硅对黑液粘度的影响

1、硅化物对麦草碱法蒸煮黑液粘度的影响张进,曹云峰*,刘祝兰,熊林根(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京210037摘要:为了研究硅对黑液黏度的影响,向麦草碱法蒸煮黑液中添加定量的二氧化硅、麦草灰分和硅酸钠,分析了不同硅化物对黑液粘度的影响。研究发现,相对于麦草灰分和二氧化硅,硅酸钠更能增加麦草黑液的粘度。硅酸钠对不同浓度麦草黑液粘度影响大小顺序为:高浓黑液中浓黑液>低浓黑液。当硅酸钠占黑液总固形物的量大于15%(SiO2计时,其对低浓度黑液粘度造成显著影响;当硅酸钠占黑液总固形物的量为13%-15%(SiO2计时,其对半浓黑液粘度有显著影响;当硅酸钠占黑液总固形物的量

2、为11%-13%(SiO2计时,其对高浓黑液粘度有显著影响。Abstract: In order to determin the effects of different silicides on viscosity of black liquor, the silica, ash of wheat straw, and sodium silicate was added into the wheat straw alkaline pulping black liquor respectively. The results of variance analysis showed that th

3、e sodium silicate was even more effective to improve the viscosity of black liquor, comparing with the ash of wheat straw and the silica. The effect of sodium silicate on different concentration of black liquor was: high consistency black liquor medium consistency black liquor >low consistency bl

4、ack liquor. When the percentage of sodium silicate for total solid content was greater than 15% (as SiO2, the sodium silicate has a significant impact on low consistency black liquor. When sodium silicate accounts for 13-15%( as SiO2 of total solid content, it affect medium consistency black liquor

5、remarkably. And when the ratio of sodium silicate to total solid content reduced to 11-13% (as SiO2, the sodium silicate makes an evident effect on high consistency black liquor.Key words: wheat straw; alkaline pulping; black liquor; viscosity; silicon*稻草的灰分含量一般在10%以上,有的更是高达17%,麦草灰分含量也在5%-6%。而且稻麦草灰分

6、中SiO2含量占灰分重量的60%-70%,甚至更高。硅在稻草内主要以粒径小于5nm 的无定形硅的小粒子形式存在,其表面被互联成网状的-SiOH基团所覆盖, Liva Soderhijelm1等通过微电子扫描(SEM和X射线等研究方法发现,在稻草中近90%的硅酸盐以二氧化硅形式存在于茎表皮层外围(称为植物外层,极少量的存在于表皮细胞内。一般认为,在碱法蒸煮时这些SiO2大约有70%以Na2Si03的形式溶解于黑液中,从而使黑液在回收过程中产生干扰。存在于黑液中的硅化物和溶解的半纤维素一起,使黑液的粘度提高,从而降低浆料的滤水性能。另外,当黑液残碱不足时,以胶体形式存在的硅化物,在洗浆时会沉淀。劳

7、嘉葆2提出麦草浆厂碱回收的关键是黑液中硅含量高,导致黑液粘度大,从而引起一基金项目:江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室资助课题(201017;江苏省高校研究生科研创新计划项目(CXLX11-0529;“江苏省青蓝工程中青年学术带头人培养对象”省教育厅资助课题(164105308。系列的问题;李伟3的研究表明,草类原料灰份大, 二氧化硅含量高, 与氢氧化钠生成硅酸钠,造成草浆黑液治理的难题;张珂4等在麦草蒸煮时加入除硅剂,可将黑液的粘度降低;汪萍5、6等提到麦草浆黑液中二氧化硅含量、木素-碳水化合物复合体(LCC含量等是影响黑液粘度的主要参数。但是马金霞7等的研究表明硅对麦草黑液粘度影响不大。本

