高档文化印刷纸的DIP制浆技术研究

吴雪梅

(深圳市玲珑印刷有限公司 广东 深圳 518102)

引言

为了应对市场竞争压力和降低生产成本,需要在产品质量和生产工艺方面进行改进。在这一背景下,传统制浆技术面临着新的挑战。传统制浆技术是以化学法打浆为基础,利用化学助剂或化学机械法制浆为辅助手段。随着生物技术、现代分离技术和高效分离纯化技术的发展,新型制浆技术不断涌现,并已成为造纸工业发展的重要方向。DIP制浆是在传统制浆过程中引入生物酶、生物化学或生物物理处理工艺的一种新型制浆技术。该制浆工艺具有反应条件温和、无污染、节省能源、环保等优点。

1 DIP制浆技术的特点

在DIP制浆中,生物酶、生物化学或生物物理处理工艺能够显著改善制浆效果,主要表现在以下几个方面:(1)减少了化学助剂的使用量。DIP制浆使用的化学助剂主要是甲醛、苯酚、双氰胺等,这些化学助剂都是有毒物质,会对环境造成污染。DIP制浆中的生物酶能够有效减少这些化学助剂的使用,减少了废水中有毒有害物质的排放。(2)降低了生产成本。DIP制浆采用生物酶和生物化学工艺替代部分传统的化学法和机械法,可以显著降低生产成本。例如:在传统制浆过程中使用苯酚和甲醛等有毒物质时,会对环境造成严重污染。DIP制浆过程中所使用的双氰胺等化学助剂不仅价格昂贵,而且会产生大量的废水。采用DIP制浆后,苯酚和甲醛等有毒有害物质将不再使用。此外,DIP制浆所需的设备投资少、操作简单、生产成本低、节能效果好,减少了资源浪费。(3)提高了产品质量。在DIP制浆过程中,生物酶能够有效去除原浆中的纤维素和半纤维素,而这些成分是形成纸张和纤维形态所必需的。同时,经过处理后的原浆得率更高、强度更好。DIP制浆能够提高文化用纸和其他纸张的物理强度,且所得纸张更具韧性和耐撕裂性。(4)改善了环境质量。同时,DIP制浆过程中使用的化学助剂能够有效去除原浆中的纤维素、木质素等杂质成分,使纸浆得率更高、纤维形态更好、强度更高。(5)降低了能源消耗。在传统制浆过程中,大量使用化学品和能源进行打浆和蒸煮等处理环节,且采用化学助剂进行抄造环节还会产生大量废水,这些污染物对环境造成严重污染。DIP制浆可以在保持较高得率的同时显著降低生产成本,具有较好的发展前景。(6)增加了经济效益。DIP制浆过程中使用生物酶、生物化学或生物物理处理工艺对原浆进行优化后生产出符合标准要求的产品,可以有效减少生产过程中对环境造成的污染和资源浪费,提高企业经济效益。(7)提高了环境效益。

图1 文化印刷纸

2 DIP制浆过程中的主要影响因素

DIP制浆是在传统制浆工艺的基础上引入生物酶技术,以生物酶处理的方式代替传统化学打浆。该技术具有减少化学助剂使用量和降低生产成本的优点,但也存在着酶用量大、制浆效率低、产品质量不稳定等缺点。因此,在DIP制浆过程中要重点控制以下影响因素:①在DIP制浆过程中加入生物酶,使其在酸性或中性条件下进行酶解反应,这样可降低制浆能耗,提高制浆效率;②控制DIP制浆过程中的温度、pH值和反应时间等工艺条件;③控制DIP制浆过程中的化学助剂用量,从而提高产品质量;④控制DIP制浆过程中的磨浆时间、磨浆粒度、抄纸温度等工艺条件。下面将主要分析DIP制浆过程中影响因素的控制措施。

2.1 生物酶的选择

生物酶是一类可以催化底物分子发生各种化学反应的酶,其具有反应速度快、酶活性高、易与底物发生特异性结合等特点,在造纸工业中主要用于木质素水解、木聚糖和纤维素的降解。在DIP制浆过程中,加入不同种类的生物酶,可以起到不同的作用,从而达到提高制浆效率、降低成本的目的。目前常用的生物酶有木聚糖酶、半纤维素酶、漆酶和漆酶等。其中,木聚糖酶对木质素具有较强的水解能力,能使木质素结构发生断裂和脱除;半纤维素酶可将木素结构中的半纤维素降解成更易溶于水的小分子化合物;漆酶能将木质素中不溶于水的半纤维素降解成更易溶于水的小分子化合物。因此,在DIP制浆过程中加入不同种类和数量的生物酶对制浆效率有很大影响。

