氫氧化鎂作堿源在桉木低溫漂浮中的應用

本文探討了氫氧化鎂代替氫氧化鈉作為桉木漂白化學熱砂（bcpmp）的缺點。所研究的工藝參數包括過氧化氫、堿和硅酸鹽的用量以及反應溫度和漂白時間。結果表明:在中漿濃體系下,過氧化氫用量一定時,應用氫氧化鎂作堿源,漂后漿的白度比應用傳統氫氧化鈉的明顯下降,盡管增加漂白時間和溫度會顯著縮小該差異;在高漿濃體系中,應用氫氧化鎂作堿源,提高漂白溫度和延長時間可以使漂后漿的白度顯著增加,當過氧化氫用量分別為2.5%、4.0%和6.2%時,漂后漿的白度分別為76.9%ISO、80.8%ISO和83.2%ISO。這表明在過氧化氫用量相同并最佳用量條件下,氫氧化鎂作堿源的漂后漿的白度與傳統氫氧化鈉作堿源時相近;當漂后漿的白度相同時,與采用氫氧化鈉作為堿源相比,氫氧化鎂為堿源的漂白工藝產生的陰離子垃圾和COD顯著降低,得率增加。傳統過氧化氫漂白工藝通常采用氫氧化鈉為堿源。強堿會導致木素和半纖維素大量溶出,使得紙漿得率下降,并增加廢水的COD負荷。此外,造紙過程中的高堿度會導致后續工段形成大量陰離子垃圾,干擾所使用的化學品的效用,從而增加化學品的用量,增加生產成本,降低產品質量。采用弱堿,如氫氧化鎂或許能改善這個狀況。本文對采用氫氧化鎂為堿源的桉木CTMP過氧化氫漂白與采用傳統的氫氧化鈉為堿源的桉木CTMP過氧化氫漂白的效果進行了比較。實驗以白度為指標,分別研究2種漂白體系,即中漿濃(MC)和高漿濃(HC)體系,過氧化氫用量、堿用量、過氧化氫穩定劑、反應溫度和漂白時間等工藝參數的影響。1實驗1.1原材料桉木CTMP,白度為36.5%ISO,漿料已經過二段磨,但還未進行螯合處理,于冷庫中貯藏;硅酸鈉,40%;氫氧化鎂,61%。1.2陽離子牛毛混染液paptac的制備在漿濃3%、pH=6.0、溫度70℃下,漂白30min,采用0.2%的二亞乙基三胺五乙酸(DTPA)對漿料進行螯合處理。然后將紙漿于200目的布氏漏斗上過濾,并使其漿濃為25%。回收濾液,在纖維層收集細小纖維。在吸墨紙上對漿料進行壓榨,使其漿濃達35%。在塑料袋中進行過氧化氫漂白實驗。化學品按以下順序加入燒杯并混勻:w(H2O2)=2.5%~8.0%,w(NaOH)=1.5%~6.0%或w[Mg(OH)2]=0.5%~3.0%,w[硅酸鹽(水玻璃)]=0%~2.6%,w[MgSO4·7H2O(瀉鹽)]=0%~0.13%,并在16%(MC)或30%(HC)漿濃、70~90℃的條件下反應2~6h。將漂液倒入漿料中,采用揉捏方式使其混合均勻。將塑料袋密封,在設定溫度下于水浴鍋中保溫。達到漂白時間后,將漿料冷卻降至室溫,用蒸餾水稀釋至1%~2%漿濃。然后將紙漿于200目的布氏漏斗上過濾。回收濾液,在纖維層收集細小纖維。濾液進一步經中速濾紙濾去殘余細小纖維,測定濾液終點pH、電導率和殘余過氧化氫量,按照PAPTAC標準方法(J.16P和H.3)測定COD,并采用滴定儀測定陽離子需求量(陰離子垃圾)。用蒸餾水將漿料(約25%濃度)稀釋到2%漿濃,使用亞硫酸水溶液將pH調整到5.0。然后抄片,根據TAPPI標準方法(T205sp-95和T220sp-96)測定手抄片的光學性能。2結果與討論2.1堿預處理條件下的桉木ctmp的色整表1列出了分別采用氫氧化鈉和氫氧化鎂為堿源的桉木CTMP過氧化氫漂白工藝參數[漂白條件為:w(硅酸鹽)=2.6%,w(硫酸鎂)=0.13%(氫氧化鈉為堿源時),漿濃為16%;氫氧化鈉為堿源時的溫度為80℃,時間為2h;氫氧化鎂為堿源時溫度為90℃、時間為6h]。由表1可看出,過氧化氫用量相同時,紙漿白度隨著用堿量的增加先提高,然后趨于平緩或略有下降。在最佳用堿量條件下,當過氧化氫用量分別為2.5%、4.0%和6.2%時,紙漿白度最高可分別達到75.6%ISO、81.1%ISO和83.8%ISO。然而,采用氫氧化鎂為堿源,紙漿白度明顯降低。表1表明,氫氧化鎂用量對紙漿白度無明顯作用,在3種過氧化氫用量下,紙漿最大白度僅分別為67.4%ISO、72.3%ISO和75.4%ISO。采用氫氧化鈉和氫氧化鎂為堿源會導致如此大的白度差異是意想不到的。