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江西山竹(苦竹)硫酸盐法蒸煮脱木素历程和动力学的研究



全 文 :江西山竹 (苦竹) 硫酸盐法蒸煮
脱木素历程和动力学的研究
陈嘉翔 余家鸯 詹怀字
(华南工学院化工二系造纸教研组)
前 言
竹子是造纸用的一种重要的非木材原料 ,
在我国长江以南各省都有纸厂使用 竹 子 作 原
料 。 据调查 , 全国共有 70 多家竹子制浆造纸厂 ,
年产竹浆约 9 万吨 〔 ` ’ 。
为 了使现行竹浆蒸煮曲线更加合理 , 从而
达到提高质量 , 增加产量的目的 , 我们进行了
江西山竹 (苦竹 ) 硫酸盐法蒸煮历程的研究 ,
旨在找出江西山竹硫酸盐法蒸煮脱 木 素 的 规
律 , 从而提出修订江西纸厂现行蒸煮曲线的建
议 。
关于木材和草类原料硫酸盐法蒸煮脱木素
动 力学的研究 , 国内外已进行了不少 .rz “ , , 但是
竹子硫酸盐法蒸煮动力学的研究尚少 , 有的研
究也没有报道其活化能〔气 国内则尚属空 白 。为
了使江西纸厂能够很好地掌握蒸煮竹 浆 的 质
量 , 在进行江西山竹硫酸盐法蒸煮历程研究的
基础上 , 我们进行 了脱木素动力学的研究 , 以 :
求得江西山竹在整个硫酸盐法蒸煮的升温和保
温阶段的活化能 , 计算 相 对 反 应 速 率 常数
(K
:
)
, 利用 H 一因子控制蒸煮过程 。
试 验 方 法
一 、 原朴
原料为江西纸厂生产用的主要竹种— 苦竹 , 它是小山竹的一种 , 由江西纸厂提供 。 蒸煮
历程试验所用竹片长为 20 一 30 毫米 , 宽 10 毫米
左右 。 蒸煮脱木素动力学试验用 2 0 / 40 目竹粉 ,
为的是使蒸煮均匀 。江西 山竹化学组成见表 1 。
灰 分 硝酸一乙醇
纤 维 素
江 西 山 竹 (苦 竹 ) 原 料 化 学 组 成 ( % )
} 木 素 } 抽 出 物戊 糖 }— }— —}K , a“ o n 木素 {酸溶木素 } ’ % N a o H {热 水 {苯 醇 糖醛酸1 4 . 9 1 } 1 。 3 8 } 4 7 . 7 4 { 2 1。 1 1 2 5 . 3 7 1 1 . 6 8 1 2 4 . 9 2 】 4 . 7 8 1 2 . 33 3 。 08二 、 蒸煮蒸煮是在八罐甘油浴蒸煮器中进行 。 每罐
容积 1 升 , 装绝干料 1 20 克 。 蒸煮用 碱 量 20 %
( N a O H计 ) , 硫化 度 2 5 % , 液 比 1 : 3 . 6。
蒸煮历程试验 : 甘油浴预 热 至 80 O C 后 装
罐 , 然后按预定温度和保温时间取出小罐 , 取
样分析 。
蒸煮脱木素动力学试验 : 试验温度为 1 0 、
1 2 0

1 4 0和 i 6 0 0 C , 装罐前甘油浴先加热 至试
验温度 , 控制装罐后回升至试.验温度的时间为
1 0分钟 , 在试验温度下保温时间为 0 、 2 0 、 4 0 、
6 0

