化机浆预浸促进剂技术工艺研究

焦国栋 李跃进 万洪安

摘 要：以阔叶木杨木木片为原料，采用化机浆方法生产杨木化机浆产品，在杨木木片生产化机浆预浸阶段，通过选择性使用组合生物酶和化学活性剂，改变木片结构，使其内部形成空隙并充分软化，提高纤维润胀能力，降低药液表面张力，加快药液在原料纤维中的渗透、扩散。因此，本研究技术可加快药液渗透速度，提高原料与药液的反应效果，降低化学药品用量、电耗和水耗，提高生产效率，具有产品得率高、质量好、成本低等优势。

关键词：杨木片；杨木化机浆；预浸促进剂；预浸工艺技术

中图分类号：TS745 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）14-0072-05

Research on Technological Process of Pre-dipping

Accelerator for Chemimechanical Pulp

JIAO Guodong LI Yuejin WAN Hong'an

（Henan Light Industry Scientific Research Institute Co.Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： With wood chips of broad leaved wood poplar as raw material， poplar wood pulp was produced through chemi-mechanical pulping method. During the stage of pre-dipping， by Selectively using combinatorial biologic enzyme and chemical active agent， to change the structure of wood chips， making wood more loose and full softening， improving the ability of fiber swelling， decreasing the surface tension of liquid medicine， liquid medicine speed up infiltration and diffusion in the swelling fiber. Therefor， this research technology could speed up the infiltration rate of liquid medicine and improve reaction effect of raw material and liquid， and it could decrease the dosage of chemicals， electricity and wanter consumption are decreased， production efficiency are improved. This research also has other advantages of high yield， good quality and low cost.

Keywords： poplar wood chip；poplar chemimechanical pulp； pre-dipping accelerator；pre-dipping technology

国家发布的《造纸产业发展政策》指出：“加快推进林纸一体化工程建设，大力发展木浆，鼓励利用木材采伐剩余物、木材加工剩余物、进口木材和木片等生产木浆”，“造纸产业技术应向高水平、低消耗、少污染的方向发展。鼓励发展应用高得率制浆技术，生物技术，低污染制浆技术，中浓技术，无元素氯或全无氯漂白技术，低能耗机械制浆技术，高效废纸脱墨技术等以及相应的装备。”[1]化机浆是国家鼓励的低消耗、少污染的高得率制浆技术。其采用化学预处理和机械磨解处理的制浆方法，先用化学药品对纤维原料（阔叶木、针叶木和草类）进行轻度预处理（预蒸或预浸），除去原料中部分抽出物并软化胞间层；再经盘磨机处理，使纤维分离成浆，这种浆就是常说的化机浆。化机浆属于高得率浆，产品得率为80%～90%，生产过程尽可能保留纤维、半纤维和木质素。目前，化机浆有化学热磨机械浆（CTMP）、碱性过氧化氢机械浆（APMP）、杨木漂白化学热磨浆（BCTMP）和预处理加盘磨化学处理的碱性过氧化氢机械浆（P-RC APMP）等。以上这几种是公认的高得率浆（HYP）[2]。化机浆的生产，关键是化学品的用量、能耗及速度（即时间长短）。因此，开发化机浆预浸阶段促进剂，促使药液渗透，加快反应时间，提高反应效果、产品得率和质量，减少能耗和降低各种污染物的产生，就成为创新研究的课题。

本项目以河南省丰富的杨木枝桠材及加工剩余物杨木木片为原料，在现有化机浆预浸生产的基础上，研究开发生物酶和化学活性剂复合型预浸促进剂及其技术工艺。

1 研制过程

1.1 杨木片渗透性

取杨木枝桠材及加工剩余物杨木木片和商品木片，并用清水洗净后烘干。各取3份100g的绝干木片，分别置于加有800mL清水的1 000mL烧杯中，并按木片重量3%（3g）加入烧碱，烧杯放入90℃水浴锅中处理30min。处理完毕后，将木片置于40目网上滤水10min，测定木片残碱，其结果见表1。