另一些研究表明,與采用氫氧化鈉為堿源的機械漿(TMP、CTMP、PGW和SW)過氧化氫漂白相比,氫氧化鎂漂后漿白度相同或略有下降(約1%~2%ISO)。這可能是由于紙漿的性能不同,如木素的發色基團結構以及它與過氧化氫的反應。從表1中的殘余過氧化氫量可以看出,采用氫氧化鈉為堿源時,隨著氫氧化鈉用量增加,過氧化氫消耗量顯著增加。相反地,采用氫氧化鎂為堿源時,過氧化氫消耗量受氫氧化鎂用量的影響不明顯,而且漂后殘余過氧化氫量超過50%。因此,采用氫氧化鎂為堿源的桉木CTMP漂白漿的白度較低并不是由過氧化氫用量所引起。該制漿過程中木素發色基團的較低反應程度可能是導致白度不高的原因。較強的反應條件,如較高的化學品用量、較高的溫度和較長的漂白時間均可能會提高白度。圖1為采用氫氧化鎂為堿源的桉木CTMP和楓木CTMP過氧化氫漂白后白度比較[其他漂白條件:w(硅酸鹽)=2.6%,漿濃16%,溫度為80℃及時間為3h]。由圖1可見,在氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂白中,桉木CTMP比楓木CTMP的白度更低,尤其是化學品用量較低時。圖2將氫氧化鈉為堿源的桉木CTMP和楓木CTMP白度進行了比較。由圖2可見,桉木漿達到最大白度時,堿用量較低。這種差異可能是由CTMP工藝過程中化學處理條件的不同所導致,如浸漬木片時的不同氫氧化鈉量,半纖維素中乙酰基團的不同水解程度。桉木CTMP工藝可能在制漿過程中采用強堿處理,失去了大部分乙酰基團,這就解釋了該過氧化氫漂白中的用堿量較低的原因。未漂桉木CTMP的初始白度較楓木CTMP的低(桉木:36.5%ISO,楓木:45.8%ISO)。為了驗證這一假設,對針葉木TMP進行堿性預處理,模擬CTMP工藝條件,然后分別采用氫氧化鈉和氫氧化鎂為堿源進行過氧化氫漂白。如表2所示[其他漂白條件為:w(H2O2)/%=2.7%,w(硅酸鹽)=0.07%(氫氧化鈉為堿源時),漿濃為11%,溫度為70℃、時間為2h;堿預處理條件:w(NaOH)=2%,漿濃為5%,溫度為95℃、時間為60min]。由表2可見,未經堿預處理的2種漂白工藝白度基本相同。然而,經堿預處理后,采用氫氧化鎂為堿源的工藝比采用氫氧化鈉的漿白度低5%~7%ISO。因此盡管殘余過氧化氫非常高,但在堿預處理中產生的發色基團幾乎不參與氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂白。表3為中漿濃條件下漂白的時間和溫度對氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂白的影響[其他漂白條件為:w(硅酸鹽)=2.6%,漿濃為16%,溫度為80℃]。由表3可見,較高的反應溫度和較長的漂白時間顯著提高了氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂白漿的白度。上述的研究結果證實,采用氫氧化鎂為堿源的漂白工藝具有許多優勢。如表1所示,采用氫氧化鎂為堿源的漂白濾液電導率大大低于氫氧化鈉為堿源的漂白濾液。在氫氧化鈉為堿源的工藝中,濾液導電性主要受用堿量的影響,而在氫氧化鎂為堿源的漂白濾液導電性主要受過氧化氫用量的影響。氫氧化鎂代替氫氧化鈉用于桉木CTMP過氧化氫漂白工藝大大減少了陰離子垃圾的形成。值得一提的是,采用氫氧化鈉為堿源的工藝,陰離子垃圾的產生不取決于過氧化氫用量,而是在氫氧化鈉用量為1.5%~4.0%范圍內,隨著用堿量的增加而直線增加,在用堿量較高時趨于平緩。然而,在氫氧化鎂為堿源的工藝中,陰離子垃圾的形成持續降低,且不受過氧化氫和用堿量的影響。2.2高漿濃條件下的活性成分表現高漿濃下的最優漂白條件與中漿濃體系的最優條件不同。例如,對于氫氧化鈉為堿源的工藝,3h的漂白時間過長,見圖3;其他漂白條件:漿濃為30%,w(硅酸鹽)=2.6%,w(硫酸鎂)=0.13%,溫度為80℃。當過氧化氫耗盡后,可能導致堿性發黑。