8 0

1 0 0

1 2 0和 1 4 0分钟 。
三 、 分析
1
. 黑浓分析采用电位滴定法测定活性碱
和硫化钠的浓度山 。
2
. 原料和纸浆化学成分分析
本文于 1 9 8 4年 1 2月 1 0日收到 。
参加本项 目的试验人员还有 : 华南工学院的杨赞钦 、 严润 ,
群 、 麦康平 、高婉柔 、 周裴灿 、 麦应荣 ; 江西纸厂的陈剑菲 、 瓣
庆元 。
( 1 ) Kl尽 sn o木素和酸溶木素的测定按
吴国雄改进的方法山 。
( 2 )糖醛酸的测定按陈嘉翔等改进的方
法 〔 7, 。
( 3 ) 聚戊糖 、 灰分 、 苯醇抽 出物 、 1 %
N a O H 抽出物 、 热水抽 出物 、 硝 酸一乙 醇纤维
素和高锰酸钾值的测定按国家 标 准 方 法 (草
案 ) 。
结 果 与 讨 论
一 、 江西山竹硫酸盐法蒸煮结果见表 2 。
, 从中可以看 出 :
1
. 江西山竹硫酸盐法蒸煮过程脱木素速
卜 率可以分为三个阶段 (见图 1 ) 。 第一阶段是
忿 从 80 O C升温至 16 o0 C的整个升温阶段 (升 温 时
间 8 4分钟 ) , 脱木素率达 83 . 3 % , 可以 称 为
大量脱木素阶段 , 此时竹片已经成浆 , 但有粗
渣 , 纸浆的高锰酸钾值为 2 8 . 26 。 第二阶 段 是
在 1 60 ℃保温 1 小时 , 这个阶 段 脱 木 素 率 为
n
.
3 1%
, 可以称为补充脱木素阶段 , 此 时 竹
片已完全成浆 , 高锰酸钾值为 15 . 5 。 第三阶段
是在 1 6 0o c继续保温 1 小时 , 这个阶段脱 木 素
率只有 1 . 48 % , 可以称为残余木素脱除阶段 ,
此时的高锰酸钾值为 13 . 23 。
木素 (沁 )
奋— KM o o `谊
吞— 总木亲
O
se
K la : 。 禾亲
x — 吸溶木索
30241la6川l|月ls1201|洲*0`足丫
注兰乡一补兰弓里的皿 度 ( .伪
升遥时间 (分 )
图 1 硫酸盐蒸煮过程中各种木素含量及 K枷 O4
值的变化
从上述情况可以看出 , 有 1 小时 24 分钟的 ,
升温时 l’de (升温到 1 6 0 o C ) , 并在 1 6 0 o C保温 1
小时 , 可以得到高锰酸钾值为 1 5 . 5 完全 分 散
的纸浆 。
2
. 蒸煮过程 中聚戊糖 、 糖醛酸 、 苯醇抽 :
出物和灰分的溶出趋势基本上与木素相仿 , 因
此 , 蒸煮得率的下降基本上与木素含量的下降
和碳水化合物含量的下降一致 。 而且 , 蒸煮得
率较低 , 这是硫酸盐法蒸煮的特点 。
3
. 蒸煮过程中碱液浓度的下降或氢氧化
钠和硫化钠的消耗速率 , 基本上与脱木素速率
和碳水化合物溶出速率一致 , 只是硫化钠浓度
在保温的最后阶段有所升高 , 这说明硫化木素
已经开始脱硫 。 蒸煮液的 p H 值一直在不断下
降 。 此外 , 蒸煮终 了时的残碱浓度还相 当高 ,
这说明用碱量还可以降低 。
二 、 江西山竹粉不 同保温温度及时 间的蒸
煮结果见表 3 至表 6 。
根据表 3 至表 6 的数据 , 用最小二乘法计
算出不 同温度下的脱木素反应速率常数 ( K ) , .
列于表 7 。
从表 7 可以看 出 , 江西山竹硫酸盐蒸煮脱
木素动力学属二级反应 。 按照二级反应速率常 ,
数值 , 用最小二乘法计算整个升温和保温期间 i
的活化能 ( E ) 为 9 1 4 5卡 /摩尔 , 相关系数 r =
0
.
9 8 3 2

