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竹子半纤维素的热水预抽提及其对KP法制浆和ECF漂白性能的影响

作　者: 胡会超
导　师: 詹怀宇
学　校: 华南理工大学
专　业: 制浆造纸工程
关键词: 热水预抽提模型 KP法制浆 ECF漂白竹子
分类号: TS745
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

热水预抽提技术作为一种经济、环保的生物质预处理技术,具有对设备腐蚀低、预抽提液中寡糖含量高、单糖降解率低、对纤维素破坏较小和木素溶出较少等优点,已成为结合制浆造纸生物质精炼的研究中应用最为广泛的生物质预抽提技术之一。竹子,作为我国南方一种重要的非木材原料,其结合制浆造纸的高值化利用的研究,对于木材原料匮乏的我国的生物质资源化利用和制浆造纸产业的持续发展具有重要意义。因此,本论文以我国南方的竹子为原料,进行了制浆前的热水预抽提,然后进行硫酸盐蒸煮和无元素氯(Elemental Chlorine Free,简称ECF)漂白,分析了热水预抽提条件对抽提液各主要组分变化规律及后续KP法制浆和ECF漂白性能的影响,为竹子结合制浆造纸的生物质精炼提供理论依据和技术支持。采用热水预抽提技术、离子色谱和高效液相色谱的检测手段,在不同的最高温度和保温时间下,对竹子主要糖组分(葡萄糖、木糖、阿拉伯糖)的抽提得率及其主要降解产物——糠醛和羟甲基糠醛的浓度进行了考察。探讨了木糖、葡萄糖和阿拉伯糖的寡糖、单糖得率,糠醛和羟甲基糠醛浓度随反应温度和反应时间的变化规律。进一步,采用H-因子对数(LogH)做变量,对热水预抽提液各组份的变化规律进行了研究。得到了获得最大量糖组分得率的同时、尽量减少抽提液中糖组分降解产物浓度的合理LogH范围以及热水预抽提的最佳温度范围。为了了解热水预抽提过程糖组分溶出和降解的机理,建立了预测热水预抽提液中糖组分得率及其降解产物浓度的动力学模型,研究了半纤维素在热水预抽提过程中的反应动力学特性。发现竹子中木聚糖和阿拉伯聚糖的溶出、木寡糖、木单糖、阿拉伯糖、糠醛的降解反应速率系数与氢离子浓度呈指数或线性关系,即氢离子对以上各组分的生成和降解具有催化作用。据此,建立了预测热水预抽提液中木寡糖、木单糖和阿拉伯糖得率、糠醛浓度的动力学模型,该模型能很好地对以上四种物质的量进行预测(R2大于0.985)。竹子中总糖的抽提程度对于热水预抽提后续的KP法制浆和ECF漂白具有重要影响,建立戊糖、己糖和糠醛、羟甲基糠醛生成量的预测模型,进而获得总糖溶出量的经验模型具有重要意义。根据动力学特性的研究结果,将抽提液氢离子浓度引入到H-因子计算式得到了H ’-因子。通过修正反应的活化能,建立了竹子热水预抽提过程戊糖、己糖、糠醛、羟甲基糠醛生成量的经验模型。结果表明,该模型能很好地对热水抽提液中的戊糖、己糖、糠醛、羟甲基糠醛的生成量进行预测(R2大于0.965)。选用三种热水预抽提H-因子(0、500和1000)和三个蒸煮有效碱用量(15%、18%和21%),通过对比KP法制浆的有效碱消耗、VOC生成量和KP浆的卡伯值、得率、黏度、己烯糖醛酸含量、打浆性能,探讨了热水预抽提对竹子后续KP法制浆性能的影响。结果表明,热水预抽提可以提高竹片蒸煮脱木素效率,达到相同卡伯值(20),可节省约2%-3%的有效碱用量,得到更高的纸浆黏度,更低的VOC和HexA生成量;然而,纸浆的得率下降较多,打浆性能也显著下降。选取卡伯值相近(20)的三种热水预抽提后竹片制得的纸浆,采用DQP漂序,通过变化二氧化氯用量和过氧化氢用量,对比漂白浆的白度、返黄值、卡伯值降低率、黏度和相同白度(85%ISO)纸浆打浆性能、相同打浆度(450SR)纸浆的物理强度(撕裂指数、抗张指数、耐破指数),探讨了热水预抽提对竹片KP浆ECF漂白性能的影响。发现热水预抽提可以提高纸浆漂白过程的卡伯值降低率;相同总有效氯因子下,漂后浆的白度较高,返黄值较低,黏度相近;达到相同白度(85%ISO)可节省约1.4%的总有效氯用量,然而返黄值略高、打浆性能下降,且纸浆的物理强度降低。对比不同热水预抽提条件,抽提液糖组分得率和对后续KP法制浆和ECF漂白的正面和负面影响。发现相对于H-因子500的热水预抽提条件,H-因子1000可获得更高的糖组分得率(约为H-因子500的2.5倍);但是,未漂KP浆的得率损失仅由7%增至10%,打浆转数提高了约0.3倍;漂白浆的返黄值未变化,打浆转数提高约0.35倍,纸浆物理强度下降变缓。所以,热水预抽提的强度更高,单位糖组分得率对后续KP法制浆和ECF漂白所造成的不利影响越低。因此,本实验条件下的最佳热水预抽提条件为H-因子1000。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-31
