張金超 吳朝軍 于冬梅

摘 要：預(yù)水解是基于硫酸鹽法生產(chǎn)溶解漿過(guò)程中的關(guān)鍵一步，主要目的是在原料進(jìn)行制漿之前盡可能多地從植物纖維原料中去除半纖維素。本研究探索了預(yù)水解段添加磷酸對(duì)竹柳原料中組分含量的影響。結(jié)果表明，在竹柳預(yù)水解段添加磷酸和增大液比、增加保溫時(shí)間均有助于竹柳原料中聚戊糖的脫除，但不利于α纖維素的保留；當(dāng)磷酸用量為3%（相對(duì)于絕干原料），保溫時(shí)間為60 min時(shí)，液比為6∶1時(shí)，預(yù)水解后竹柳中聚戊糖去除率為71.8%，α纖維素含保留率為93.4%。

關(guān)鍵詞：竹柳；預(yù)水解；磷酸；聚戊糖

中圖分類號(hào)：TS743+.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.04.006

Abstract：Prehydrolysis is a critical step in the production of dissolving pulp from the kraft process， and its main purpose is to hydrolyze the hemicelluloses as much as possible from cellulose fibers before subsequent pulping. In this paper， the effects of addition of phosphoric acid in the prehydrolysis process on the main component contents of bamboowillow were explored. The result showed that with the addition of phosphoric acid in the prehydrolysis process of bamboowillow and increasing the time at max temperature could help the removal of pentosan， but this was not conducive to the retention of αcellulose. When the phosphoric acid dosage was 3% （based on oven dried bamboowillow）， the max temperature was 165℃， the time at max temperature was 60 min， the pentosan content in the prehydrolyzed bamboowillow was gradually decreasing， the αcellulose content obviously increased as the liquidtowood ratio was 6∶1.

Key words：bamboowillow； prehydrolysis； phosphoric acid； pentosan

竹柳（楊柳科，柳屬）是美國(guó)加州農(nóng)業(yè)大學(xué)與美國(guó)幾家大型造紙企業(yè)及種苗公司聯(lián)合研究的新品種，是利用美國(guó)寒柳、朝鮮柳、筐柳、毛竹等基因多元組合雜交選育而成的樹種。我國(guó)于2008年年底從美國(guó)引進(jìn)該樹種，經(jīng)過(guò)多次的選優(yōu)選育及馴化，其形態(tài)、側(cè)枝，密植性與竹子相似，故取名為竹柳。竹柳具有生長(zhǎng)快速、抗性高（耐寒、耐鹽、抗旱、防澇、抗病等）、材質(zhì)好、天然白度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。因其具有顯著的快速生長(zhǎng)特性和較高的經(jīng)濟(jì)效益，因此，受到諸多造紙工作者和造紙研究者的關(guān)注。

作為制漿木材，竹柳纖維柔軟使其原料損耗和用堿量降低，制漿所需溫度低，壓力小，從而降低了生產(chǎn)成本[2]。表1為幾種原料化學(xué)組分含量的對(duì)比。從表1可以看出，竹柳（1.5年生）的綜纖維素含量與巨尾桉相當(dāng)，但木素含量遠(yuǎn)低于巨尾桉，表明竹柳的材性優(yōu)于巨尾桉。由此可見，竹柳作為一種新型速生纖維資源，可以用于緩解制漿造紙行業(yè)原料短缺的現(xiàn)狀。另外，苗婷婷等人[4]研究表明3年生竹柳的各項(xiàng)指標(biāo)均符合造紙?jiān)弦?，且纖維長(zhǎng)度、寬度分布均比較均勻。此外，竹柳的α纖維素含量與闊葉木接近，因此是生產(chǎn)溶解漿的潛在原料。