此外 , 从表 5 和表 6 也可以看出 , 由于试
样是竹粉 , 原料与蒸煮液混合很均匀 , 即使升
温时间很短 (只有 10 分钟 ) , 在 14 o0 C保温 1 小 ·
时 30 分以上或在 1 60 OC保温 20 分钟以上 , 均 可
蒸煮成浆 , 而且纸浆的高锰酸钾值在江西纸厂 -
规定的可漂浆范围内 。 当然 , 对于竹片来说 ,
由于蒸煮液渗透 困难些 , 适当延长升温时间和 :
保温时间是必要的 。 _
结 论 与 建 议
一 、 江西山竹 (苦竹 ) 硫酸盐蒸煮脱木素
历程 , 在本试验范围内可以分为三个阶段 , 即
大量脱木素阶段 (从 8 0o C升温至 1 60 ” )C , 补充
脱木素阶段 (在 1 60 “ C保温 1 小时 ) 和残 余 木
素脱除阶段 (在 16 旷 C继续保温 1 小 时 ) 。 蒸
表 2 江 西 山 竹 硫 酸 盐 法 蒸 煮 结 果
号 K一 0 K一 1 K一 2 K一 3 } K一 4 K一 5 K一 6 K一 7 K一 8
蒸煮温度 (℃ )
蒸煮时间 (分 )
0 0 1 12 0 14 0 6 0 1 16 0 6 0 6 1 10 6 10
一工 Q内h l污了0
dù一
:
门了一24 14 1
…下一 !

PH值
N aZ S(N a0 H计克 /升 )
消耗 ( % )
N
a
0 H (克 /升 )
消耗 ( % )
活性碱 (克 /升 )
消耗 ( % )
1 3

6下 1 3。 3 7
9

6 5
1 3

2 3
6

2 8
1 3

1 5
12

1乏:
0
4 5
.
2 乏互
1 3

32
8
.
30
1 3

0 0
4
.
98
2 0 4
12

6 7
5

3 1
3 1

1 7
3 3

1 1
4 0

2 4
2 7

0 6
4 5

8 7
5

9 3
5 7

0 36 4

4 1
1 5

8 9
1睡4
12

8 4
4

2 9
6 4
.
58
1 3

7 1
6 7

0 1
0 7

76 7 1

7 7
20

4 5 35

0 6
2 2

4 3
46

1 7
18

8 7
4 5
.
9 36 1

8 6
1 3

1 7
6 8
.
39
1 1

90
7工。 4 4
确 5 7。 4 ( )
0
4 2

6 7
2 3

1 9
3 5

36
6 3

3 5
2 8

7 12 4

7 1 1 7

2 3 1 7

2 1
4 8

2 3 5 5

52
2 0

8 7
6 2

4 3
8 1

6 3
6 6

4 76 8

9 96 9

0 2
对 浆 ( % )
对原料 ( % )
脱除率 ( % )
对 浆 ( % )
对原料 ( %)
对 浆 ( %)
对原料 ( % )
对 浆 ( % )
对原料 ( % )
脱除率 ( % )
对 浆 ( % )
对原料 ( % )
对 浆 ( % )
对原料 ( %)
对 浆 ( %)
对原料 ( %)
对 浆 ( % )
对原料 ( % )
脱除率 ( % )
2 1

