一種生物超聲波高強度機械漿的制漿方法與流程

本發明涉及造紙制漿，特別是一種生物超聲波高強度機械漿的制漿方法。

背景技術：

在造紙生產中，紙漿是必不可少的，目前常用的堿性過氧化氫機械漿，是以闊葉木為主要制漿原料，采用擠壓疏解、浸漬和磨漿工藝而制成的一種化學機械漿。其制漿工藝是在漂白化學熱磨機械漿制漿工藝的基礎上發展起來的，它匯集了化學熱磨機械漿和漂白化學熱磨機械漿的制漿工藝和生產設備上的優點，而創立了“制漿和漂白同時完成的合二為一”的制漿工藝，此制漿工藝過程即成為堿性過氧化氫機械制漿工藝的最大特點。它具有設備投資較少、占地面積小、工藝流程緊湊，生產能耗較低、紙漿得率高，制漿廢水不含硫、不含氯、污染輕、治理容易，紙漿可用于配抄中高檔新聞紙，多種含機械漿涂布紙及未涂布印刷紙等各種紙張。基于堿性過氧化氫機械漿制漿工藝的特點和諸多優點，堿性過氧化氫機械漿制漿工藝被譽為“90年代最具發展潛力”的制漿工藝，是當今世界先進的綠色環保工藝。

目前，我國現有的主要生產堿性過氧化氫機械漿的制漿法為PRC APMP，其中的工藝流程主要由木片洗滌、汽蒸、1段單螺旋擠壓疏解機、1段浸漬器、1段反應倉、2段單螺旋擠壓疏解機、2段浸漬器、2段反應倉、一段高濃磨漿機、高濃漂白塔、沖稀池、二段高濃磨漿機、消潛池、篩選凈化、濃縮機和成漿池工序組成。制漿漂白藥液化學藥品組成包括NaOH和H₂O₂。木片的撕裂、浸漬分別在單螺旋擠壓疏解機和浸漬器中完成。單螺旋擠壓疏解機通過調整其機內壓縮比對木片進行擠壓撕裂處理，使木片沿其紋理方向撕碎成細小碎片，使其在浸漬器中充分地吸入制漿漂白藥液。由于木片的撕裂和浸漬效果將直接影響反應倉內的漿料化學反應程度和后續的磨漿質量，因此，單螺旋擠壓疏解機是制漿工藝流程中的關鍵設備。然而，現有的堿性過氧化氫機械漿制漿工藝流程因選用的單螺旋擠壓疏解機處理達不到所要求的效果的缺陷，同時浸漬器因經常將制漿漂白藥液帶入反應倉，而存在由此導致反應倉內漿料濃度不穩定而影響后續磨漿段質量的缺點。

現有一種雙螺旋擠壓法堿性過氧化氫機械漿（APMP）制漿工藝，其工藝流程是由木片水洗、汽蒸、熱水或熱堿預處理、1號雙螺旋擠壓疏解機、1號反應倉、2號雙螺旋擠壓疏解機、2號反應倉、一段高濃磨、二段高濃磨、篩選凈化、濃縮機和成漿池等工序組成。流程中的熱水或熱堿預處理有利于風干木片的軟化，選用兩臺雙螺旋擠壓疏解機將現有流程中的擠壓疏解和浸漬工藝合二為一，制漿漂白藥液分別注入兩臺雙螺旋擠壓疏解機內，纖維物料在該機內得到充分的擠碾撕裂和良好的浸漬混合效果，成漿的質量，與傳統的PRC APMP漿的質量相當，而且該工藝流程比較復雜，生產出的紙漿質量不是很高，既生產成本高，又生產效率低，因此機械制漿上的改進和創新勢在必行。

技術實現要素：

針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種生物超聲波高強度機械漿的制漿方法，可有效解決提高化學機械漿的紙漿質量，降低生產成本和提高生產效率的問題。