从表1可以看出，经过处理后，新鲜杨木片残碱明显低于商品木片，可见，前者药液渗透效果好于后者。而实际生产也表明，杨木商品木片原料常规预浸方法很难达到预期效果。主要原因如下：新鲜原料生物组织间沟通管道畅通，有利于实现预浸均匀；纤维束含量少，容易磨浆，成浆均一性好。而商品木片材种杂、材性差异大；一般为风干状态，水分含量低（10%）；木片规格均一性较差等。因此，需要研发新型预浸促進剂，强化药液对杨木商品木片的渗透性能，解决目前杨木商品木片预浸过程中存在的问题。

1.2 预浸促进剂选择

目前，应用于制浆造纸行业且能满足预浸功能要求的促进剂主要有两种：一是高分子类化学表面活性剂；二是生物酶。主要预浸促进剂类型及功能见表2。

化机浆属于高得率浆，生产过程尽可能保留纤维、半纤维和木质素。因此，选择的促进剂的主要功能是降解木质素及碳水化合物而不是除去木质素，溶解原料中果胶质、杂多糖，达到改变木片结构、内部形成空隙并充分软化、提高纤维润胀能力、促进药液渗透的目的。此外，还要能降低药液表面张力，加快抽出物的溶解与分散，促进药液在原料纤维中渗透和扩散。促进剂在预浸过程中主要起到两方面作用：一是改变原料内部结构，改善组织性能及成分；二是降低药液表面张力。对比初步选定的促进剂类型及预浸功能要求，生物酶类中的果胶酶和聚木糖酶主要能起到第一种作用，而化学活性剂类中的磺化琥珀酸盐脂、烷基磺酸钠、聚氧乙烯烷基醚和脂肪醇羟乙基磺酸钠等主要能起到第二种作用[3，4]。

果胶酶是分解果胶质的多种酶的复合酶系，主要由芽孢杆菌、曲霉产生。聚木糖酶是一组可将木聚糖降解为低聚糖和木糖的复合酶体系，主要由真菌和细菌微生物合成。果胶酶和聚木糖酶均能起到改变原料内部结构和改善其性能的作用，但果胶酶的主要作用是水解并除去原料中果胶质、杂多糖等杂质；聚木糖酶的主要作用是软化木质素、切断木质素结合键，而不是除去原料中的木质素，保证产品的高得率[5]。考虑到两者具有良好伍配性，为了充分发挥各自的特性，选择组合使用果胶酶和聚木糖酶作为生物酶促进剂。

高分子类化学表面活性剂被广泛应用于制浆造纸行业，如废纸脱墨浆、化学浆、化机浆生产过程。针对化机浆，阴离子型烷基磺酸钠和脂肪醇羟乙基磺酸钠能溶解原料中的抽出物，保护碳水化合物不受或少受OH-的剥皮反应，而木素在活性因子的作用下参加水合反应而使整个木素软化不降解，故浆的得率提高，浆的品质得到了改善。而非离子型磺化琥珀酸盐脂和聚氧乙烯烷基醚能改善液体性能，降低rL/G值使Q变小，增大原料润湿性；加快抽出物的溶解與分散；提高药液的耐碱性和耐高温性，有效加快渗透及扩散过程，能达到软化纤维原料、疏松纤维原料的目的。非离子和阴离子型表面活性剂具有良好的伍配性，组合使用两类表面活性剂，可增加两者活性，提高预浸效果[6]。

1.3 促进剂加入工艺点

考虑到P-RC、APMP或APMP的制浆方法采用两段预浸工艺，本项目预浸促进剂加入点分别设在一段和二段螺旋挤压出料口。一段同时加入果胶酶和聚木糖复合酶以及非离子型磺化琥珀酸盐脂和阴离子型烷基磺酸钠组合化学活性剂；二段同时加入非离子型聚氧乙烯烷基醚和阴离子型脂肪醇羟乙基磺酸钠组合化学活性剂及化学药品。CTMP制浆方法是在一段螺旋挤压出料口加入果胶酶和聚木糖复合酶以及非离子型磺化琥珀酸盐脂和阴离子型烷基磺酸钠组合化学活性剂。