2 5 30

3 7
2 1

1 18 1

96 14

8 1
8 1

4 3
1 1

0 4
19

3 7
10

4 0
1 9

4 9
9

78
2 0

6 2
9

4 6
2 0

4 0
9

3 5
2 0

2 1
9

1 3
10

8 2 1 9

8 4 4 7

70 0 5

73 5 3

6 7 5 5

1 9 5 5

7 1 56

7 5
戊聚糖
胶l a-
S on
木素
酸木
榕紊
2 5

3 7
2 1

5 5
8 1

9 7
1 9

6 1
14

2 6
14

4 6
8

70
7

36
3

9 5
3

4 8
1

7 1
2

5 5
1

1 7
1

78 1

74
0

8 2 0

79
1

6 2 0

6 2
`
0

58 0

8 5
1

6 8
1

8 7
1

6 5 1

8 1
1

56
0

94
1

0 5
0

6 5
0
.
6 7
0

34 0

2 8 0

2 70

2 6
4

1 5
2 7

0 5
2 3

4 2
2 0

6 2
2 1

2 3
1 5

4 4
6 1

02
9

6 4
8

4 1
4

5 1
2 3

7 74 2

92 6 4

36 8 3

3 3
2

0 5
2 9

4 2
3

1 7
1

4 5
4 9

6 4
2

36
1

0 9
9 5

9 7
2

32
1

0 5
6 9

12
总素木
1

38
1

4 5
1

2 8
1

4 3
1

0 4
1

0 3
0

6 2
0

78
0

4 2
0

8 1
0

4 0
0
,
8 6 0

8 1 0

8 7
0

3 9 0

3 7 0

39
分灰
一苯抽
出游物
2

1 2 1

9 0 1

3 4 0

7 8 0

6 4 0

4 9 0

7 5 0

4 8
0
·
3 1 】 o · 2 2 0 。 3 4
3

02 1

7 4 1

2 1 0

5 9
3

0 8 2

6 6 1

0 5 0

6 5 O

2 7 0

14
酸糖醛
73

0 1 7 5

4 4 9 4

4 0 9 5

4 8
6 9

2 4 6 4

2 9
7

1 5
5 4

8 6
2 0

7 7
8 1

6 1
4 9

13
9 0

0 3
4 8

3 3
2 9

0 4 30

2 0
4 6 J 3 1
3 3

1 2
4 3

83
3 6

7 0
9 6

0 8
4 4

6 1
9 6

3 3
4 3

7 3
3 6

4 3 3 6

8 4
水碳合化物
浆得率 ( % )
K h如 0 4值
1 0 0 8 8

0 5 7 2

7 2 6 0

2 0 5 3

6 8 4 9

0 6 4 5

9 0 4 5

8 1 4 5

4 0
2 8

2 6 1 9

9 8
成浆极少粗渣
1 5

5 5 1 3

3 7 1 3

2 3
外 观 } 未成浆 未成浆 未成浆 成浆有粗 渣 已成浆 已成浆 已成浆
表 3在 10 ℃不同保温时间的硫酸盐法蒸煮结果
保温时间 (分 )
残碱 (克 /升 )
得率 ( % )
40 16 0 10 0 2 0 10 1 4
36
.
9 432

5 3 31

70 3 1

5 30 3

8 7 30

9 40 3

5 7
78

2 6 8 1

6 0 6 6

3 46 5

0 96 4

1 46 2

9 56 2

5 7
6
,111,162
,生土
lK
a s o n 木素 对 浆 ( % )对原料 ( % )
1 9

1 6
1 4

9 8
1 5

5 7
1 0

1 4
1 5

0 6
9

7 0
1 4

8 5
9

3 5
1 4

0 7
8

8 0
,工
O酸溶木素 对 浆 ( % )对原料 ( % )
1

4 0
0

9 1
1

3 3
0

8 6
.
2 6

7 9
1

2 7
0

80
03ùJ4OU0一49
1 7

4 7
11

9 8
1 7

0 5
1 1

31
16

9 7
1 1

0 5
1 6

3 9
1 0

5 6
1 6

1 1
10

1 4
15

3 4
9

6 0
一32ū了071.41
l一079尸01ù勺曰l
60
内匕八O
只no1山二总 木 素 对 浆 (% )对原料 (% )
20

8 2
16

2 8
表 4 在 12 0℃不同保温时间的硫酸盐法蒸煮结果
保温时间 (分 )
残碱 (克 /升 )
得率 (% )
1 0 0 1 2 0 1 4 0
3 4

