唐艷茹，丁 鵬，于婷婷，張 敏

(長春師范大學化學學院，吉林長春 130032)

電化學催化氧化漂白紙纖維漿

唐艷茹，丁 鵬，于婷婷，張 敏

(長春師范大學化學學院，吉林長春 130032)

紙纖維漿在漂白過程中存在漂白時間長、污染嚴重等缺陷。本文在氧化漂白紙漿基礎上篩選出更環(huán)保的漂白方式——電化學催化氧化法，它以紙纖維為原材料，通過對不同催化劑的篩選，獲得最優(yōu)催化劑，達到生產原料豐富、催化劑能重復生產利用、易處理和副產物少的目的。此方法的技術關鍵是要控制適當的電壓，選擇合適的電解池中的陰陽電極以及適當的氣流量，產生適量雙氧水的濃度來對紙纖維漿進行漂白。實驗證明此方式能使環(huán)境污染能降到最小。

催化氧化；電化學；紙纖維漿；催化劑：漂白

紙纖維漿是用機械方法或化學方法分離植物纖維制成的，而植物纖維的原料由纖維素、半纖維素、木素、淀粉、果膠以及樹脂、丹寧等組成，這些組分除纖維素、半纖維素是白色外，其余均帶有顏色。生產白紙的紙漿需要一定的白度，多數紙漿都需要漂白。漂白的目的是在不破壞或改變纖維素的前提下，除去或改變木質素，提高紙漿的白度。在不使纖維素遭到過分降解的情況下，化學制漿無法使殘余木質素完全除去，而呈深色的未漂紙漿顏色主要由殘余木質素而來，所以需要進行漂白[1]。紙漿漂白在紙漿造紙生產過程中占有重要地位，與紙漿和成紙的質量、料、能量消耗以及對環(huán)境的影響有密切的關系[2]。

圖1 電解池結構示意圖

電化學催化氧化降解酚類化合物是通過產生強氧化性物質實現的。根據產生強氧化性物質的途徑分類，電化學催化氧化可以分為直接氧化與間接氧化[3]。本實驗通過借鑒電化學催化氧化法，以紙纖維作為原材料，通過對不同催化劑的篩選，獲得最優(yōu)良的催化劑，達到生產原料豐富、催化劑能重復進行使用、易進行處理和副產物少、特別是對環(huán)境污染最小的目的。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

直流穩(wěn)壓電源YB1713，接觸調壓器，IrO2-RuO2涂層鈦電極，氣泵，活性炭纖維布[4]，電解池。溶液：3.5%的NaOH，3.0%的Na2SiO4，4.2%的NaClO，H2SO4，NaCO3，0.05%的MgSO4；可溶性淀粉。

1.2 實驗裝置(如圖1所示)

1.3 紙漿預處理

將沒有完全干燥的麥草放入60℃水浴中處理1.5h，然后調節(jié)紙纖維漿的濃度為20%，并且將pH值調節(jié)為8.0～11.0以備用。

1.4 實驗過程

實驗裝置由電解池、直流穩(wěn)壓電源和氣泵這三部分構成。電解池的底部是作為氣體分配室來使用的，空氣由氣體分配室進入到電解池內部，我們通過氣體流量劑來調節(jié)氣流的大小[5]。作為電極的陰極和陽極分別位于電解池的兩端，在實驗正式開始之前，用鹽酸或氫氧化鈉溶液來調節(jié)電解池中水溶液的pH值，然后打開氣閥門。通入空氣20min之后，將電源進行接通，開始進行電解反應。注意要每隔相應的一段時間進行取樣，運用一種分光光度法快速測定電解池中過氧化氫的濃度[6]。在電解的裝置中通過對比試驗及控制變量法，進行電極的選取、氣流大小控制，探究最適宜的實驗條件。

2 分析與討論

2.1 不同電極電解性能

通過實驗分別探究不同陽極電解產生過氧化氫的動力學曲線以及初始電壓對過氧化氫濃度的影響，同時探究氣體流量對生成過氧化氫濃度的影響。通過控制相關原材料的運用及控制變量法的方式分別運用Ti和Ir-Ru/Ti作為陽極[7]，采用ACFC作為陰極，來進行產生過氧化氫的實驗，實驗結果繪制成圖2。隨著電解時間的增加，運用Ir-Ru/Ti作為電極產生過氧化氫的濃度大，所以Ir-Ru/Ti電極作為陽極電解產生過氧化氫的性能優(yōu)于Ti電極，是作陽極的最佳選擇。