8、论文通过向不同浓度的麦草碱法蒸煮黑液中添加二氧化硅、麦草灰分和硅酸钠,探讨不同的硅化物对麦草碱法蒸煮黑液黏度的影响,为麦草制浆降黏提供理论基础。1材料与方法1.1原料及设备碱法蒸煮麦草浆黑液取自山东泉林纸业有限责任公司,黑液浓度(质量分数为30%。麦草灰分主要是二氧化硅,本实验使用的麦草灰分的硅含量为75.6%。使用NDJ-79型旋转式粘度计测定粘度。测定方法是将黑液倒入粘度计的测试容器,直至液面达到锥形面下部边缘,将转筒放入黑液到完全浸没为止,测试器放在仪器托架上并将转筒悬挂于仪器联轴器上。启动电机,转筒从开始晃动直到对准中心为止,当指针稳定后即可读数。1.2黑液物化性能分析按照文献8中的方

9、法测定黑液总固形物、灰分、SiO2。其中总固形物测定方法为:称取0.5g试样放入称量瓶中,将其置于100105湿烘箱内烘,直至恒重。灰分测定方法为:取5ml黑液于已经恒重的瓷坩埚中,称量后置于电热板上低温烘干,再于电炉上烧去大部分有机物,冷却后用数滴蒸馏水润湿,加三滴甲基橙指示剂,然后慢慢滴入浓硫酸,于电热板上蒸干,逐去三氧化硫,然后移入马弗炉中低温烧至800,灼烧至灰渣中无黑色碳素并恒重为止。SiO2的测定方法为:将灰分残渣用稀盐酸溶液洗涤数次,再用热水洗涤至无氯根,将滤纸和沉淀放入已灼烧至恒重的铂坩埚中,烘干碳化后,将铂坩埚移马弗炉,在1000烧至无黑色碳素并恒重为止,然后将灼烧后的灰分加

10、入硫酸润湿,再加5ml氢氟酸,蒸干并移入马弗炉,在900下烧至恒重。黑液pH值由数显台式pH测量仪直接测得。1.3 硅的添加方法分别向浓度为14.8%、31.7%、45.2%的麦草碱法蒸煮黑液中加入定量的二氧化硅、麦草灰分和硅酸钠,进行充分的搅拌,并加水调节黑液的浓度和pH值,保证黑液总固形物含量和pH值在13-14不变。2结果与讨论2.1黑液物化性能分析按照文献8中的方法测定麦草碱法蒸煮黑液主要物化性能。黑液粘度:50mPas(30; pH=12.60;总固形物:352.5g/l;灰分:116.0g/l;残碱量(NaOH计:6.3g/l;硅含量:13.1g/l。2.2二氧化硅对麦草碱法蒸煮黑

11、液黏度的影响分别向浓度为14.8%、31.7%、45.2%的麦草碱法蒸煮黑液中加入定量的二氧化硅,其黏度测定结果如表1。表1 二氧化硅对黑液粘度影响Table 1 The effect of silica on the viscosity of black liquor固形物浓度(% 黑液质量(g加入SiO2(g硅占总固形物值SiO2计(%粘度(mPas14.8 50.1003 0 7.0 5.114.8 50.0491 0.1522 9.0 5.014.8 50.3000 0.3056 11.0 5.014.8 50.4009 0.4498 13.0 5.214.8 50.2065 0.61

12、15 15.0 5.614.8 50.0298 0.7677 17.0 6.031.7 30.0342 0 7.0 50.531.7 30.1155 0.1909 9.0 5231.7 30.7622 0.3900 11.0 5431.7 30.9561 0.5890 13.0 5631.7 30.0902 0.7631 15.0 5831.7 30.7009 0.9732 17.0 59.544.2 20.4509 0 7.0 160044.2 20.3912 0.1843 9.0 160044.2 20.2037 0.3653 11.0 155044.2 20.3101 0.5508 13

13、.0 170044.2 20.0964 0.7267 15.0 175044.2 20.2076 0.9134 17.0 1800从表1得知,向浓度为14.8%的黑液中添加二氧化硅,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的5.1 mPas逐步上升至6.0 mPas,黑液粘度增加了17.64%。向浓度为31.7%的黑液中添加二氧化硅,使硅占黑液总固形物从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的50.5 mPas逐步上升至59.5 mPas,黑液粘度增加了17.82%。向浓度为44.2%的黑液中添加二氧化硅,使硅占黑液总固形物从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘

14、度从初始的1600 mPas逐步上升至1800 mPas,黑液粘度增加了12.5%。因此,二氧化硅对不同浓度麦草黑液粘度影响大小顺序为:中浓黑液低浓黑液>高浓黑液。2.3麦草灰分对麦草碱法蒸煮黑液黏度的影响分别向浓度为14.8%、31.7%、45.2%的黑液中加入定量的麦草灰分,其黏度测定结果见表2。表2麦草灰分对黑液粘度影响Table .2 The effect of wheat straw ash on the viscosity of black liquor黑液浓度(%黑液质量(g加入麦草灰分(g硅占总固形物值SiO2计(%粘度(mPas14.8 50.2043 0 7.0 5.

