CN120486146A - 一种利用甘蔗叶制浆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用甘蔗叶制浆的方法，属于制浆造纸技术领域。本发明方法包括以下技术步骤：(1)甘蔗叶预处理：将粉碎后的甘蔗叶浸入混合液中，并微波辐照，过滤后得到蒸煮料；(2)两段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，得到第一浆料；在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，得到第二浆料；(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。本发明的利用甘蔗叶制浆的方法中脱硅率高、木质素脱除率高、纤维素保留率高，且生产过程中所需的碱(氢氧化钠)量少，黒液粘度低，设备不易结垢，设备清洗频率低，生产效率高，生产成本低。

Description

一种利用甘蔗叶制浆的方法

技术领域

本发明属于制浆造纸技术领域，具体涉及一种利用甘蔗叶制浆的方法。

背景技术

传统的制浆造纸原料主要包括木材、废纸和其他纤维植物。然而，随着社会生态环境保护意识的提高和资源的日益紧张，寻找新的可再生、环保的制浆造纸原料已成为行业的迫切需求。甘蔗叶富含纤维素，是一种可供应用于制浆造纸的原料，合理使用蔗叶制浆造纸一方面能够缓解我国造纸原料供应紧张的问题，另一方面能够推动农业废弃物高值化利用，助力区域大气污染防治。

目前，制浆造纸行业普遍采用是烧碱法进行制浆，烧碱法制浆就是通过添加适量氢氧化钠为蒸煮药剂，在一定的蒸煮温度下，与纤维植物中的木质素反应并进行降解，从而以木质素-钠的方式溶解在蒸煮液中。烧碱法制浆作为更加清洁的生产工艺具有很好的发展前景。文献《浅论甘蔗叶制浆造纸》(邱玉桂)研究表明，甘蔗叶中的灰分含量高达10.5％，其中硅(以SiO₂形式存在)是灰分的主要成分之一，占6.5％左右。氢氧化钠作为强碱，能够使木质素从纤维中解离并溶解于蒸煮液中，而甘蔗叶中硅含量高，会与氢氧化钠反应生产硅酸钠(Na₂SiO₂)，消耗蒸煮过程中的有效碱，降低木质素脱除效率，且硅酸钠形成胶体，增加黑液粘度，导致蒸发工段能耗上升(需额外蒸汽10～15％)，同时硅酸盐(如硅酸钙和硅酸镁等)在高温下沉积为硬垢，降低传热效率，设备清洗频率增加，从而显著增加制浆难度与成本。

因此，针对甘蔗叶中高硅的特性，本发明提供一种脱硅率高、木质素脱除率高，生产效率高且生产成本低的甘蔗叶制浆方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种利用甘蔗叶制浆的方法，通过甘蔗叶预处理、两段蒸煮和制浆，使得甘蔗叶制浆过程中脱硅率高、木质素脱除率高，生产效率高且生产成本低。

本发明通过以下技术方案实现：

一种利用甘蔗叶制浆的方法，包括以下步骤：

(1)甘蔗叶预处理：将甘蔗叶清洗干净后，在干燥、通风场地晾晒，将晾晒后的甘蔗叶进行粉碎，然后浸入混合液中，并微波辐照，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料；

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，蒸煮时升温至135～145℃，压力0.45～0.55MPa，保温50～80min，得到第一浆料(主要含有纤维素、黑液、残余的木质素、未反应完全的蒸煮剂)；所述复合蒸煮剂由蒸煮料总重量3.5～5.0％的氢氧化钠、1.0～2.0％的硫氢化钠、0.35～1.0％的烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪酸甲酯乙氧基化物混合而成；

第二段蒸煮：在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，蒸煮时升温至150～160℃，保温30～45min，得到第二浆料(主要含有纤维素，悬浮于黑液中)；所述硅分散剂为蒸煮料总重量0.1～0.25％的聚环氧琥珀酸或聚天冬氨酸；

