甜高粱秆制取酒精后固体废渣制浆的研究

梁富政 张世杰 周广麒 曲运德

(大连工业大学,辽宁大连,116034)

甜高粱秆制取酒精后固体废渣制浆的研究

梁富政 张世杰 周广麒 曲运德

(大连工业大学,辽宁大连,116034)

对甜高粱秆制取酒精后的固体废渣制浆性能进行了研究,着重研究了硫酸盐浆 (KP)的制浆工艺条件。结果表明,甜高粱秆制取酒精后的固体废渣比较适于 KP和 KP-AQ法制浆,在适宜的蒸煮条件下可以制取细浆得率分别为 51.9%和 53.5%、各项强度指标较好的化学浆。

甜高粱秆;固体废渣;制浆性能;KP法制浆

甜高粱是一种粮糖兼收的作物,在我国广泛种植。其茎秆可以作为制取燃料乙醇的首选原料[1-2],有研究者对甜高粱茎秆制取酒精后的固体废渣进行了NaOH-AQ法制取化学浆的初步研究,结果认为该固体废渣是一种较好制浆造纸原料[3-4]。本实验则重点探讨了硫酸盐 (KP法)化学浆的最适宜制出工艺条件,并在适宜条件下初步探讨适宜的制浆方法,对充分利用好甜高粱秆制取酒精后的固体废渣,缓解我国造纸工业的植物纤维原料短缺和解决乙醇燃料生产企业的固体废渣的污染问题都具有十分重要的意义。

1 实 验

1.1 原料

实验所用原料为大连工业大学能源酒精项目组用甜高粱秆固体发酵制取酒精后的固体废渣,长度20 mm左右的料段,含有少量的髓,放入塑料袋中平衡水分后备用。未处理的原甜高粱秆是未脱糖自然风干的甜高粱秆。

1.2 蒸煮

蒸煮在 15 L电热回转蒸煮锅 (内置 4个 1 L小蒸煮罐)中进行,蒸煮后的浆料经洗涤后进行分析检测、打浆、抄片、测定物理强度,以确定适宜蒸煮工艺条件。

1.3 分析检测

浆样的各项指标分析检测和浆张的物理强度指标检测均按国家标准进行。

2 结果与讨论

2.1 甜高粱秆制取酒精前后化学组成及纤维特性分析

对甜高粱秆及其制取酒精后的固体废渣的化学组成进行了分析,结果如表 1所示。

表1 甜高粱秆及其制取酒精后固体废渣的化学组成 %

表 1中所有数据均以原料的绝干量为基准。实验中发现其苯-醇抽出物含量很高,这与其他研究者的结果相近,原因有待进一步研究。由表 1可知,制取酒精后的固体废渣与甜高粱秆相比在化学组成上发生了很大变化,主要体现是除了戊聚糖外,其他组分均有明显差异,在制取酒精过程中除去了较多的苯-醇抽出物等可溶物,结果使其废渣中苯-醇抽出物含量明显降低,这有利于减少蒸煮时的碱耗,综纤维素含量高和戊聚糖含量相近有利于提高成浆得率,但Klason木素含量高,要制成化学浆时需要消耗更多的碱。

为了了解在制取酒精过程中对纤维的损伤程度,在同样的条件下对两者的纤维形态进行了分析,结果如表 2所示。

由表 2可知,甜高粱秆在制取酒精过程中对其纤维略有损伤,主要表现为纤维长度略有降低,但纤维宽度也降低反而提高了其长宽比,这对提高成浆强度有利,同时其纤维长度仍高于杨木,接近于芦苇,所以甜高粱秆制取酒精后的废渣仍然是一种较好的制浆造纸原料。

表2 甜高粱秆及其制取酒精后废渣的纤维形态

2.2 甜高粱秆制取酒精后废渣 KP法制浆适宜蒸煮条件探讨

本实验前期已经探索出甜高粱秆制取酒精后固体废渣 KP法制浆时以硫化度 15%、液比 1∶5.5为宜,在此仅对其余主要的影响因素进行四因素三水平正交实验,实验的水平是根据参考文献和作者的初步实验结果确定的,实验条件及结果如表 3所示。

