李軍波 韓卿 陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院 陜西 西安（710021）

麥草氨法預(yù)處理制備化機漿工藝的研究

李軍波 韓卿 陜西科技大學(xué)造紙工程學(xué)院 陜西 西安（710021）

本文研究了尿素-氫氧化鉀法，通過使用尿素和氫氧化鉀對麥草進(jìn)行預(yù)處理，在控制尿素和氫氧化鉀用量、溫度、升溫保溫時間條件下，使麥草化機漿成漿得率達(dá)到65%以上。結(jié)果表明：在尿素用量9%，KOH用量5%，蒸煮溫度160℃、升溫時間60min、保溫時間60min時，得率為66.72%，所抄紙張的環(huán)壓強度指數(shù)9.43N·m/g、裂斷長4..67km、緊度0.53g/cm3，已經(jīng)達(dá)到了瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13023-2008）中A級水平。制漿后的黑液和洗滌液進(jìn)行酸化和苛化處理，分離出沉渣和上層清液，沉渣作為含鉀的有機復(fù)合肥料，上層清液用來重新配制蒸煮液。

麥草化機漿；氨法預(yù)處理；尿素；瓦楞原紙；強度；黑液

尿素是第一個人工合成的有機物，尿素法制漿在我國的研究始于上個世紀(jì)80年代。尿素制漿法是以尿素代替蒸煮過程中使用的化學(xué)藥品的制漿方法[1-2]。尿素法制漿廢液中含氮、磷、鉀等，適合灌溉農(nóng)田，肥效明顯。尿素法制漿污染輕、腐蝕性小、簡單易行[3-5]。

尿素可以用來制漿，其原理主要有三個方面：①尿素的分子結(jié)構(gòu)中含有碳?；鞍被?，并且形成了酰胺的結(jié)構(gòu)，基團(tuán)綜合作用使得分子整體呈現(xiàn)了微堿性，稱之為結(jié)構(gòu)堿性。在蒸煮時，尿素可以與在蒸煮過程中植物纖維氧化產(chǎn)生的有機酸（如草酸）發(fā)生反應(yīng)，起到中和有機酸的作用，促進(jìn)了蒸煮的進(jìn)行，這本身就具備了一定的蒸煮作用[6-7]；②尿素與水共熱，在100℃下發(fā)生水解生成NH3和CO2，對于NH3的脫木素可以理解為兩方面∶其一為在蒸煮溫度和壓力下，氨有一定的軟化作用，它可使木素結(jié)構(gòu)引入親水基羧酸鹽-COONH4，使木素易于溶出；其二為氨與木素反應(yīng)使得在木素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中引入亞氨基，亞氨基的存在使得木素易于潤脹和斷裂；而對于二氧化碳的脫木素機理可以認(rèn)為是它與木素結(jié)構(gòu)反應(yīng)生成了木素羧酸鹽，具有親水性而溶出[8]；③NH3和CO2反應(yīng)可以生成碳酸銨，而尿素可以分解成氰酸，氰酸可以轉(zhuǎn)化成氰尿酸。氰尿酸與木素的醇型羥基反應(yīng)生成異氰酸酯，易溶于水從而達(dá)到脫木素的目的；碳酸銨主要體現(xiàn)為NH4+活力大，能潤脹纖維并置換木素的酚羥基[9-10]。

本文通過對尿素預(yù)處理麥草機理的探討，確定了本實驗的可行性，同時探討了尿素預(yù)處理麥草后對后續(xù)紙張性能（環(huán)壓強度、裂斷長、緊度）的影響，并確定了最佳實驗條件。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

1.1.1 原料及化學(xué)試劑

原料：西安某造紙廠的新鮮麥草；

尿素：重慶川江化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，分析純，含量≥99.0%，其中尿素按GB/T2441-91測定總氮含量，氮含量為33.75%；

氫氧化鉀：重慶川江化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，分析純，含量≥82%。

1.1.2 儀器

蒸煮鍋；PFI磨漿機；洗漿機；德國抄片器；環(huán)壓測定儀；抗張測定儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 麥草氨化預(yù)處理

使用大鍋進(jìn)行蒸煮，每次裝鍋量為90g（絕干）。液比為1：6。蒸煮時，為了確定最佳工藝條件，尿素的用量分別為5%，7%，9%，氫氧化鉀的用量分別為3%，5%，7%，最高溫度分別為 140℃，150℃，160℃，保溫時間控制分別為45min，60min，75min，升溫時間均為60min，做蒸煮正交試驗表。

1.2.2 磨漿

用PFI磨漿機對洗好的麥草漿進(jìn)行機械磨漿，使其打漿度在45°SR左右。然后對其測定水分，測定得率。

1.2.3 抄片

用德國的標(biāo)準(zhǔn)紙頁成型器抄紙，定量為100g/m2。手抄片在物檢前，放到ISO標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕實驗室內(nèi)平衡水分24h以上。

1.3 正交試驗與極差分析

設(shè)計實驗方案如表1所示。選取尿素用量、KOH用量、最高溫度、保溫時間4個因素并分別確定3個水平做正交實驗，采用L9(34)來安排實驗，正交實驗結(jié)果進(jìn)行極差分析。