半纖維素的脫除常采用預(yù)處理或者后處理的方式。預(yù)處理的方式包括用水[5]、稀酸[6]、蒸汽[7]、堿[8]、有機(jī)酸[9]及固體酸（如磺化的水鋁英石，Sulfonatedallophane， ApPS）[10]等對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。其中，水和蒸汽預(yù)處理也稱為“自催化水解，autohydrolysis”。段超等人[11]對(duì)6年生楊木進(jìn)行熱水預(yù)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后木片的得率和白度隨之下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。水和稀酸預(yù)處理是常用的處理方式。硫酸和鹽酸是常用的酸水解助劑，雖然酸處理對(duì)原料半纖維素的脫除率較高，但是對(duì)設(shè)備的腐蝕較為嚴(yán)重，而且在條件較激烈時(shí)，纖維素也會(huì)發(fā)生降解[12]。Mosier等人13]研究表明，稀酸預(yù)處理、熱水提取、蒸汽爆破提取和稀酸蒸汽爆破都比堿提取對(duì)半纖維素的去除有效。Ai等人[14]也研究表明酸預(yù)處理對(duì)半纖維素的去除比堿處理效果好。Pitarelo等人[15]在研究用稀磷酸作為甘蔗渣蒸汽預(yù)處理的酸催化劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)稀磷酸對(duì)半纖維素水解的選擇性較好。到目前為止，還沒有用磷酸作為酸催化劑對(duì)竹柳進(jìn)行預(yù)水解來(lái)生產(chǎn)溶解漿的相關(guān)報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)主要研究預(yù)水解過(guò)程中添加磷酸，探索了磷酸用量、液比和保溫時(shí)間對(duì)竹柳主要化學(xué)組分含量的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

竹柳由新疆天山竹柳林業(yè)中心提供，為2.5年生。竹柳木片的尺寸規(guī)格：長(zhǎng)度15～20 mm、寬度10～20 mm、厚度3～5 mm。取一部分竹柳木片進(jìn)行水分測(cè)定，進(jìn)行后續(xù)預(yù)水解實(shí)驗(yàn)。

1.2 原料化學(xué)成分分析

將一部分尺寸合格的竹柳木片用植物粉碎機(jī)粉碎成粉末，篩選能過(guò)40目但不能過(guò)60目的木粉，裝入密封袋中，平衡水分后供原料化學(xué)成分分析。

原料化學(xué)成分分析：綜纖維素（測(cè)定參見GB/T2677.10—1995）、α纖維素（測(cè)定參見GB/T744—1989）、聚戊糖（測(cè)定參見GB/T2677.9—1994，四溴化法）、酸不溶木素（測(cè)定參見GB/T2677.8—1994）、酸溶木素（測(cè)定參見GB/T10337—1989）和苯醇抽出物（測(cè)定參見GB/T2677.6—1994）。

1.3 預(yù)水解

預(yù)水解在1L的電熱蒸煮鍋中進(jìn)行，取80 g絕干竹柳木片，預(yù)水解最高溫度為165℃，從室溫開始以12 °C/ 5 min的升溫速率升溫，升溫時(shí)間為60 min。磷酸預(yù)水解工藝條件：液比6∶1，保溫時(shí)間60 min，磷酸用量分別為1%、3%和5%；不同液比的預(yù)水解工藝條件：液比分別為4∶1、6∶1、8∶1和10∶1，磷酸用量為3%，保溫時(shí)間為40 min；不同保溫時(shí)間的預(yù)水解工藝條件：液比為6∶1，磷酸用量為3%，保溫時(shí)間分別為20、40、60和80 min。

1.4 預(yù)水解后竹柳化學(xué)成分測(cè)定

預(yù)水解后，用3倍于液比的去離子水清洗木片30 min，然后將預(yù)水解的木片風(fēng)干用于測(cè)定得率。綜纖維素、α纖維素、聚戊糖、酸不溶木素和酸溶木素含量的測(cè)定參照1.2中原料化學(xué)成分分析的方法。其中，α纖維素和綜纖維素含量的測(cè)定不用經(jīng)過(guò)苯醇抽提，因?yàn)楸酱紩?huì)抽提出大量的有機(jī)物[16-17]，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生偏差。

綜纖維素保留率的計(jì)算和α纖維素保留率的計(jì)算相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹柳原料化學(xué)成分

竹柳以及幾種竹子的化學(xué)組分含量見表2，從表2可知，竹柳的酸不溶木素含量高于酸溶木素含量。竹柳的聚戊糖含量比一般竹子高，說(shuō)明在生產(chǎn)溶解漿時(shí)，對(duì)竹柳進(jìn)行預(yù)水解處理以去除半纖維素至關(guān)重要。竹柳的木素含量低于一般竹子。