圖2 不同電極電解性能曲線

2.2 空氣流量的影響

通過探究空氣流量對生成過氧化氫濃度的影響，制作出相應的圖表(圖3)。在室溫下將電解反應時間控制在90min，空氣流量達到80mL·min-1時，生成的過氧化氫濃度可以達到27.8mg·L-1，比在其它實驗中所制得的過氧化氫濃度提高了將近85.33%，這是一個很適宜做催化漂白實驗的空氣流量值，可以為漂白實驗產生最適宜的過氧化氫濃度，以進行漂白的后續(xù)試驗。

圖3 空氣流量對過氧化氫濃度的影響曲線

據有關資料顯示，電壓的大小對產生過氧化氫的濃度有影響。所以，接下來我們探究產生過氧化氫濃度最適宜的電壓[8]，實驗結果如圖4所示?？梢钥闯鲈谥行缘臈l件下，空氣流量為80mL·min-1、電解反應90min，過氧化氫產生濃度的大小有個最高點。在電壓為20V時，過氧化氫的濃度最高。所以，在做漂白試驗時可以直接將電壓調節(jié)至20V。

2.3 不同電壓電解效果比較

通過上面實驗得出做漂白實驗的最佳條件：以Ir_Ru/Ti電極作為陽極、ACFC為陰極所構成的電解池可以有效地電解產生過氧化氫，且穩(wěn)定性比Ti電極提高許多；在中性及酸性條件下都能有效地產生過氧化氫；提高空氣流量有利于過氧化氫的生成；電解反應的電壓對于過氧化氫的生成有著重要的影響，過高或過低的電壓均不利于過氧化氫的生成。當pH值為中性、不外加化學試劑、空氣流量為80mL·min-1、電壓20V、電解反應90min時，產生的過氧化氫濃度會達到29.5mg·L-1。

圖4 電壓與過氧化氫濃度關系曲線

根據上述的實驗探究得到最適宜的實驗條件，在此條件下進行效果驗證。將事先預處理好備用的紙纖維漿放入電解池內，然后把溶液的pH調節(jié)為中性環(huán)境。不添加化學試劑，首先將工作電壓調節(jié)為20V，空氣流量調節(jié)為80mL·min-1、然后把所有的實驗裝置檢查一遍，在沒有錯誤的情況下，打開開關，電解反應為1.5h，實驗對紙纖維的漂白過程就是在反應制成雙氧水的過程中進行著[9]。當反應時間到達1.5h時，在紙纖維漿中加入0.05%的MgSO4和3.0%的Na2SiO4將它們攪拌均勻，然后使用功率為240W的微波輻射2.5min；在靜置的情況下進行微波輻射之后,將H2O2漂白處理后的紙漿濃度調節(jié)為10%，然后加入3.5%的NaOH溶液，使pH值調節(jié)為8.0～11.0，最后加入10ml 4.2%的NaClO，再使用功率為240W的微波輻射5.0min后得到產物漂白紙漿[10]，此紙漿符合生產要求。

3 結論

整個電化學催化氧化漂白紙纖維漿的實驗分為兩個步驟。首先探究漂白紙纖維漿的適宜實驗條件，如工作電壓、空氣流量以及不同電極等，然后在找到合適的實驗條件的基礎上，在電解產生過氧化氫的同時對纖維漿進行漂白。整個實驗的過程不僅操作簡單、時間短，原材料豐富、副產物易處理，對環(huán)境的污染很小。目前實驗研究熱點主要致力于對環(huán)境的保護，所以這種漂白纖維漿的方法很有效。

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[6]張倩,付時雨，李海龍,等.一種快速測定過氧化氫濃度的方法[J].光譜學與光譜分析,2014,34(3):767-769.

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2014-08-28

吉林省教育廳科研計劃項目(吉教科合字[2005]第165號)。

唐艷茹(1962- )，女，吉林長春人，長春師范大學化學學院高級實驗師，碩士，從事應用化學研究。

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2095-7602(2014)06-0068-03