表1 化学品用量对比

2.2 磨浆、洗浆、抄纸工艺条件的选择

由于DIP制浆过程中加入了生物酶,因此,在DIP制浆过程中,要根据所用生物酶的特性和所制浆纸产品的用途来选择合适的工艺参数。在DIP制浆过程中,磨浆、洗浆、抄纸工艺条件对成纸质量有很大的影响,因此要根据具体情况选择合适的工艺条件。磨浆、洗浆工艺条件可通过改变磨浆机转速、磨浆时间和磨浆池温度等参数来达到目的。如果原料中纤维长度较短,纤维间结合较紧密,则宜采用低转速、长时间的磨浆机;如果原料中纤维长度较长,纤维间结合较松散,则宜采用高转速、短时间的磨浆机。为了提高DIP制浆效率,降低生产成本,一般宜采用高转速、长时间洗浆机。DIP制浆过程中的抄纸工艺条件可通过控制抄纸温度和压力来实现。

3 DIP制浆技术的应用现状

3.1 系统设计

DIP制浆系统由多个部分组成,其主要包括打浆箱、抄纸机、烘干设备、漂白设备及相关控制系统等。在实际应用过程中,纸厂应根据自身需求,选择合适的DIP制浆系统,并合理设计相关系统。其中,打浆箱的作用是将纤维进行打散,并使其均匀分布于打浆箱底部,然后借助刮板对纤维进行分散。在打浆过程中,如果纸浆中纤维较多、杂质较多,则需要将其打碎成浆。因此,在打浆箱中应安装打浆设备。抄纸机的作用是将经过破碎后的纸浆送入抄纸机,并利用抄纸机使纸浆均匀分布于抄纸机盘上。在抄纸过程中,为了确保纸张的质量,应在抄纸机盘网上设置打浆箱。漂白设备的作用是对纸浆进行漂白处理,从而使其具有良好的白度。在漂白过程中,应根据不同纸浆的性质选择不同的漂白设备。一般情况下,对于非离子型纸浆(如棉浆)来说,应选择碱式氯化铝或亚硫酸氢钠等碱性漂白剂进行漂白处理;而对于离子型纸浆(如木浆)来说,则应选择氢氧化铝或亚硫酸氢盐等酸性漂白剂进行漂白处理。在烘干过程中应选择适宜的温度、湿度以及风量等参数。其中,风量通常根据成品纸中纤维含量以及打浆度来确定。在实际应用过程中,为了提高产品质量和生产效率、降低生产成本、保护生态环境等目的,应根据具体情况合理设计相关系统。

图2 废纸脱墨浆流程

3.2 工艺流程

纸浆经机械筛选后,由DIP浆料仓进入打浆器,随后经刮板机进行打浆,纸浆在刮板机上通过自身的重力作用流向浮选段,经浮选段内的浮选柱进行分选,将不符合要求的纤维分离出来,并进入后续的酸洗和碱洗工序。酸洗和碱洗工序均采用NaOH溶液,主要目的是将纸浆中的纤维素去除;酸洗工序后得到的纸浆经过两级洗涤得到碱洗除杂、预脱木质素后,再由后续的洗涤工序得到高白度的纸浆。纸浆在洗涤过程中所用的化学药剂主要有NaOH、Na2CO3、NaHCO3和H2O2等。经DIP制浆技术处理后的纸浆还需要经过干燥、制浆、打浆、漂白等工序,其中漂白工序是该纸厂DIP制浆技术应用最多的环节。经DIP制浆处理后的纸浆在经过漂白工序后可得到高白度纸浆。目前,该纸厂生产的高档文化纸均采用这一流程进行生产。经DIP制浆技术处理后,文化用纸的纤维结构和性能得到了明显改善,并能有效降低生产成本。