但在高漿濃下,采用氫氧化鎂為堿源的工藝,較高的溫度和較長的漂白時間可使白度進一步提高,見圖4;其他漂白條件:漿濃為30%,w(硅酸鹽)=2.6%,w(硫酸鎂)=0.13%。表4和表5分別顯示了在高漿濃條件下采用氫氧化鈉和氫氧化鎂為堿源的漂白工藝中,過氧化氫穩定劑(硅酸鹽和DTPA)對漂白效果的影響[漂白條件:表4中w(H2O2)=4%,溫度為80℃,時間為2h;表5中w(H2O2)=4%,w[Mg(OH)2]=1%,溫度為90℃,時間為6h]。由表4和表5可見,在2種工藝中硅酸鹽用量從2.6%減少到1%對白度無顯著影響,但DTPA則不同。表6列出了高漿濃下分別采用氫氧化鈉和氫氧化鎂為堿源的桉木CTMP過氧化氫漂白工藝參數,其中高漿濃的用堿量較中漿濃的低。如表6所示,相同過氧化氫用量下,氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂后的紙漿白度僅比用氫氧化鈉為堿源的低約2%ISO。由此可見,高漿濃顯著改善了氫氧化鎂為堿源的漂后紙漿的白度。由表6還可以看出,相同白度下,以氫氧化鎂為堿源的工藝可使COD降低40%~50%,且漂后漿的得率顯著提高。依據表6中的數據繪制紙漿得率損失與白度關系圖(見圖5),可以清楚地看到當白度一定時,氫氧化鎂為堿源漂白的紙漿得率較氫氧化鈉為堿源的高。圖6比較了這2種工藝中漂白廢水的COD負荷。在相同白度下,采用氫氧化鎂為堿源的工藝較氫氧化鈉的COD含量低。圖7為高漿濃條件下2種工藝的紙漿得率損失與COD的關系(數據來自表6)。由圖7可以看出,紙漿得率損失和漂白廢水中的COD具有單一線性關系,這表明以氫氧化鎂為堿源的工藝有著較高得率的原因是纖維中有機物溶出較少,而不是氫氧化鎂或鎂鹽吸附于纖維上。圖8為高漿濃條件下2種工藝漂白廢水中溶出物的固含量(漂白條件同表6)。圖8表明在以氫氧化鎂為堿源的工藝中,漂白廢水約含40%~60%的溶解固體物質。這可能是由于它的用堿量較低,有機物溶出較少。溶出物固含量較低往往導致廢水電導率較低。圖9為高漿濃條件下2種工藝漂白廢水的電導率(漂白條件同表5)。由圖9可看出,以氫氧化鎂為堿源的漂白工藝廢水的電導率比用氫氧化鈉為堿源的低。眾所周知,陰離子垃圾產生于機械漿的過氧化氫漂白過程中,它對造紙工段有著不利影響。由表6可知,在同一白度下,采用氫氧化鎂為堿源的工藝與氫氧化鈉為堿源的工藝相比,陰離子垃圾減少60%~80%。氫氧化鎂為堿源漂白過程中帶負電荷的半纖維素(pH為4.5)溶出較少,并且不隨紙漿得率損失而增加。同樣地,表6還表明氫氧化鎂為堿源的陰離子垃圾中木素和抽出物含量在不斷下降。雖然高漿濃條件下桉木CTMP氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂漿的白度與氫氧化鈉為堿源的相近,但為達到85%ISO的白度,以氫氧化鎂為堿源的過氧化氫用量需要從6.2%增加到8.0%,或者添加熒光增白劑(FWA)或光學增白劑(OBA)。表7為熒光增白劑對氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂白的影響;其他漂白條件:w(H2O2)=6.2%,w[Mg(OH)2]=1.5%,w(硅酸鹽)=2.6%,漿濃為30%,溫度為90℃,時間為6h。如表7所示,使用熒光增白劑能有效提高漂白漿的光學性能。添加0.4%的FWA,白度可以從83.2%ISO提高至87.2%ISO,CIE白度由59.0%增加至71.5%。3氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂后漿色度(1)中漿濃條件下,過氧化氫用量一定時,氫氧化鎂為堿源的過氧化氫漂白紙漿的白度比傳統氫氧化鈉為堿源的明顯下降,但是前者增加漂白時間和溫度會顯著縮小該差異。較高的漂白溫度和較長的反應時間可以使氫氧化鎂為堿源的紙漿白度顯著提高。當過氧化氫用量分別為2.5%、4.0%和6.2%時,漂后漿的白度分別為76.9%ISO、80.8%ISO和83.2%ISO。增加過氧化氫用量或添加熒光增白劑(FWA)可以使白度達到85%ISO甚至更高。在氫氧化鎂為堿