1.4 确定工艺参数

为获得最佳工艺参数，本项目进行了商品杨木片药液渗透扩散性能试验。为保证果胶酶和聚木糖酶在一段预浸过程的最大活性，一段预浸反应温度设定为55℃，二段预浸反应温度按常规温度（75℃）设定。在上述条件下，选用河南省某化机浆生产厂预汽蒸后杨木片（含水60%），以1%浓度的氢氧化钠作为试验药液。在以上条件下进行一、二段药液渗透扩散效果性能试验，确定预浸时间。试验过程及结果分别见表3和表4。

从表3和表4可以看出，随着一、二段预浸时间增加，药液渗透扩散性能逐步提高，当一、二段预浸时间分别达到45min和90min后，药液渗透扩散性能提高程度趋缓。杨木化机浆（P-RC APMP或APMP）在实际应用或生产过程中，一段预浸之前的木片经一段螺旋撕裂机沿纵向纹路方向压裂成均匀的小木丝；而二段预浸之前的木片经二段螺旋撕裂机处理后已成为粗浆。与试验使用的木片比较，药液渗透扩效果更为明显。考虑到要尽可能保证生产效率和原有生产工艺。初步确定一段和二段的预浸时间分别为45min和90min。

1.5 确定促进剂用量

预浸促进剂用量关系到本项目可能达到的技术效果及经济可行性和推广应用的难易程度，需要从技术、经济、环境效果和可实施性等方面寻找最佳平衡效果。试验数据如表5至表8所示。

表5至表8中，试样0-1、0-2号为常规预浸（未使用促进剂）试验数据，称为对照组。氢氧化钠、过氧化氢和硅酸钠总用量相对风干浆用量分别为4.5%、5%、2.5%和5.5%、6%、3.0%；其他试样均为使用预浸促进剂试验数据，称为实验组。与对照组比较，实验组减少了化学品总用量。试样1-1、2-1和3-1氢氧化钠、过氧化氢和硅酸钠总用量分别为4.0%、4.5%和2.0%；试样1-2、2-2和3-2氢氧化钠、过氧化氢和硅酸钠总用量分别为5.0%、5.5%和2.6%；预浸促进剂用量从1组到3组逐步提高。

试验数据表明：常规P-RC APMP或APMP法制浆中，化学品用量与磨浆电耗、产品得率呈明显负相关关系，与纸浆强度性能和白度呈明显正相关关系。预浸促进剂的使用弱化了原有的相关关系。随着促进剂用量增加，弱化趋势更为明显，但随着促进剂用量持续增加，弱化趋缓甚至相反。

表中显示，所有使用预浸促进剂的对应组对比对照组，随着促进剂用量增加，化学品用量、磨浆电耗随之减少，产品得率、白度和强度随之增加；但对应组3-1、3-2数据表明，当促进剂总用量增加到2%以上时，尽管磨浆电耗明显持续减少，但其他指标改善效果不明显，甚至产品得率出现降低趋势。另外，产品松厚度值随着使用促进剂及其用量增加而减小，试验对应组2-1数据中，当一段预浸组合酶用量为0.8%和化学活性剂用量0.1%、二段预浸活性剂用量0.1%时，化学品总用量为氢氧化钠4.0%、、过氧化氢4.5%、硅酸钠2.0%；与对照组0-1数据比较，化学品用量和磨浆电耗下降较为明显，且产品得率、纸浆强度性能和白度均有所提高。考虑到本项目经济可行性，初步确定采用对应组2-1促进剂用量。