4 2 29

8 2 2 7

8 5 27

6 8 2 7

6 5 26

7 3 26

9 9 2 5

8 2
7 1

1 5 6 3

2 1 6 2

3 7 5 9

9 0 5 9

2 1 5 9

1 9 57

7 2 58

3 7
K l a s o n木素 对 浆 ( % )对原料 ( % )
17

00
12

10
1 4

6 1
9

23
13

3 8
8

3 5
1 2

03
7

2 0
10

9 5
6

4 9
1 0

3 5
6

1 2
9

6 3
5

5 6
9

2 7
5

4 1
OUù11土7酸溶木素 对 浆 〔% )对原料 ( % )
1

5 0
0

9 5
1

2 6
0

7 8
1

25
0

7 5
1

2 9
0

7 6
1

2 6
0

9 2
1

13
0

6 6
0072 6
总 木 素 对 浆 (% )对原料 (% )
18

7 8
13

3 6
1 6

1 1
10

1 8
14

6 4
9

13
13

2 8
7

9 5
1 2

24
7

2 5
11

5 3
6

8 2
10

8 9
6

29
10

4 0
6

0 7
表 5 在1 4 0℃不同保温时间的硫酸盐法蒸煮结果
0 2 0 4 0 8 0 1 00 1 2 0 1 4 0
残碱 (克 /升 ) 2 9 。 5 7 26 。 83 24 。 2 8 2 3 。 82 2 4 。 0 7 2 3 。 4 8 2 3 。 2 0 2 2 。 6 8
得率 ( % ) 6 3 . 6 0 57 。 11 55 。 8 0 5 2 。 9 6 53 。 4 2 53 。 3 7 5 2 。 4 0 51 。 8 7
K l
a s o n木素 对 浆 (% ) 1 4 。 1 8 9 。 15 6 。 7 7 5 。 5 2 4 。 8 3 4 。 2 2 3 。 88 3 。 5 3
对原料 (% ) 9 。 0 2 5 。 2 2 3 。 7 8 2 。 92 2 。 58 2 。 2 5 2 。 0 3 1 。 8 3
酸溶木素 对 浆 ( % ) 1 。 7 6 1 。 75 1 。 0 7 0 。 97 0 。 84 0 。 7 3 0 。 74 0 。 7 1
对原料 (% ) 1 。 1 2 1 。 00 0 。 5 9 0 。 5 1 0 。 45 0 。 3 9 0 。 39 0 。 37
总 木 素 对 浆 ( % ) 1 5 。 94 1 0 。 9 0 7 。 8 4 6 。 4 9 5 。 6 7 4 。 9 5 4 。 6 2 4 。 2 4
对原料 (% ) 1 0 。 1 4 6 。 22 4 。 3 7 3 。 4 4 3 。 0 3 2 。 6 4 2 。 42 2 。 2 0
KN n[ 0 4值 1 8 。 53 1 7 . 5 8 1 7 。 1 9 14 。 2 0
表 6在1 60℃不同保温时间的硫酸盐法蒸煮结果
保温时间 (分 )
残碱 (克 /升 )
得率 (% )
2。
}
`。
1 0 01 2 01 4 0
2 4

73 2 2

9 61 2
。 连5 1 9 。 9 7 1 9 。 3 61 9 。 1 41 8。 81九匕O J
5 7

1 25 2

3 65 1

4 85 0

9 5 8 0

3 9 49

9 9 8 4

75 4 8

9 6
K l
a s o n木素 对 浆 % ) (
对原料 (% )
9

1 2
5

1 2
3

7 0
1

9 5
2

7 4
1

27
2

0 2
1

03
1

O

1

1 4
0

7 0
1

43
0

1 7
1

5 2
0

1 6
3 268
0

0

0

73
0

3 7
0

61
0

3 0
0

6 0
0

9 2
40自八 00ē Uù 03八匕 no
1
1… lù
,lq乙ǎ匕OdēU6 O4ōO八叮`n`Zt了司1CU酸溶木素 对 浆 ( % )对原料 (% )
0

0

51
上009总 木 素 对 浆 ( % )对原料 ( % )
1 0

3 9
5

9 3
4

3 6
2

2 9
3

0 8
1

5 9
2

6 7
1

3 6
2

2 7
1

1 4
2

1 4
1

0 7
2

04
1

0 1
1

O

K M比0 ;值 , 8: 9` {
1 5
·
7 5
1 3

5 0 1 2

1 5
1 1
· 。 6
)
1。 · 9 7
1 0

7 5 1 0

3 5
表 7 在不同温度下进行硫酸盐法蒸煮的脱木素反应速率常数
反应温度 (。 C ) 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0
按一级反应 K 值相关系数
3
. 乏{0 4 4 x 1 0 一 3
一 0 。 9 3 6 7
5
.
2 9 58
火 1 0一 3
一 0 . 9 6 4 6
1 0
.
1 5 18 x 10
一 3
一 0 。 9 4 9 3
1 1
.
0 584 又 1 0一 3
一 0 . 87 7 3
木素与残碱关系 C = 1