3.3 运行效果

DIP制浆技术在实际应用中的效果主要表现为以下几个方面:(1)纸浆白度得到提高。DIP制浆技术可将纸浆中的纤维及半纤维素含量从8%左右降低至2%～3%,同时还可以将纸浆的化学组成进行改善,使其符合高档文化纸的生产要求。(2)提高生产效率。DIP制浆技术对纸浆中的纤维及半纤维素含量进行有效控制后,可以将其打浆时间缩短,从而使生产效率得到提升。DIP制浆技术可以有效降低纸浆中的纤维及半纤维素含量,可使生产成本得到降低,进而提高企业的经济效益。DIP制浆技术应用于高档文化纸的生产中,不仅可以提高纸浆质量,而且还可以减少对环境造成的污染。综上所述,DIP制浆技术在高档文化纸生产中具有良好的应用效果,有利于推动造纸工业向可持续发展方向迈进。

4 加强DIP制浆技术的理论研究

DIP制浆技术是一项新的制浆技术,目前还没有较为完善的理论体系来指导其在造纸工业中的应用。因此,未来应加强DIP制浆技术的理论研究,使DIP制浆技术更好地为造纸工业服务。首先,应加强对DIP制浆过程中各阶段的机理研究,包括制浆过程中化学试剂的作用机理、酶活测试方法以及DIP制浆过程中木质素降解机理等。其次,应加强对DIP制浆过程中各阶段的反应机理研究,包括预处理、加酶、蒸煮、干燥等各个阶段中各反应过程及相互影响作用。此外,还应加强对DIP制浆工艺优化及优化控制技术研究。最后,应加强对DIP制浆技术在实际应用过程中出现问题的研究。同时,还应加强对DIP制浆技术在实际生产应用中出现问题的解决措施研究,使DIP制浆技术更好地为造纸工业服务,进一步推动DIP制浆技术在我国文化用纸领域的应用。

4.1 研发适合我国国情的DIP制浆设备

与传统制浆技术相比,DIP制浆技术具有改善纤维质量、提高成纸强度等优势,因此,DIP制浆技术在我国文化用纸领域的应用具有广阔的发展前景。由于我国传统制浆工艺相对落后,且大多采用化学法制浆,因此,在我国DIP制浆技术应用过程中仍存在一些问题。(1)目前,我国的DIP制浆设备多为国外进口或与国外厂家合作生产的设备。由于DIP制浆工艺的特殊性,需要在不同的阶段添加不同的酶,因此需要研发适合我国国情的DIP制浆设备。此外,目前生产DIP制浆设备的企业较多,但相关企业提供的设备不尽相同,因此需要进一步研发适合不同企业使用的DIP制浆设备。(2)目前国内DIP制浆设备生产厂家较少。由于DIP制浆技术属于较为先进的制浆技术,因此对生产设备的要求较高。在我国文化用纸领域应用DIP制浆技术时,应注重选择具有较强研发能力和生产经验的企业进行合作。此外,还应加强对现有DIP制浆设备的改造与升级工作。

4.2 加强DIP制浆技术的应用推广

近年来,DIP制浆技术在我国造纸行业取得了长足进步,但仍有一些企业对DIP制浆技术的认识不足,未将DIP制浆技术应用到实际生产中。此外,由于国内企业在DIP制浆技术应用方面的经验不足,对DIP制浆技术的操作规范和操作流程掌握不够,导致DIP制浆技术在我国文化用纸领域的推广应用效果不佳。深入开展对DIP制浆技术的研究,全面掌握其各项指标、性能以及在文化用纸领域应用的可行性,并进行相关工艺条件优化研究。根据不同品种、不同等级文化用纸对纤维质量和纸张性能的要求,综合考虑纸机运行速度、生产成本以及环境效益等因素,选择合适的DIP制浆工艺。同时,为保证纸机运行速度和成纸质量,需要在制浆工艺中合理添加酶,提高纤维质量和改善纸张性能。

4.3 加强DIP制浆过程中纤维素酶的研发

在DIP制浆过程中使用纤维素酶能够使纸浆中的纤维结构得到优化,使纤维变得更加细密,并提高纸浆的性能。此外,在DIP制浆过程中添加纤维素酶后还可以使制浆液中的化学试剂用量减少1/3～1/2左右。DIP制浆过程中添加纤维素酶的主要作用是降低纸浆中的纤维素含量,提高纸浆的物理强度。在DIP制浆过程中添加纤维素酶还能够促进纸浆中灰分、蛋白质等成分的脱除和吸附作用。注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

结束语

综上所述,DIP制浆技术对纤维的损伤程度较低,有利于改善纸张性能。DIP制浆可提高纸机运行速度和成纸质量,降低能耗,减少污染物排放。使用DIP制浆技术,浆料的化学结构得到优化,纤维质量得到改善,可满足高档文化印刷纸对纤维质量的要求。