2.2 磷酸用量對(duì)預(yù)水解后竹柳化學(xué)組分含量的影響

磷酸用量對(duì)預(yù)水解后竹柳化學(xué)組分含量的影響（以竹柳原料為基準(zhǔn)）見表3。從表3可知，隨著磷酸的加入，預(yù)水解階段的得率明顯降低，主要是因?yàn)殡S著磷酸用量增大，預(yù)水解液的酸性增加，使得大量半纖維素和少量木素降解并溶出。在液比為6∶1，保溫時(shí)間為60 min時(shí)，磷酸用量增加到5%，預(yù)水解后竹柳的聚戊糖含量從13.9%降至7.2%，主要原因是半纖維素的降解和溶出隨著磷酸用量的增加而增加，而α纖維素含量從39.3%降到32.6%?？紤]到磷酸用量為3%時(shí)，α纖維素含量相對(duì)較高，聚戊糖含量相對(duì)較低，因此，磷酸最佳用量為3%；從表3還可看出，磷酸用量為3%時(shí)，預(yù)水解后竹柳的總木素含量最低。雖然大部分木素在后期生產(chǎn)竹柳溶解漿過(guò)程中的蒸煮和漂白階段被除去，但是，預(yù)水解后木片顏色會(huì)變深，這是因?yàn)樵陬A(yù)水解過(guò)程中，木素發(fā)生高度縮合，增加蒸煮和漂白的難度與成本[20]。

磷酸用量對(duì)竹柳化學(xué)成分去除率和保留率的影響見表4。從表3和表4可以看出，在液比為6∶1，保溫時(shí)間為60 min時(shí)，隨著磷酸用量的增加，預(yù)水解段得率和預(yù)水解后竹柳中聚戊糖含量逐漸減少，導(dǎo)致聚戊糖的去除率逐漸增加，聚戊糖去除率越高說(shuō)明竹柳原料中半纖維素的脫除越多。從表4可以看出，磷酸用量增加到5%，聚戊糖去除率逐漸從49.7%增加到74.1%，綜纖維素保留率明顯減少，α纖維素保留率逐漸從95.9%減少到79.4%，造成這些現(xiàn)象的主要原因是，隨著磷酸用量的增加，預(yù)水解液酸性增加，半纖維素的降解和溶出增加，所以聚戊糖去除率不斷增加，但也因?yàn)轭A(yù)水解液酸性的增加，導(dǎo)致纖維素發(fā)生一定程度上的降解[21]，所以α纖維素保留率在不斷減少。此外，酸不溶木素和酸溶木素的去除率在磷酸用量為3%時(shí)最高（分別為20.9%和82.1%），這也證明3%為理想的磷酸用量。以上結(jié)果表明，在竹柳預(yù)水解段添加磷酸能夠明顯去除竹柳中的聚戊糖和木素，但不利于α纖維素的保留。

2.3 液比對(duì)預(yù)水解后竹柳化學(xué)組分含量的影響

預(yù)水解液比對(duì)竹柳化學(xué)組分含量的影響（以竹柳原料為基準(zhǔn)）見表5。從表5可知，磷酸用量為3%，保溫時(shí)間為40 min時(shí)，預(yù)水解液比從4∶1增加到10∶1，預(yù)水解后竹柳的得率先逐漸減少，然后稍有增加，稍有增加的原因可能是，液比過(guò)高導(dǎo)致預(yù)水解液酸性降低，降低了預(yù)水解的反應(yīng)效果[23]，所以，半纖維素的脫除減弱，導(dǎo)致得率稍有增加。預(yù)水解液比從4∶1增加到10∶1導(dǎo)致了預(yù)水解后竹柳中聚戊糖含量從15.5%減少到9.3%，其原因是在一定液比范圍內(nèi)，增大液比可提高反應(yīng)物的有效性，有利于水解反應(yīng)的進(jìn)行[22]，因此利于半纖維素的脫除。預(yù)水解液比從4∶1增加到10∶1，預(yù)水解后竹柳的綜纖維素和α纖維素含量逐漸增加，然后開始稍有減少。造成這種現(xiàn)象的原因是，開始隨著液比的增加，半纖維素的脫除增加，導(dǎo)致竹柳中α纖維素所占比例增加，然后，液比增加到8∶1時(shí)，液比過(guò)高導(dǎo)致預(yù)水解液酸性降低，影響預(yù)水解反應(yīng)效果，半纖維素脫除減緩，因此，α纖維素含量開始稍有減少。

預(yù)水解液比對(duì)竹柳化學(xué)成分去除率和保留率的影響見表6。從表5和表6可以看出，磷酸用量為3%，保溫時(shí)間為40 min時(shí)，隨著液比的增加，預(yù)水解得率和預(yù)水解后竹柳中聚戊糖含量較低，導(dǎo)致聚戊糖去除率較高。從表6可知，預(yù)水解液比從4∶1增加到10∶1，聚戊糖去除率逐漸從43.8%增加到66.3%，這說(shuō)明增加預(yù)水解液比有利于半纖維素的脫除。磷酸預(yù)水解液比從4∶1增加到6∶1，α纖維素保留率從98.0%減少到91.5%，然后隨著液比從6∶1增加到10∶1，α纖維素保留率漸逐從91.5%增加到93.1%。造成以上現(xiàn)象的主要原因是，液比為4∶1時(shí)，預(yù)水解液酸性較高，導(dǎo)致竹柳中大量的半纖維素被脫除，因此，竹柳中α纖維素所占比例大幅增加，液比從6∶1增加到10∶1，預(yù)水解液酸性降低，預(yù)水解強(qiáng)度降低，但是液比的增加仍然會(huì)提高反應(yīng)物的有效性，有利于預(yù)水解的進(jìn)行，在這種雙重效果下，α纖維素保留率在緩慢增加。此外，綜纖維素保留率和α纖維素保留率在液比為6∶1時(shí)最低（分別為59.2%和91.5%）。