  1.1 研究背景  14
  1.2 我国生物质资源的分布及其利用现状  14-16
    1.2.1 我国典型生物质原料的组成、分布及其利用现状  14-15
    1.2.2 我国竹子资源的组成、分布及其有效利用  15-16
  1.3 结合制浆造纸产业的生物质利用新途径  16-17
  1.4 生物质资源的预处理技术  17-20
    1.4.1 稀酸预抽提  17-18
    1.4.2 蒸汽爆破预处理  18
    1.4.3 碱预处理  18-19
    1.4.4 热水预处理  19
    1.4.5 热水预处理与各种预处理方法的比较  19-20
  1.5 生物质热水预抽提  20-28
    1.5.1 高温热水的特性  20-21
    1.5.2 热水预抽提过程的反应器  21-23
    1.5.3 热水预抽提过程中碳水化合物的溶出和降解机制  23-25
    1.5.4 热水预抽提过程中碳水化合物反应动力学  25-27
    1.5.5 热水预抽提物的进一步转化和利用  27-28
  1.6 热水预抽提对后续制浆和漂白的影响  28-29
  1.7 本论文的目的意义与主要研究内容  29-31
    1.7.1 本论文的目的和意义  29
    1.7.2 研究工作的主要内容  29-31
第二章竹子热水预抽提过程中碳水化合物及其降解产物的变化规律  31-55
  2.1 原料和实验方法  31-33
    2.1.1 原料  31
    2.1.2 热水预处理  31-32
    2.1.3 抽提液的检测  32-33
    2.1.4 糖得率的计算  33
  2.2 结果与讨论  33-53
    2.2.1 不同温度下抽提液的各组分随时间的变化规律  33-42
    2.2.2 基于H-因子描述预抽提过程中各组分的变化规律  42-48
    2.2.3 基于修正H-因子的糖类和糠醛类物质生成量的数学方程  48-53
  2.3 本章小结  53-55
第三章竹子热水预抽提过程中糖组分溶出、降解的动力学特性及经验模型的建立  55-71
  3.1 试验部分  55-56
    3.1.1 原料  55
    3.1.2 仪器与设备  55
    3.1.3 热水预抽提  55-56
    3.1.4 抽提液的检测  56
  3.2 结果与讨论  56-69
    3.2.1 热水预抽提过程中木聚糖溶出和降解的动力学模型  56-64
    3.2.2 基于H ' -因子建立戊糖、己糖和F、HMF 的经验模型  64-69
  3.3 本章小结  69-71
第四章竹子热水预抽提对后续KP 法制浆和ECF 漂白的影响  71-97
  4.1 实验部分  71-72
    4.1.1 原料和药品  71
    4.1.2 仪器与设备  71
    4.1.3 KP 法制浆  71-72
    4.1.4 ECF 漂白  72
    4.1.5 浆料及废液的检测  72
  4.2 结果与讨论  72-95
    4.2.1 热水预抽提对竹子后续KP 法制浆性能的影响  72-83
    4.2.2 热水预抽提对KP 法竹浆ECF 漂白性能的影响  83-91
    4.2.3 热水预抽提工艺的选择  91-95
  4.3 本章小结  95-97
结论  97-101
参考文献  101-111
攻读硕士学位期间取得的研究成果  111-113
致谢  113

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