(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

进一步地，步骤(2)中，所述复合蒸煮剂由蒸煮料总重量3.5～4.0％的氢氧化钠、1.0～1.5％的硫氢化钠和0.35～0.6％的烷基酚聚氧乙烯醚混合而成。

进一步地，步骤(2)中，所述蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:4～6。

进一步地，步骤(2)中，所述硅分散剂为蒸煮料总重量0.1～0.15％的聚环氧琥珀酸。

进一步地，步骤(2)中，所述第一段蒸煮的工艺为：升温至135～140℃，压力0.45～0.50MPa，保温60～70min；

所述第二段蒸煮的工艺为：升温至150～155℃，保温35～40min。

进一步地，步骤(1)中，所述混合液含晾晒后的甘蔗叶总重量0.8～2.5％的柠檬酸和1.5～4.2％的醋酸。

进一步地，步骤(1)中，所述混合液和晾晒后的甘蔗叶的液料比为1:4～6。

进一步地，步骤(1)中，所述微波辐照为在微波频率800～1200MHz下辐照5～10min。

进一步地，步骤(1)中，所述晾晒后的甘蔗叶水分保持在15～20％；所述蒸煮料含水率为30～40％。

进一步地，步骤(1)中，所述甘蔗叶粉碎至长度3～5cm。

本发明的利用甘蔗叶制浆的原理：

(1)甘蔗叶预处理：将粉碎的甘蔗浸入含有柠檬酸和醋酸的混合液中，并微波辐照，以脱除大部分硅，促进半纤维素溶出，保留纤维素完整性。该过程中微波能够加速硅酸体与H⁺的离子交换反应，柠檬酸提供H⁺，与硅形成可溶络合物，提高脱硅效率。微波能够破坏甘蔗叶中半纤维素-木质素交联结构，醋酸水解半纤维素β-1,4糖苷键，提高半纤维素溶出率，提高纤维素保留率。同时微波能够扩大纤维孔隙，暴露纤维素微纤丝，弱酸能够软化纤维，减少机械损伤，减少后续蒸煮所需的碱量。通过以上过程优化纤维结构、降低后续工艺强度及减少纤维损失，能够有效提高最终纸浆得率。

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，该过程中，复合蒸煮剂中的NaHS释放S^2-和HS^-，通过还原作用破坏甘蔗叶中木质素结构，加速木质素脱除，同时部分替代NaOH的脱木质素功能，减少强碱氢氧化钠的用量，降低黑夜粘度，降低黑液处理难度；烷基酚聚氧乙烯醚等降低蒸煮液表面张力，增强药液对甘蔗叶纤维的润湿性，促进NaOH和NaHS快速渗透至纤维内部，同时与NaOH、NaHS协同提升脱硅率，减少第二段蒸煮中硅分散剂的用量。

第二段蒸煮：在第一段蒸煮所得的浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮。该过程进一步脱除甘蔗叶中残余的木质素，硅分散剂抑制硅酸盐结垢、螯合硅离子，降低蒸煮后设备内壁硅结垢厚度，减少设备清洗频率。与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

1、本发明的利用甘蔗叶制浆的方法，通过甘蔗叶预处理、两段蒸煮和制浆，使得甘蔗叶制浆过程中脱硅率高、木质素脱除效率高、纤维素保留率高，且生产过程中所需的碱(氢氧化钠)量少，黒液粘度低，设备不易结垢，设备清洗频率低，生产效率高，生产成本低。

2、本发明对甘蔗叶预处理中，将粉碎的甘蔗浸入含有柠檬酸和醋酸的混合液中，并微波辐照，能脱除大部分硅，提高脱硅效率，促进部分半纤维素溶出，减少纤维损失，提高纤维素保留率，提高最终纸浆得率。同时软化纤维，减少机械损伤，减少后续蒸煮所需的碱量。

3、本发明在两段蒸煮工艺中，先加入复合蒸煮剂进行第一段蒸煮，进一步提升脱硅率，加速木质素脱除，木质素被降解为可溶性物质并溶解于蒸煮液中，导致液体颜色变深，形成黑液。由于该过程中强碱氢氧化钠的用量少，无法与甘蔗叶中硅反应生成硅酸钠胶体物质，降低了黑液粘度。之后加入硅分散剂进行第二段蒸煮，进一步脱除甘蔗叶中残余的木质素，并且抑制硅酸盐结垢、螯合硅离子，降低蒸煮后设备内壁硅结垢厚度，减少设备清洗频率，降低生产成本。

4、与传统方法相比，本发明脱硅率提高了89.65％，木质素脱除率提高了19.86％，纤维素保留率提高了9.91％，黑液粘度降低了52.80％，设备内壁硅垢厚度降低了58.52％，设备清洗周期长。另外蒸煮用碱(氢氧化钠)量减少了46.67％，用碱量大大减少。可见，与传统方法相比，本发明可有效提高甘蔗叶制浆的生产效率，降低生产成本。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步地详细说明，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的保护范围。