2.4 保溫時(shí)間對(duì)預(yù)水解后竹柳化學(xué)組分含量的影響

預(yù)水解保溫時(shí)間對(duì)竹柳化學(xué)組分含量的影響（以竹柳原料為基準(zhǔn)）見表7。從表7可知，在液比為6∶1，磷酸用量為3%時(shí)，保溫時(shí)間從20 min增加到60 min，得率逐漸降低，60 min后得率開始增加。這主要是因?yàn)轭A(yù)水解開始，半纖維素和木素的溶解和溶出，然后隨著保溫時(shí)間的增加又發(fā)生了木素或LCC的沉淀和吸附到竹柳木片上[22]，導(dǎo)致得率增加。隨著預(yù)水解保溫時(shí)間的增加，α纖維素含量變化不大，這主要是因?yàn)?，隨著預(yù)水解保溫時(shí)間的增加，纖維素在酸性條件下發(fā)生一定程度的酸水解降解反應(yīng)[21]，導(dǎo)致α纖維素含量的降低，保溫時(shí)間60 min時(shí)除外，60 min時(shí)α纖維素含量突然升高，這是因?yàn)楸貢r(shí)間為60 min時(shí)，聚戊糖含量很低，此時(shí)半纖維素含量很低，導(dǎo)致纖維素所占比例突然升高。當(dāng)保溫時(shí)間為60 min時(shí)，預(yù)水解后竹柳的α纖維素含量相對(duì)較高（38.3%），聚戊糖含量為最低（7.8%）。考慮到較高的α纖維素含量和最低的聚戊糖含量，最佳的竹柳磷酸預(yù)水解保溫時(shí)間為60 min。

保溫時(shí)間對(duì)竹柳化學(xué)成分去除率和保留率的影響見表8。從表7和表8可以看出，在液比6∶1，磷酸用量3%，保溫時(shí)間60 min時(shí)，預(yù)水解得率和聚戊糖含量最低，聚戊糖去除率最高。從表8可以看出，保溫時(shí)間從20 min增加到60 min，聚戊糖去除率逐漸從54.7%增加到71.8%，然后隨著保溫時(shí)間從60 min增加到80 min，聚戊糖去除率從71.8%減少到61.8%，主要原因是，預(yù)水解前60 min，半纖維素快速降解并溶出，水解時(shí)間超過(guò)60 min后，半纖維素溶解變得緩慢，而水解液中酚型木素又和糠醛發(fā)生聚合反應(yīng)[20]，生成黏狀物質(zhì)吸附到木片表面，這不利于半纖維素的脫除，說(shuō)明水解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)并不利于半纖維素的去除。此外，保溫時(shí)間從20 min增加到80 min，酸溶木素和總木素的去除率在逐漸增加，α纖維素保留率降低。這些結(jié)果表明，竹柳磷酸預(yù)水解段增加保溫時(shí)間有助于去除竹柳原料中的聚戊糖和木素，但不利于原料中α纖維素的保留。

3 結(jié) 論

以竹柳為原料，在其預(yù)水解段添加磷酸，研究了磷酸用量、預(yù)水解液比、保溫時(shí)間對(duì)預(yù)水解后竹柳化學(xué)組分含量的影響。

3.1 隨著磷酸用量的增加，預(yù)水解后竹柳中聚戊糖含量明顯減少，α纖維素含量逐漸減少。

3.2 預(yù)水解液比從4∶1增加到10∶1，預(yù)水解后竹柳中聚戊糖含量明顯減少，α纖維素含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，但變化不大。

3.3 隨著保溫時(shí)間的增加，預(yù)水解后竹柳中聚戊糖含量和α纖維素含量都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，變化也不大。

3.4 在竹柳預(yù)水解段添加磷酸，磷酸用量3%，液比6∶1，保溫時(shí)間60 min，聚戊糖去除率為71.8%，α纖維素保留率為93.4%。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）