正交实验结果的极差分析如表 4所示。

2.2.1 用碱量的确定

由表 4可知,随着用碱量的增加,纸浆的卡伯值是呈先快速下降后缓慢下降的趋势,而细浆得率和浆张的各强度指标则是先升高后下降,说明随用碱量的增加,脱木素能力增加,使细浆得率和浆张强度提高,而用碱量过大,碳水化合物降解严重,不仅细浆得率降低,而且强度也降低。所以从细浆得率和强度等方面考虑,用碱量以 14%为宜,此时尽管卡伯值A2大于 A3,但二者相差不大,且 A2所对应的卡伯值也在生产漂白浆的硬度范围之内,而且黑液残碱也在合理范围内,所以这个用碱量较为适宜。

2.2.2 最高温度的确定

由表 4可知,随着蒸煮温度的提高,纸浆的卡伯值是逐渐下降的,强度指标中除了耐折度是逐渐略有增加外,其他各强度指标和纸浆的细浆得率均为先增加而后又略有下降趋势。这表明随蒸煮温度的提高脱木素的速度加快,在同样蒸煮时间内浆中木素脱出完全,使纸浆经过打浆后暴露出更多的羟基,纤维柔软可塑,纤维间结合力增加使成纸的各强度指标增加,但若蒸煮温度过高又会使碳水化物降解程度增加,不仅使成浆得率低,同时也使其主要强度指标降低,尽管耐折度略有增加但增加很小。所以从提高强度和兼顾纸浆得率、卡伯值等方面考虑,认为最高蒸煮温度以160℃为宜。

表3 甜高粱秆制取酒精后固体废渣 KP法制浆蒸煮正交实验条件及结果

表4 正交实验结果的极差分析

2.2.3 保温时间的确定

由表 4可知,随着保温时间的延长,细浆得率先呈快速增加而后呈缓慢降低趋势,卡伯值则呈缓慢下降趋势,裂断长和撕裂指数则先呈快速增加而后呈缓慢增加趋势,而耐破指数和耐折度先呈缓慢降低而后呈快速降低趋势。这表明适当延长保温时间有利于彻底脱木素,使纸浆柔软可塑而提高其结合力,但保温时间过长会引起碳水化物降解从而降低纸浆强度和细浆得率。从细浆得率、卡伯值及各强度指标看,C1和 C2相差较大,而 C2和 C3相差较小,所以综合考虑各种因素和提高生产效率、降低消耗等,本实验认为保温时间取 60 min为宜。

2.2.4 升温时间的确定

由表 4可知,升温时间对细浆得率有较大影响,而对耐破指数和耐折度有一定的影响,对其他指标影响不大,为了提高撕裂指数和耐折度,并兼顾得率和卡伯值,认为升温时间以120 min为宜。

综上所述,甜高粱秆制取酒精后固体废渣 KP法制浆的最适宜蒸煮条件为：用碱量 14% (以 NaOH计),最高温度 160℃,保温时间 60 min,升温时间 120 min。

采用以上条件进行放大蒸煮实验,为了验证正交实验结果的可靠性,在正交实验的基础上进行了小范围的扩大实验,考虑到影响成浆质量的主要因素为用碱量和最高温度,所以扩大实验只改变这两个因素。实验条件和结果如表 5所示。

由表 5可知,改变用碱量或改变最高温度均使细浆得率和各强度指标降低,综合考虑再现实验即 1#的条件下所对应纸浆的各项指标最好,该结果与表 3中的 4#、5#试样各指标相近,说明正交实验所确定的蒸煮条件较为可靠、正确。

2.3 添加蒽醌及与其他制浆方法的初步比较

2.3.1 添加蒽醌对 KP法制浆效果的影响

在 KP法蒸煮中加入蒽醌 (AQ)可以加速脱木素和保护碳水化物,从而可提高得率和纸浆强度。本实验在最适宜 KP法蒸煮条件下探讨不同AQ加入量对蒸煮效果的影响,实验条件及结果如表 6所示。

