竹浆深度脱木素蒸煮同步留硅工艺优化及机理研究

竹浆深度脱木素蒸煮同步留硅工艺优化及机理研究我国木材资源匮乏，非木材资源丰富，因此大力发展非木材制浆对优化我国造纸工业原料结构具有重要的战略意义和现实意义；但非木材中硅含量较高，在制浆过程中浆料中的硅大量溶出进入黑液造成的“硅干扰”，给碱回收带来了巨大的难题，因此，研究减轻或消除硅干扰问题具有很大的现实意义。本论文主要对竹浆深度脱木素蒸煮同步留硅工艺进行了优化，并对留硅剂的作用机理进行了研究，课题对竹浆中硅的含量和分布进行了分析，优化了硫酸盐法黑液硅含量测定的方法，研究了硫酸盐法蒸煮过程中硅的溶出及抑制规律，根据竹浆硅的含量和分布以及蒸煮过程中硅的溶出及抑制规律对蒸煮同步留硅工艺进行了优化，分析了原蒸煮工艺留硅作用的局限性，对比分析蒸煮不同阶段留硅剂的作用效果，确定了留硅剂添加的最佳阶段，确定了最佳阶段的最佳保温温度、保温时间和用碱量，设计正交试验进一步证明蒸煮同步留硅的最佳工艺条件，对留硅剂的协同作用进行了初步研究，并对留硅剂的留硅机理进行了初步的探索。研究结果表明：竹类原料的竹屑中含有大量的硅，主要是由于竹屑中所含大量尘砂类物质硅含量较高，因此竹片进行蒸煮之前，竹原料的充分清洗筛选对降低黑液硅含量很重要；竹类原料的外表面层也含有较高的硅含量，且多以单质的形式存在，少量以SiO2或复盐形式存在，这部分硅对碱液较容易分解，在蒸煮过程中蒸煮液碱性条件下较易溶出，且溶出率要高于草类原料。留硅剂的留硅过程主要发生在竹浆蒸煮预浸段，因此，预浸段蒸煮留硅剂作用效果的研究是本课题研究的关键。根据单因子轮换法得出，预浸段留硅剂留硅效果最好的最佳保温温度为100℃，最佳保温时间为90~120min，最佳用碱量为12%。根据正交试验设计结果可知，预浸段留硅剂留硅效果最好的蒸煮工艺组合为A2B3C3，即保温温度为100℃，保温时间为120min，用碱量为12%，此时，黑液硅的去除率可达79.49%。对于竹浆深度脱木素蒸煮同步留硅机理的初步探索发现，偏铝酸钠、氧化钙及硫酸镁无论是单独作用还是协同作用时都具有抑制硅转移的效果。偏铝酸钠留硅机理为：在蒸煮过程中，添加的偏铝酸钠可与蒸煮液中的硅物质发生反应，生成疑似硅酸铝钠的硅铝无定形复合物，该物质不溶于水，且具有一定的吸附性，可吸附在纸浆纤维表面，从而使黑液中的硅物质转移到纸浆上，达到留硅的效果。钙铝协同留硅的机理为：在蒸煮过程中，氧化钙、偏铝酸钠与黑液中的硅物质发生反应，生成了一种钙水化石榴石，该水榴石为晶体，能够稳定的存在于酸碱溶液中；同时，也生成了Ca2SiO4、硅灰石及Ca(OH)2等具有粘结和吸附性的物质，这些物质较为均匀的附着在钙水化石榴石表面，并使其吸附粘结在纸浆纤维表面；因此，导致了黑液中硅含量的降低，及纸浆中硅含量的升高，从而达到了留硅的作用效果。镁铝协同留硅的机理的初步猜测为：在蒸煮过程中，添加的偏铝酸钠与黑液中的硅物质发生反应，生成了硅铝的无定形复合物。成浆段添加硫酸镁后，硫酸镁在碱液中发生反应生成了水镁石，可能也有部分硫酸镁与蒸煮液中的Al、Si等物质生成了镁铝化合物或硅镁化合物等。由于水镁石比表面积极大，具有优异的吸附性能，它能够吸附在纸浆纤维的同时也吸附蒸煮液中生成的其他沉淀物质，其他沉淀物质被吸附到水镁石表面与水镁石接触时，会发生两种情况：一是单纯的物理吸附，并未发生化学反应；另一是其他沉淀物质与水镁石发生了某种化学反应生成