）通过分析正交实验的结果，确定芦苇的预水解硫酸盐蒸煮制备溶解浆的最佳保温时间，最高温度，用碱量和硫化度。
第二章实验材料和方法
2.1主要试剂
实验所用的试剂见表2.1
表2.1主要试剂及来源
序号
名称
规格
生产厂家
1
苯
分析纯
天津市光复科技发展有限公司
2
95%乙醇
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
3
硫酸
分析纯
辽宁新兴试剂有限公司
4
氢氧化钠
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
5
亚氯酸钠
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
6
冰醋酸
分析纯
天津市光复科技发展有限公司
7
盐酸
分析纯
沈阳新兴试剂厂
8
溴酸钾
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
9
溴化钾
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
10
硫代硫酸钠
分析纯
沈阳市试剂五厂
11
碘化钾
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
12
可溶性淀粉
分析纯
沈阳市新西试剂厂
13
高锰酸钾
分析纯
国药集团化学试剂有限公司
14
硫化钠
分析纯
天津市凯信化学工业有限公司
15
丙酮
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
16
重铬酸钾
分析纯
天津市科密欧化学试剂有限公司
2.2主要仪器与设备
实验所用的仪器见表2.2
表2.2主要仪器及来源
序号
名称
型号
生产厂家
1
电热鼓风干燥箱
101-2AB
天津市泰斯特仪器有限公司
2
电子万用炉
220V，2000W
天津市泰斯特仪器有限公司
3
分析天平
PL203
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
4
水浴恒温震荡器
SHZ-A
上海博迅实业有限公司医疗设备厂
5
浆料脱水机
陕西科技大学机械厂
6
筛浆机
ICS-5000
西北轻工业学院机械厂
7
智能油浴
ZKYY-10L
巩义市予华仪器有限责任公司
8
箱式电阻炉
SX2-5-12
沈阳市节能电炉厂
9
微型植物粉碎机
FZ102
天津市泰斯特仪器有限公司
10
循环水式真空泵
SHZ-D（Ⅲ）
巩义市予华仪器有限责任公司
2.3实验方法
2.3.1实验原料化学组分分析
芦苇经磨粉后，取40～60目筛分级作为试样，装入玻璃瓶密封好，测定水分备用。
原料的分析主要检测了水分、灰分、木素、综纤维素、聚戊糖等指标，具体检测方法如下：
原料水分参照GB/T2677.2-1993的方法测定；
灰分含量参照GB/T2677.3-1993的方法测定；
水抽出物含量参照GB/T2677.4-1993的方法测定；
1%NaOH抽出物含量参照GB/T2677.5-1993的方法测定；
苯醇抽出物含量参照GB/T2677.6-1994的方法测定；
综纤维素含量参照GB/T2677.10-1995的方法测定；
聚戊糖含量参照GB/T2677.9-1994的方法测定；
酸不溶木素含量参照GB/T2677.8-1994的方法测定。
2.3.2对原料的预水解
取绝干量为45g的芦苇置于中型反应罐中，按照液比1:
8加入去离子水，密封后放入油浴蒸煮锅内，按照升温时间30分钟，保温时间105分钟，最高温度170℃进行预水解。
热水预处理反应后的半料浆用水冲洗至不呈酸性为止，然后在小布袋内用离心脱水机甩干后测定水分备用。
2.3.3对半料浆的硫酸盐蒸煮
取绝干量为15g的芦苇预水解半料浆置于小型反应罐中，按照液比1:
8加入去离子水，按照表2.3.3设计的四水平三因素正交实验表在不同的保温时间、最高温度、用碱量和硫化度的条件下进行硫酸盐法蒸煮。
表2.3.3正交实验表
实验组数
保温时间/min
最高温度/℃
用碱量（以NaOH计）
硫化度（以NaOH计）
1
60
150
15
26
2
60
150
20
22
3
60
150
25
18
4
90
160
20
18
5
90
160
25
26
6
90
160
15
22
7
120
170
25
22
8
120
170
15
18
9
120
170
20
26
蒸煮后的浆料用水冲洗至中性后,在布袋内用离心脱水机甩干后测定水分,计算粗浆得率,然后用筛浆机筛选细浆,测定细浆的水分,计算细浆得率。
2.3.3.1浆料各项指标的测定
本实验主要考察了预水解硫酸盐法蒸煮对芦苇的综纤维素含量、α-纤维素、灰分、高锰酸钾值的影响。
检测方法如下：
浆料水分参照GB/T26
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