0 72 1 L
+ 1 9

8 4 5 0
C = 1

0 6 1 4 L
+ 1 9

4 7 4 4
C 二 0 . 8 4 8 4 L
+ 2 1

0 8 6 6
C = 1

8 1 9 5 L
+ 1 8

3 7 8 9
相 关 系 数 0 。 9 7 4 7 0 。 9 6 9 4 0 。 9 8 9 2 0 。 9 1 8 2
按二级反应 K 值相关系数
0
.性) 7 36 x 1 0 一 4
一 0。 9 4 7 5
1
.
8 4 7 6 x 1 0
一减
一 0 。 9 7 3 8
4
.
0 6 5 9 x 1 0
一 `
一 0 。 9 5 9 1
4
.
9 3 8 2 火 1 0一 `
一 0 . 8 9 8 1
煮的升温时间仅 1 小时 24 分钟 , 在 160 “ C 保 温
1 小时就可以满足江西纸厂现行纸浆质量要求
(高锰酸钾值 14 一 18 ) 。 为此 , 建议江西纸厂
进行如下生产试验 :
首先适当延长空转时间 , 以保证蒸煮液与
竹片混合均匀 , 同时适当缩短低压保温时间 ,
然后逐步缩短高压保温时间 , 使最后的蒸煮曲
线为 :
0 k g z

m
,卫三里旦* 0 k g / e m边止止丝. , 4 k g /。 m Z
卫二丝 , 0 . s k g z。 m Z 目些里旦、 , 4 k g /。 m Z 卫立丝 ,
4 k g z

m
Z卫止we丝 . , 5 . s k g zc m Z生之旦旦, 5 . s k g /e m Z
— , 放汽倒料当然 , 试验应逐步进行 , 在成功的基础上
再考虑降低用碱量 (黑液进行碱回收时 , 可暂
不考虑降低用碱量 ) 。
二 、 江西山竹硫酸盐蒸煮脱木素动力学属
二级反应 , 在试验条件下 , 整个升温和保温期
间的活化能 ( E ) 为 9 1 4 5卡 /摩尔 。
参 考 文 献
〔 1 〕
〔 2 〕
〔 3 〕
〔 4 〕
〔 5 〕
〔 6 〕
〔 7 〕
如何解决我国造纸原料不足问题 , 光明 日报 , 1 9 83
年 1 2月 9 日 .
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A S tu dy o n t he M e e ha ni s m a n dK i e n ti c s oS f
u l fa te C o ok i n g o f
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C he n Ji a 一 xi a n g, Y u J i a 一 l u a n , Z h a n H u a i一 y u
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(上接第 4 5页 ) ( e o n t i n u e d f r o m P . 4 s )
节约标准煤 20 0克计 , 则每年节煤量可达 14 一16
万吨 , 可降低造纸成本约 3 0 0 0万元 。 由 此 可
参 考 文 献
〔 1 〕 许萃群 , 《余热发电》 , 上海科技出版社 1 9 8 1年版 。
〔 2 〕 金亮 , 《余热利用与工业汽轮机的应用 》 , 杭州工业
见 , 热电联产是今后造纸工业节能 的 发 展 方
向 。
汽轮机研究所单行本 , 1 9 8 3年 9 月 。
〔 3 〕 王 中森 , 《热电联产 、 余热发电用工业汽轮机》 , 杭
州工业汽轮机研究所单行本 , 1 9 8 3年 9 月 。
〔 4 〕 (动力快讯》 , 1 9 84年第 2 期 .
M a t e r i a l i z a t i o n o f P r e s s u r e 一 D i f f e 犷e n t i a ! P o w e r G e n e 了a t i o n
in M e dl u m a n d Sm a l l S j z e d P a p e r M i l l S a n d l t s P r o s p e c t s
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