稻草浆蒸煮同步除硅降低黑液黏度技术1)

崔恩亮 苏文强

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

1 材料与方法

原料准备:将原稻草人工剪断成25～35 mm草片，充分搅拌混合后，利用自然风进行草片风选分级，自低密度部分起，除去风选总量的12%作为备料轻杂质损失，再将剩余草片经18目筛筛除重杂质及谷粒，合格草片充分混匀，平衡水分后装袋备用。

蒸煮工艺条件:最高温度160℃，用碱量9%，蒸煮助剂 LPA130 0.015%，LCP894 0.01%，升温时间70 min，保温时间 10 min，液比 1 ∶3.5。

药品:氢氧化钠、氧化铝、氧化镁、氧化钙皆为天津科密欧公司生产，分析纯。蒸煮助剂 LPA130、LCP894为工厂提供使用。

仪器设备及主要参数:蒸煮器型号——西北轻工业学院机械厂生产ZQS1型3L电热蒸煮锅。模拟高浓挤压提取装置及操作过程——模拟高浓挤压提取装置结构见图1。挤压装置为自制，由开口收集筒、圆周外壁和底部都分布有直径为3 mm排液孔的过滤筒及活塞外径比过滤筒内径小0.5 mm的挤压活塞组成。模拟挤压时，用直径比过滤筒内径稍大的80目尼龙网袋承装被挤压浆料，置于过滤筒中，装入挤压活塞，再将过滤筒装入收集筒，将整套装置放置在压力机平台上，利用压力机压头推动活塞完成挤压。用量筒收集从排液阀门中流出的黑液。压力机——为东大人造板机械制造有限公司生产的50 t试验预压机，压头油缸直径20 cm;挤压装置活塞直径8.1 cm，压力放大比6.096 6。挤压过程以恒温恒压为标准。挤压前预先给定压力机压力，启动压力机压头推动活塞工作，在达到给定压力后维持给定压力2 min，完成挤压操作。挤压开始温度(73±5)℃，挤压全程时间小于5 min。转子黏度计:NDJ－8S数字显示黏度计，上海精密科学仪器有限公司生产。

图1 模拟高浓挤压提取装置

XPS黑液硅质量分数检测及运行参数:测试设备——美国 Thermo Fisher Scientific Co.，Ltd 生产KAlpha型X射线光电子能谱仪(XPS)。样品室气压为5×10－7Pa，能量分析器采用固定透过能方式，仪器采用单色化Al ka射线(1 486.6 eV)激发，X射线源功率为100 W，真空度为 1.0×10－7Pa，扫描束班为400 μm，步长分别为1 eV和0.1 eV。扫描范围为0～1 100 eV。对分析结果利用高斯函数和洛仑兹函数进行数值拟合。测试样品为3 μm×3 μm;照射强度为1 486 eV;测试对象为除H、He外的所有元素;样品来源为自制稻草浆及蒸煮黑液;取样方法为随机取样;样品按照 XPS检测要求进行处理［1－3］。

检测标准:原料各组分测定及黑液纸浆中硅质量分数测定都采用《中国轻工业标准汇编》2006年版汇编的国家标准。

2 结果与分析

2.1 稻草原料组分测定

稻草原料主要化学组分为:热水抽出物质量分数16.14%，苯醇抽出物质量分数3.30%，灰分质量分数14.53%，多戊糖质量分数23.66%，综纤维素质量分数67.53%，酸不溶木素质量分数12.87%。可见，本研究所使用的稻草原料各组分质量分数基本在稻草原料正常范围之内［4］。

2.2 不同除硅剂对纸浆和黑液含硅量及黏度的影响

添加不同除硅剂对黑液中固形物质量分数的影响见图2。从图2中可以看出，除了氧化钙外，其余两种除硅剂的加入都使黑液固形物质量分数有不同程度下降，下降幅度在6.3%左右，说明同步除硅造成了来自于原料的可溶性固形物质量分数的减少。当添加量超过5%以后，黑液固形物又有所上升，可能是由于除硅剂添加量过多，部分残留在黑液中所致。同时在煮浆实验中发现，添加氧化钙除硅剂会使纸浆的渣浆率大幅提高，且由于黑液固形物提高可能为后续的黑液蒸发带来困难，所以在下面的试验中氧化钙除硅剂不做重点讨论。

