紙張製造中的製漿過程
製漿是利用化學的方法,機械的方法,以及兩種方法相結合的方法,除去紙漿原料木材及其他植物纖維原料中的木素、碳水化合物等非纖維物質,纖維解離製成粗漿,再經洗滌、篩選、淨化或進一步漂白精製成用於製造紙張和紙板的紙漿。
採用以氫氧化鈉、硫化鈉為主要成分的蒸煮液蒸煮纖維原料製漿工藝是重要的製漿方法之一,是化學製漿中鹼法製漿的一種,稱作硫酸鹽紙漿。起源於18世紀,100多年來其工藝改變不大,但其操作單元、設備、自控、鹼回收等技術有了長足的進步。百年來仍能占據紙漿製造的主要地位,其紙漿產量約占紙漿總產量的70%,這和以下原因有關;
(1)對纖維原料的適應性強,能適用所有紙漿纖維原料;
(2)紙張強度好,為各種紙漿所不及;
(3)能源消耗少,設施完善的硫酸鹽紙漿廠能達到能源自給;
(4)鹼回收技術完善,黑液的污染問題已圓滿解決。
硫酸鹽法製漿的蒸煮機理
硫酸鹽製漿的工藝過程為:木片和藥液送入蒸煮器,在170℃溫度下保持90分鐘,蒸煮後的漿料經噴放、回收蒸汽、洗滌後得到硫酸紙漿,廢液經回收、提取、蒸發、燃燒、苛化得到氫氧化鈉和硫化鈉的白液,再用於木片的蒸煮過程。
(1)蒸煮藥劑:蒸煮藥劑由氫氧化納和硫化鈉(稱為白液)組成,氫氧化鈉濃度大約為1.0mol/L,硫化鈉為0.2 mol/L,藥液的pH值13.5~14.0,藥液的活性成分為OH和HS;
(2)蒸煮液的浸透:蒸煮過程是多相反應,硫酸鹽法蒸煮液向木片內的浸透為毛細管作用下的壓力浸透和濃度差為推動力的擴散過程,藥液在木材內的浸透通路主要靠細胞腔和紋孔。藥液浸透對蒸煮的影響明顯。不同纖維原料的藥液浸透速度差別很大,樹脂含量多和比重大的樹種難浸透;
(3)脫木質素反應:木素結構中醚鍵約占一半以上,硫酸鹽蒸煮中醚鍵都可斷裂,生成能溶於蒸煮液的化合物,達到脫除的木素的目的;
(4)碳水化合物的反應:鹼性條件150℃以下為剝皮反應,150℃以上則發生聚糖苷鍵的無規則斷裂,木聚糖溶解被脫除,
在鹼性條件下脫木素的同時,纖維素和半纖維素在蒸煮液中受到破壞和降解,纖維素在蒸煮液中也可以發生水解降解,使聚合度下降,從而影響紙張的強度。
蒸煮廢液的回收利用
蒸煮後纖維原料組分的一半溶解在蒸煮液中,部分蒸煮藥劑也殘留在蒸煮液中。蒸煮後分出紙漿後蒸煮液稱為“黑液”,每生產1噸化學紙漿,約產生1.4噸黑液。其中有機物主要是木素、纖維素、半纖維素的降解產物,低分子有機酸等。無機物主要是鈉鹽,游離氫氧化鈉、硫化鈉、碳酸鈉和灰分等。回收系統可由黑液中回收化學藥品和熱能。