2 生产工艺

2.1 工艺流程

经净化和预蒸后，木片经螺旋输送机送入一段螺旋挤压预浸机，并加入配置好的复合预浸促进剂，加入促进剂后的木片丝进入一段反应仓进行预浸反应，按要求的温度和时间反应完毕后，再经螺旋输送机送入第二段螺旋挤压预浸机，并再次加入配置好的化学预浸促进剂，同时加入配置好的其他化学药品，与促进剂和其他化学药品混合后的粗浆进入二段反应仓进行预浸和渗透反应。按要求的温度和时间反应完毕后，再经螺旋输送机送入高浓盘磨进行磨浆、漂白等后续制浆工序。工艺流程如图1所示。

2.2 工艺技术条件及参数

①原料：外购合格杨木商品木片（长×宽×厚）（45～50）mm×（30～35）mm×（5～8）mm。②预汽蒸后木片温度≤60℃。③一、二段螺旋挤压压缩比为1∶4。④一段反应仓：反应时间30min，温度50～55℃，终了pH值8～9。⑤二段反应仓：反应时间90min，温度60～75℃，终了pH值8～9。⑥一段预浸复合促进剂。组合生物酶：碱性木聚糖和碱性果胶酶比例1∶1，用量0.8%；组合活性剂：非离子磺化琥珀酸盐脂和阴离子烷基磺酸钠比例1∶1，用量0.1%。⑦二段预浸化学促进剂。组合活性剂：非离子聚氧乙烯烷基醚和阴离子脂肪醇羟乙基磺酸钠比例1∶1，用量0.1%。⑧主要化学品用量。二段预浸：NaOH用量为2.3%，H2O2用量为1.8%，Na2Si3用量为0.5%；高浓磨浆：NaOH用量为1.7%，H2O2用量为2.7%，Na2Si3用量为1.5%。⑨高浓废水。一段挤压：废水产生量1.05m3/t浆，COD产生浓度10 000mg/L；二段挤压：废水产生量1.15m3/t浆，COD产生浓度11 000mg/L。

3 产品指标

采用本技术生产的产品经过河南省造纸陶瓷产品质量监督检测中心检测，所有性能指标均满足河南省地方标准《APMP杨木化机浆质量规范》（DB 41/T564—2009）A级标准要求。产品性能指标见表9。

4 结论

①本项目针对化机浆生产中商品木片预浸效果不佳的现状，研制新型复合型预浸促进剂，在不改变现有设备的基础上，提高了预浸效果。

②该技术在化机浆生产的预浸阶段使用生物酶和化学活性剂复合型预浸促进剂，加快了药液在原料纤维中渗透、扩散的速度，并提高了原料与药液的反应效果，提高了生产效率，降低了化学品用量能耗，提高了产品得率和产品质量，减少了污染物的产生。

③采用该技术生产的产品经检测表明，机械强度好、透明度低、松厚度高、質量稳定。本项目具有良好的经济、环境和社会效益。

参考文献：

[1]《造纸信息》记者.国家发展和改革委员会召开《造纸产业发展政策》发布暨宣贯会议颁布实施我国首部造纸产业发展政策[J].造纸信息，2007（11）：4.

[2]刘建华，廖国良，张金声.渗透软化剂在化机浆生产中的应用与研究[J].华东纸业，2013（6）：50-55.

[3]林友锋，房桂干，杨淑蕙，等.制浆过程中木片浸渍机理及改善措施[J].中国造纸，2007（2）：50-55.

[4]汪兵，刘苇，侯庆喜.杨木化机浆的纤维特性对其酶水解影响的研究[C]//中国造纸学会会议论文集.西安：中国造纸学会，2016.

[5]白延坤，秉钺，何连芳.果胶酶及其在制浆造纸上的应用[J].中国造纸学报，2006（2）：88-91.

[6]张光华，顾玲.高分子表面活性剂的特性及其在造纸工业中的应用[J].日用化学工业，2003（1）：25-28.