本發明解決的技術方案是，該方法包括以下步驟：

（1）、配制復合菌液：

將白腐菌、唐山萊茵默氏菌、魯氏不動桿菌和熒光假單胞菌以質量比為2～3︰1～3︰1～2︰1～2復合在一起，加水，制成菌群密度為6×10⁷個/ml以上的復合菌液；

（2）、蒸制原料：所述的原料為含纖維的木本或草本植物，先將木本原料切制成長度為3～4cm的木片，或將草本植物原料切制成長4～5cm，再用水洗滌2～3遍后，用蒸汽進行蒸制10～30min，使原料軟化，然后脫水；

（3）、一段擠壓疏解：對軟化脫水后的原料在一段擠壓疏解液中浸沒進行一段擠壓疏解，使原料成為絲狀，一段擠壓疏解液為質量百分計的：NaOH 1.0～2.0%和H₂O₂ 0.01～0.1%加水至100%制成；

（4）、生物降解；

將一段疏解后的原料置于復合菌液里，讓復合細菌群開始對原料的木質素進行降解，一段疏解后的原料與復合菌液的質量比為1︰6～8，生物降解溫度保持在35～40℃，時間為30～42小時；

（5）、蒸汽殺菌；

將上述生物降解后的原料從復合菌液中撈出、瀝水，進行常壓水蒸汽殺菌10～30分鐘；

（6）、二段擠壓疏解：將蒸汽殺菌后的原料在二段擠壓疏解液中進行擠壓疏解，成纖維束；所述的二段擠壓疏解液為質量百分比計的：NaOH 2.0～4.0%、H₂O₂ 2.0～6.0%、Na₂SiO₃1.5～4.0%和DTPA 0.1～0.5%加水至100%制成；

（7）、超聲處理，使纖維束變成單根纖維：將纖維束置入超聲波反應倉內，超聲反應30～60min，反應功率為100～300kw，反應頻率為15～30kHz；

（8）、篩選凈化，擠壓濃縮成濕漿：超聲波反應處理完后，紙漿被排放到洗漿機里進行洗滌，洗滌后進行篩選、過濾，紙漿中的纖維束再次超聲反應使其成單根纖維，經濃縮機擠壓濃縮成濕漿，用于造紙。

本發明方法新穎獨特，科學，易操作，效果好，可有效提高化學機械漿的紙漿質量，降低生產成本的提高生產效率，節能環保，有顯著的經濟和社會效益。

附圖說明

圖1為本發明的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式作詳細說明。

實施例1

由圖1所示，本發明在具體實施中，包括以下步驟：

（1）、配制復合菌液：

將白腐菌、唐山萊茵默氏菌、魯氏不動桿菌和熒光假單胞菌以質量比為2～3︰1～3︰1～2︰1～2復合在一起，加水，制成菌群密度為6×10⁷個/ml以上的復合菌液；

（2）、蒸制原料：所述的原料為含纖維的木本或草本植物，先將木本原料切制成長度為3～4cm的木片，或將草本植物原料切制成長4～5cm，再用水洗滌2～3遍后，送入汽蒸倉，用蒸汽進行蒸制10～30min，使原料軟化，然后進入斜螺旋脫水機進行脫水；

（3）、一段擠壓疏解：對軟化脫水后的原料送入一段雙螺旋擠壓疏解機，加入一段擠壓疏解液浸沒，進行一段擠壓疏解，使原料成為絲狀，一段擠壓疏解液為質量百分計的：NaOH 1.0～2.0%和H₂O₂ 0.01～0.1%加水至100%制成；

（4）、生物降解；

將一段疏解后的原料送入復合菌液倉，置于復合菌液里，讓復合細菌群開始對原料的木質素進行降解，一段疏解后的原料與復合菌液的質量比為1︰6～8，生物降解溫度保持在35～40℃，時間為30～42小時；

（5）、蒸汽殺菌；

將上述生物降解后的原料從復合菌液中撈出、瀝水，經過運輸存儲倉，在運輸存儲倉里通過水蒸汽，進行常壓水蒸汽殺菌10～30分鐘；

（6）、二段擠壓疏解：將蒸汽殺菌后的原料經水平運輸帶送入二段雙螺旋擠壓疏解機，加入二段擠壓疏解液浸沒，疏解成纖維束；所述的二段擠壓疏解液為質量百分比計的：NaOH 2.0～4.0%、H₂O₂ 2.0～6.0%、Na₂SiO₃ 1.5～4.0%和DTPA 0.1～0.5%加水至100%制成；