由表 6可知,随着 AQ用量的增加,纸浆得率、裂断长和撕裂指数明显提高,而卡伯值、耐破指数和耐折度略有降低,这表明在 KP法蒸煮中加入 AQ确实可以保护碳水化物少降解和加速脱木素,AQ用量在 0.05%～0.10%为宜。

表5 再现及扩大实验条件和结果

表6 AQ用量对 KP法蒸煮效果的影响

表7 几种不同制浆方法实验条件及结果比较

2.3.2 几种不同制浆方法的初步比较

甜高粱秆制取酒精后固体废渣用 KP法可制取得率高、强度好的纸浆,为充分利用这种纤维原料,本实验对 KP法与其他制浆方法在各自适宜条件下进行蒸煮实验,以探讨比较适宜的制浆方法,实验条件及结果如表 7所示。

由表 7可知,中性亚钠 (即 5#和 6#样)法制浆的细浆得率、裂断长比 KP-AQ法 (4#样)略高一些外,其他强度指标则明显低,NaOH-AQ法 (1#和 2#样)的制浆得率明显比 KP-AQ法低,强度除耐破指数相近外,其他指标均明显低,而碱性亚钠法 (7#样)的制浆得率和耐折度明显偏低,其他强度指标与 KP-AQ法相近,所以对甜高粱秆制取酒精后固体废渣以 KP、KP-AQ法制浆较好。

3 结 论

3.1 甜高粱秆制取酒精后的固体废渣的化学组成和纤维形态与原秆相比均发生一定变化,其灰分、综纤维素和木素含量提高,而苯-醇抽出物则明显降低,纤维长、宽略有降低,但长宽比则提高,所以是一种较好的造纸原料。

3.2 甜高粱秆制取酒精后固体废渣比较适合 KP法制浆,其适宜的蒸煮条件：用碱量 14%(以 NaOH计)最高温度 160℃,保温时间 60 min,升温时间 120 min,硫化度 15%,在此条件下制得的纸浆细浆得率 51.9%,卡伯值 17.1,在打浆度为 40°SR时裂断长 6.87 km,撕裂指数10.5 mN·m2·/g,耐破指数 5.30 kPa·m2·/g,耐折度 358次。添加用量的 0.05%～0.10%的 AQ可以使纸浆得率和裂断长等指标进一步提高。

[1] 高士杰,刘晓辉,李继洪.中国甜高粱资源与利用[J].杂粮作物,2006,26(4)：237.

[2] 张管生.甜高粱茎秆制燃料乙醇工程路线探讨[J].中外能源,2006,11(4)：104.

[3] 韩金梅,孔凡功,王 彪.甜高粱秆渣制浆性能的研究[J].中国造纸,2007,26(5)：18.

[4] 李 琪,蒲俊文,李 雍,等.甜高粱秆酿酒前后化学组成纤维特性及制浆性能的研究 [J].林业科技,2007,32(5)：48.

(责任编辑：马 忻)

Pulping of Sweet Sorghum Stalk Residue

LI ANG Fu-zheng＊ZHANG Shi-jie ZHOU Guang-qi QU Yun-de
(Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning Province,116034)
(＊ E-mail：dlfzhliang@sina.com)

Pulping properties particularly the kraft pulping conditions of solid residue of sweet sorghum stalk after producing ethanol were researched in this paper.The results showed that the sweet sorghum stalk residue was very suitable for kraft pulping and kraft-AQ pulping.The screened yields were 51.9%and 53.5%respectively under the suitable conditions,and the various strength indexes of the pulp including tensile strength,tear strength,bursting strength,folding endurance reached a higher level.

sweet sorghum stalk;solid residue;pulping properties;kraft-AQ cooking;KP

TS724

A

0254-508X(2011)02-0017-04

梁富政先生,副教授;主要从事制浆造纸新工艺和纸浆漂白助剂应用方面的研究工作。

2010-09-26(修改稿)

本课题为辽宁省教育厅资助项目 (2008070)。