杨木自催化乙醇法制浆研究
我国杨木资源分布广泛,制浆造纸工业一般采用传统的酸法或碱法对杨木制化学浆,废液处理复杂并且给环境带来一定影响。采用自催化乙醇法制浆,其特点在于制浆时不添加任何化学药品作催化剂,而依赖于制浆过程中释放的酸来提供所需的酸度。此外,乙醇可简易回收循环使用,较好地解决了传统化学制浆的污染问题,此方法还具有综合投资省、成浆得率高、副产品能有效利用等优点。
目前,许多学者对非木材原料(如荻、烟秆、麦草等)的自催化乙醇法制浆进行了较系统的研究,而对杨木原料还没有进行更多的研究。本文以杨木为原料,采用自催化乙醇法制浆,目的是探索最佳蒸煮条件、脱木素反应历程和反应动力学以及脱木素过程中木素的分子结构变化。
采用条件实验对自催化乙醇法制浆的工艺参数进行了优化,得到的最佳蒸煮条件为:保温温度205℃,乙醇浓度60％,液比1:10,保温时间150min,在此条件下细浆得率可达56.65％,卡伯值45.93,浆中残余木素4.62％。
通过对脱木素反应历程和反应动力学研究,确定杨木自催化乙醇法制浆脱木素反应为一级反应,脱木素过程分为大量脱木素(90min前)和残余脱木素(90min后)两个阶段；大量脱木素阶段反应速率常数为0.0128min-1,反应活化能为47.9980kJ/mol；残余脱木素阶段反应速率常数为0.0038min-1,反应活化能为78.7751kJ/mol,活化能低于杨木KP法制浆。可见杨木自催化乙醇法制浆时脱木素比KP法容易,杨木对自催化乙醇法制浆有较好的适应性。
最后,通过红外光谱、核磁共振氢谱技术手段研究了杨木自催化乙醇制浆中木素结构的变化。结果表明,杨木自催化乙醇法制浆木素分子可能发生了如下的变化过程:制浆过程中木素大分子的α-0-4和β-0-4烷基芳基醚键大量断裂,醚的烷基部分在α位和β位生成碳正离子,而醚的芳基部分氧带负电,接受H+变成苯酚。由于苯环上电子云电负性的作用,使得剩余未断裂的α位醚键或羟基重排到β位,α位变成碳正离子,β位生成醚键或羟基,该醚键继续断裂,从而使木素大分子碎解成小分子而被乙醇溶剂溶出,所形成的α位碳正离子与其它苯环上的酚羟基重新缩合成醚键。
杨木原料中木素分子含有大量的愈创木基和紫丁香基结构单元。愈创木基与紫丁香基结构单元的数量比约为6:5,木素分子侧链上的羟基与酚羟基的数量比约为2:1。杨木原料中木素分子存在α-0-4和β-0-4烷基芳基醚键联接、β-5苯基香豆满结构、β-β松脂酚结构、β-1愈创木酚结构。
由于理论方面的研究还有待进一步的深入,生产设备也有待于进一步研究,所以今后在进一步进行理论研究同时,实现工业化也应做为研究工作的重点。
- 作者：
- 隋鑫金
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 制浆造纸工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2008年
- 导师姓名：
- 周景辉
- 中图分类号：
- TS743.9；TS721.1
- 关键词：
- 杨木；乙醇制浆；反应历程；反应动力学；木素结构
- poplar； ethanol pulping； reaction course of delignification； kinetics； lignin structur