实施例1

一种利用甘蔗叶制浆的方法，包括以下步骤：

(1)甘蔗叶预处理：将甘蔗叶清洗干净后，在干燥、通风场地晾晒至水分15％，将晾晒后的甘蔗叶粉碎至5cm，然后浸入混合液中，该混合液含晾干后甘蔗叶总重量2％的柠檬酸和4％的醋酸，混合液和甘蔗叶的液料比为1:5，并在微波频率1000MHz下辐照8min，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料(含水率36％)；

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，该复合蒸煮剂由蒸煮料总重量3.8％的氢氧化钠、1.1％的硫氢化钠和0.6％的烷基酚聚氧乙烯醚混合而成，蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:4，蒸煮时升温至135℃，压力0.50MPa，保温70min，得到第一浆料(主要含有纤维素、黑液、残余的木质素、未反应完全的蒸煮剂)；

第二段蒸煮：在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，硅分散剂为蒸煮料总重量0.1％的聚环氧琥珀酸，蒸煮时升温至155℃，保温40min，得到第二浆料(主要含有纤维素，悬浮于黑液中)；

(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

实施例2

一种利用甘蔗叶制浆的方法，包括以下步骤：

(1)甘蔗叶预处理：将甘蔗叶清洗干净后，在干燥、通风场地晾晒至水分15％，将晾晒后的甘蔗叶粉碎至5cm，然后浸入混合液中，该混合液含晾干后甘蔗叶总重量2.5％的柠檬酸和4％的醋酸，混合液和甘蔗叶的液料比为1:6，并在微波频率1200MHz下辐照5min，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料(含水率40％)；

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，该复合蒸煮剂由蒸煮料总重量5.0％的氢氧化钠、1.3％的硫氢化钠和0.75％的脂肪醇聚氧乙烯醚混合而成，蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:5，蒸煮时升温至135℃，压力0.45MPa，保温60min，得到第一浆料(主要含有纤维素、黑液、残余的木质素、未反应完全的蒸煮剂)；

第二段蒸煮：在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，硅分散剂为蒸煮料总重量0.2％的聚环氧琥珀酸，蒸煮时升温至150℃，保温35min，得到第二浆料(主要含有纤维素，悬浮于黑液中)；

(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

实施例3

一种利用甘蔗叶制浆的方法，包括以下步骤：

(1)甘蔗叶预处理：将甘蔗叶清洗干净后，在干燥、通风场地晾晒至水分20％，将晾晒后的甘蔗叶粉碎至3cm，然后浸入混合液中，该混合液含晾干后甘蔗叶总重量1％的柠檬酸和3％的醋酸，混合液和甘蔗叶的液料比为1:6，并在微波频率800MHz下辐照10min，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料(含水率为32％)；

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，该复合蒸煮剂由蒸煮料总重量4.5％的氢氧化钠、1.2％的硫氢化钠和0.5％的脂肪酸甲酯乙氧基化物混合而成，蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:6，蒸煮时升温至145℃，压力0.55MPa，保温50min，得到第一浆料(主要含有纤维素、黑液、残余的木质素、未反应完全的蒸煮剂)；

第二段蒸煮：在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，硅分散剂为蒸煮料总重量0.25％的聚天冬氨酸，蒸煮时升温至160℃，保温30min，得到第二浆料(主要含有纤维素，悬浮于黑液中)；

(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

实施例4

一种利用甘蔗叶制浆的方法，包括以下步骤：

(1)甘蔗叶预处理：将甘蔗叶清洗干净后，在干燥、通风场地晾晒至水分15％，将晾晒后的甘蔗叶粉碎至5cm，然后浸入混合液中，该混合液含晾干后甘蔗叶总重量2％的柠檬酸和3％的醋酸，混合液和甘蔗叶的液料比为1:5，并在微波频率1000MHz下辐照10min，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料(含水率为35％)；

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，该复合蒸煮剂由蒸煮料总重量4.0％的氢氧化钠、1.5％的硫氢化钠和0.4％的烷基酚聚氧乙烯醚混合而成，蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:4，蒸煮时升温至140℃，压力0.50MPa，保温70min，得到第一浆料(主要含有纤维素、黑液、残余的木质素、未反应完全的蒸煮剂)；