表1 尿素蒸煮正交試驗因素水平表

正交實驗結(jié)果得到了大量數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行直觀的極差分析，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，如圖1、2、3、4所示。這樣可以較為方便地找出尿素和KOH用量、最高溫度和保溫時間的最優(yōu)值，圖中橫坐標(biāo)的1、2、3表示的是各因素的水平。

圖1 各因素對得率的影響

圖2 各因素對環(huán)壓強度指數(shù)的影響

圖3 各因素對裂斷長的影響

圖4 各因素對緊度的影響

2 結(jié)果與討論

由于所制紙漿用來生產(chǎn)瓦楞原紙，所以最佳工藝條件的選取，重點考慮得率和環(huán)壓強度指數(shù)。本文中對得率、環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度進(jìn)行了測量，結(jié)果分析如下：

（1）當(dāng)尿素用量為9%時，得率、環(huán)壓強度指數(shù)、緊度均為最高值，分別為 60.13%、9.79N·m/g、0.53 g/cm3。而這時的裂斷長為4.98km，雖然不是最高值，但比國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T13023-2008）中A級水平規(guī)定的4.3km要高，達(dá)到了實驗要求；尿素用量若為5%，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度均為最低值；尿素用量若為7%，得率為最低值，僅為57.77%。所以綜合考慮，尿素用量為9%是最佳選擇。

（2）因為本實驗所制漿料是用來生產(chǎn)瓦楞原紙的，所以得率和環(huán)壓強度指數(shù)的指標(biāo)尤為重要。當(dāng)KOH用量為5%時，環(huán)壓強度指數(shù)為9.57 N·m/g，為最高值。而這時的得率雖然不是最高值，但為次高值60.20%，與最高值相差極少，裂斷長和緊度分別為4.76 km和0.5 g/cm3，均達(dá)到了實驗要求；若KOH用量選擇3%，裂斷長和緊度則太低；若KOH用量選擇7%，則得率太低，且KOH用量大，價格昂貴，增加了生產(chǎn)成本。所以綜合考慮，KOH用量為5%是最佳選擇。

（3）當(dāng)保溫時間為60min時，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度都是最高值，分別為 9.97N·m/g、5.57km、0.52 g/cm3，而這時的得率也相對較高，為58.92%，僅次于最高值。所以保溫時間為60min是最佳選擇。

（4）當(dāng)最高溫度為160℃時，得率，裂斷長、緊度均為最高，分別為 60.98%、5.24km、0.54 g/cm3，而這時的環(huán)壓強度指數(shù)為9.16 N·m/g，與最高值9.98 N·m/g相差不多，且達(dá)到實驗要求；最高溫度若選擇140℃，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度均為最低值，分別為7.48 N·m/g、4.11km、0.47 g/cm3，裂斷長和緊度達(dá)不到瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13023-2008）中A級水平；最高溫度若選擇150℃，環(huán)壓強度指數(shù)雖然是最高值，裂斷長和緊度也相對較高，但得率實在太低。所以綜合考慮，最高溫度為160℃是最佳選擇

按照上述分析得出的尿素和KOH蒸煮麥草的工藝條件：尿素用量9%，KOH用量5%，保溫時間60min，最高溫度160℃，做驗證試驗。結(jié)果如表2。

表2 驗證試驗結(jié)果

從驗證試驗的結(jié)果來看，粗漿得率達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，環(huán)壓強度指數(shù)、裂斷長、緊度也都達(dá)到了瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13023-2008）中A級水平，達(dá)到了實驗的要求。

3 制漿黑液的處理

制漿后的黑液和洗滌液相繼進(jìn)行酸化和苛化處理后，分離出沉渣和清液，沉渣可以作為含鉀的有機復(fù)合肥料或其他用途，清液用來重新配制蒸煮液。這樣就能使制漿產(chǎn)生的黑液得以回收，變廢為寶，減少環(huán)境污染。

4 結(jié)論

1)通過正交試驗得出尿素和KOH預(yù)處理麥草的最佳工藝條件是：尿素用量為9%、氫氧化鉀用量為5%、最高溫度160℃、升溫時間60min、保溫時間60min。

2)在上述條件下預(yù)處理麥草，進(jìn)行手抄片。手抄片的環(huán)壓強度指數(shù)為9.43 N·m/g，裂斷長為4.67km，緊度為0.53 g/m3，均達(dá)到了瓦楞原紙國家標(biāo)準(zhǔn)（GB13023-2008）中A級水平。

3)所產(chǎn)生的黑液含氮、磷、鉀等元素，適合灌溉農(nóng)田，肥效明顯，也可以將其制成肥料。降低了工廠處理黑液的成本，又保護(hù)了環(huán)境。

4)尿素法制漿污染輕、腐蝕性小、簡單易行，非常適合工廠的生產(chǎn)。

[1]武書彬.制漿造紙清潔生產(chǎn)新技術(shù) [M].化學(xué)工業(yè)出版社.2003∶1-3.

[2]羅少初,劉景富,霍慶元等.尿素法制漿.中華人們共和國.發(fā)明專利CN87101508A,1987年9月30日

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[9]黃國林,鄒麗霞,陳中勝等.稻草NH4OH-氫氧化鉀蒸煮反應(yīng)歷程和動力學(xué)研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),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