图2 不同除硅剂添加量对黑液固形物质量分数的影响

2.3 不同除硅剂对黑液黏度及提取率的影响

不同除硅剂的加入对黑液黏度的影响见图3。由图3可以发现，除硅剂的加入可以明显降低黑液的黏度。当除硅剂添加量为5%时，黑液黏度比未加除硅剂的黑液黏度降低20%;当加入量超过5%时，加入不同除硅剂的黑液黏度皆有不同程度的上升。结合图2，说明黑液中固形物的增加对其黏度升高有一定的影响。

图3 除硅剂添加量对黑液黏度的影响

添加除硅剂对黑液和纸浆中硅质量分数的影响见图4和图5。由图4、图5所示的变化规律可以发现，除硅剂的加入使黑液中的硅质量分数减少，减少幅度达到66.45% ～84.39%，而纸浆中硅质量分数上升。说明在蒸煮过程同步加入除硅剂能够有效遏制非过程元素硅的溶出，将其保留在纸浆中，从而有效地降低黑液中硅的质量分数，降低黑液黏度;同时由于除硅剂减少了来自于原料的可溶性固形物质量分数，使得制浆得率有小幅度上升。

图4 氧化铝对黑液和纸浆中硅质量分数的影响

图5 氧化镁对黑液和纸浆中硅质量分数的影响

3 结论与讨论

以氧化铝、氧化镁、氧化钙为同步除硅剂，在不同的加入量条件下所提取黑液黏度都有所下降，黑液固形物除氧化钙除硅剂外也都有不同程度的下降，降幅在6.3%左右。说明同步除硅造成了来自原料的可溶性固形物的减少。在蒸煮过程中同步加入3% ～5%除硅剂后，黑液中硅质量分数降低，最大降幅达84.39%;黑液黏度最大降幅为16.7%，纸浆中硅质量分数也有大幅度提升。说明在蒸煮过程中同步加入除硅剂的同步除硅技术能够有效地抑制原料中硅元素的溶出，将其保留在纸浆中，使浓黑液中的硅质量分数大幅减少，大大降低黑液黏度。在加入量范围内，随氧化铝除硅剂加入量的增加，除硅效果明显，浆中硅质量分数增加，黑液中硅质量分数减少，黑液黏度下降，当使用量超过5%时除硅降黏效果没有明显提高;使用MgO除硅剂，当使用量在3%以上时，除硅效果变差，浆中硅质量分数减少，黑液中硅质量分数增加。综合除硅降黏效果和经济因素考虑，除硅剂用量3%为理想的添加量。

除硅剂同步除硅的作用机理目前尚没有定论，作者赞同的观点为:作为除硅剂的氧化物与原料中物质发生反应，形成的不溶物将原料纤维的表皮细胞覆盖住［5－6］，从而抑制了蒸煮过程中非过程元素硅的溶出，降低了黑液中的硅质量分数。

［1］刘芬，赵志娟，邱丽美，等.XPS光电子峰和俄歇电子峰峰位表［J］.分析测试技术与仪器，2009，15(1):1－17.

［2］邱玉桂，陈春霞，欧海龙，等.稻草皮层硅化物的 XPS研究(Ⅰ)［J］.中国造纸学报，2009，24(3):1－5.

［3］邱玉桂，陈春霞，欧海龙，等稻草皮层硅化物的XPS研究(Ⅱ)［J］.中国造纸学报，2009，24(3):6－10.

［4］杨淑蕙，邱玉桂，谭国民，等.植物纤维化学［M］.北京:中国轻工业出版社，2008:15－20.

［5］徐永健，蒲文娟，张美云，等.抑制硅转移的制浆工艺及机理研究［J］.中国造纸学报，2007，22(4):36－39.

［6］Tutus A，Eroglu H.A practical solution to the silica problem in straw pulping［J］.Appita，2003，56(2):111－115.