15、131.7 30.0945 0 7.0 50.544.2 20.2703 0 7.0 1600从表2得知,向浓度为14.8%的黑液中添加麦草灰分,并根据麦草灰分中的硅含量,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的5.1 mPas逐步上升至6.2 mPas,黑液粘度增加了21.57%。向浓度为31.7%的黑液中添加麦草灰分,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的50.5 mPas逐步上升至62.5 mPas,黑液粘度增加了23.76%。向浓度为44.2%的黑液中添加麦草灰分,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初

16、始的1600 mPas逐步上升至1850mPas,黑液粘度增加了15.63%。因此,麦草灰分对不同浓度麦草黑液粘度影响大小顺序为:中浓黑液>低浓黑液>高浓黑液。2.4硅酸钠对麦草碱法蒸煮黑液黏度的影响分别向浓度为14.8%、31.7%、45.2%的黑液中加入定量的硅酸钠,其黏度测定结果见表3。表3硅酸钠对黑液粘度影响Table .3 The effect of sodium silicate on the viscosity of black liquor黑液浓度(% 黑液质量(g加入硅酸钠(g硅占总固形物值SiO2计(%,粘度(mPas14.8 50.2759 07.0 5.13

17、1.7 30.0824 07.0 50.544.2 20.1305 07.0 1600从表3得知,向浓度为14.8%的黑液中添加硅酸钠,通过换算硅酸钠中含硅比重,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的5.1 mPas逐步上升至7.0 mPas,黑液粘度增加了37.25%。向浓度为31.7%的黑液中添加硅酸钠,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的50.5 mPas逐步上升至72 mPas,黑液粘度增加了42.57%。向浓度为44.2%的黑液中添加硅酸钠,使硅占黑液总固形物值从原始的7%逐步增加至17%,黑液的粘度从初始的1600 mP

18、as逐步上升至2300mPas,黑液粘度增加了43.57%。因此,硅酸钠对不同浓度麦草黑液粘度影响大小顺序为:高浓黑液中浓黑液>低浓黑液。2.5硅化物对不同浓度黑液黏度的影响向浓度为14.8%黑液中分别加入定量的二氧化硅、麦草灰分和硅酸钠,并加水调节黑液的浓度和pH值,保证黑液总固形物含量和pH值在13-14不变。测定结果见图1。从图 3 得知，加入硅酸钠，硅含量在 7%-11%期间黑液粘度上升缓慢；硅含量在 11%-13% 时粘度开始迅速增加，在这一区间粘度增加了 20%左右；硅含量在 13%-17%时粘度又开始缓 慢上升。 加入麦草灰分， 硅含量在 7%-11%时黑液粘度缓慢上升；

19、硅含量在 11%-13%时粘度基本保 持不变；硅含量大于 13%时黑液粘度略有上升。 加入二氧化硅， 硅含量在 7%-11%时黑液粘度基本保持不变； 硅含量在 11%-13%时粘度略 有上升；硅含量大于 13%时黑液粘度又开始保持不变。总体上，加入麦草灰分和加入二氧化 硅黑液粘度增加情况相似，但是二者均没有加入硅酸钠时黑液的粘度上升情况明显。 因此，加入硅酸钠对高浓麦草黑液粘度影响最为显著，尤其在硅占总固形物的量为 11%-13%期时，硅酸钠的加入对高浓黑液粘度有显著影响。加入二氧化硅对高浓麦草黑液粘 度影响最小， 加入麦草灰分对高浓麦草黑液粘度略有影响， 但是其对高浓麦草黑液粘度影响 远没有硅酸钠明显。 3 结论 （1