第二段蒸煮：在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，硅分散剂为绝干蒸煮料重量0.12％的聚环氧琥珀酸，蒸煮时升温至155℃，保温40min，得到第二浆料(主要含有纤维素，悬浮于黑液中)；

(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

对比例1

按照传统方法中酸处理甘蔗叶制浆的方法，将甘蔗叶清洗后晾晒至水分15％，粉碎至5cm，浸入含5％硫酸的溶液中，溶液和甘蔗叶的液料比为1:4，常温浸泡120min，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料。将蒸煮料投入蒸煮液中，该蒸煮液含蒸煮料总重量7.5％的氢氧化钠，蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:4，蒸煮时升温至160℃，保温120min，将所得浆料(主要含有纤维素、黑液、残余的木质素)进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

对以上实施例1-4中的第二浆料以及对比例1中的浆料的脱硅率、木质素脱除率、纤维素保留率、黑液粘度、蒸煮后设备内壁硅垢厚度和设备清洗周期进行统计，结果如下表1。

表1甘蔗叶制浆情况

由表1可见，本发明方法中脱硅率可达59％左右，木质素脱除率可达86％左右，纤维素保留率达90％左右，纤维完整性高，黑液粘度降低至245mPa·s左右，蒸煮后设备内壁硅垢厚度仅为1.1mm左右，设备清洗周期延长至28批次，设备清洗频率低。与对比例1中的传统方法相比，本发明实施例4中的脱硅率提高了89.65％，木质素脱除率提高了19.86％，纤维素保留率提高了9.91％，黑液粘度降低了52.80％，设备内壁硅垢厚度降低了58.52％，设备清洗周期长。另外，对比例1中蒸煮用碱(氢氧化钠)量为7.5％，而实施例4用碱量仅为4.0％，用碱量减少了46.67％，用碱量大大减少。可见，与传统方法相比，本发明可有效提高甘蔗叶制浆的生产效率，降低生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)甘蔗叶预处理：将甘蔗叶清洗干净后，在干燥、通风场地晾晒，将晾晒后的甘蔗叶进行粉碎，然后浸入混合液中，并微波辐照，过滤后得到预处理甘蔗叶，即为蒸煮料；

(2)两段蒸煮：

第一段蒸煮：将蒸煮料投入含复合蒸煮剂的蒸煮液中进行第一段蒸煮，蒸煮时升温至135～145℃，压力0.45～0.55MPa，保温50～80min，得到第一浆料；所述复合蒸煮剂由蒸煮料总重量3.5～5.0％的氢氧化钠、1.0～2.0％的硫氢化钠、0.35～1.0％的烷基酚聚氧乙烯醚或脂肪醇聚氧乙烯醚或脂肪酸甲酯乙氧基化物混合而成；

第二段蒸煮：在第一浆料中加入硅分散剂进行第二段蒸煮，蒸煮时升温至150～160℃，保温30～45min，得到第二浆料；所述硅分散剂为蒸煮料总重量0.1～0.25％的聚环氧琥珀酸或聚天冬氨酸；

(3)制浆：将第二浆料进行固液分离、水洗和筛分后，制成纸浆。

2.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述复合蒸煮剂由蒸煮料总重量3.5～4.0％的氢氧化钠、1.0～1.5％的硫氢化钠和0.35～0.6％的烷基酚聚氧乙烯醚混合而成。

3.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述蒸煮液和蒸煮料的液料比为1:4～6。

4.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硅分散剂为蒸煮料总重量0.1～0.15％的聚环氧琥珀酸。

5.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第一段蒸煮的工艺为：升温至135～140℃，压力0.45～0.50MPa，保温60～70min；

所述第二段蒸煮的工艺为：升温至150～155℃，保温35～40min。

6.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合液含晾晒后的甘蔗叶总重量0.8～2.5％的柠檬酸和1.5～4.2％的醋酸。

7.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合液和晾晒后的甘蔗叶的液料比为1:4～6。

8.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述微波辐照为在微波频率800～1200MHz下辐照5～10min。

9.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述晾晒后的甘蔗叶水分保持在15～20％；所述蒸煮料含水率为30～40％。

10.根据权利要求1所述的利用甘蔗叶制浆的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述甘蔗叶粉碎至长度3～5cm。