（7）、（7）、超聲處理，使纖維束變成單根纖維：將纖維束送入超聲波反應倉內進行超聲波處理，超聲反應30～60min，反應功率為100～300kw，反應頻率為15～30kHz；

（8）、篩選凈化，擠壓濃縮成濕漿：超聲波反應處理完后，紙漿被排放到洗漿機里進行洗滌，洗滌后進行篩選、過濾，紙漿中的纖維束再次超聲反應使其成單根纖維，經濃縮機擠壓濃縮成濕漿，用于造紙。

實施例2

本發明在具體實施中，所述的復合菌液是，將白腐菌、唐山萊茵默氏菌、魯氏不動桿菌和熒光假單胞菌以質量比為2.2～2.8︰1.5～2.5︰1.2～1.8︰1.2～1.5復合在一起，加水，制成菌群密度為6×10⁷個/ml以上的復合菌液；

所述的一段擠壓疏解液為質量百分計的：NaOH 1.2～1.8%和H₂O₂ 0.02～0.08%加水至100%制成；

所述的一段疏解后的原料與復合菌液的質量比為1︰7，生物降解溫度保持在36～38℃，時間為35～40小時；

所述的二段擠壓疏解液為質量百分比計的：NaOH 2.5～3.5%、H₂O₂ 3.0～5.0%、Na₂SiO₃2～3.0%和DTPA 0.2～0.4%加水至100%制成。

實施例3

本發明在具體實施中，所述的復合菌液是，將白腐菌、唐山萊茵默氏菌、魯氏不動桿菌和熒光假單胞菌以質量比為2.5︰2︰1.5︰1.5復合在一起，加水，制成菌群密度為6×10⁷個/ml以上的復合菌液；

所述的一段擠壓疏解液為質量百分計的：NaOH 1.5%和H₂O₂ 0.06%加水至100%制成；

所述的一段疏解后的原料與復合菌液的質量比為1︰7，生物降解溫度保持在37℃，時間為36～38小時；

所述的二段擠壓疏解液為質量百分比計的：NaOH 3%、H₂O₂ 4%、Na₂SiO₃ 2.5%和DTPA 0.3%加水至100%制成。

本發明方法采用生物制漿，從制漿源頭減少環境污染，節約能耗。傳統上制漿包括生物化學制漿和生物機械制漿兩方面，生物機械制漿是指在機械磨漿前用微生物或酶代替化學藥品對原料進行預處理，除了減少廢水污染外，還可以降低磨漿能耗，提高設備生產能力，而且可以減少樹脂問題，顯著提高紙漿的強度性能。因此，可在制漿之前采用篩選和試驗出的微生物來預處理原料，使其對原料木質素進行降解和改性。預處理原料的主要影響因素是菌種種類、酶用量、pH值、溫度、濃度和原料材種等。在一般化學反應條件下，有機物大分子在高溫下裂化產生自由基，而在酶的催化作用下，只需要在常溫和中性條件即可使木素大分子結構單元氧化脫氫產生進一步裂解或聚合反應所需的自由基，使自由基反應得以順利進行。經過生物預處理之后所制得的漿料與對照樣漿料相比，在相同紙漿卡伯值下，可以節省化學藥品的用量或減少蒸煮時間；或在相同制漿條件下，能降低紙漿的卡伯值，節約下一步漂白工序的化學藥品用量；同時，都能使抄造紙張的物理性能得到提高。木質素在真菌或細菌的作用過程是生物降解木質素的過程，是在常溫、常壓和近中性值條件下進行的，降解的最終產物是二氧化碳和水。白腐菌等菌種一般都能產生三類木素酶，即木素過氧化物酶、二價錳過氧化物酶和漆酶，這些酶都能對木素進行催化降解。有報道確定漆酶（Laccase）和木素過氧化物酶（Lip）單獨存在都不能很好地降解木素，而兩種酶同時存在時，木素卻能得到很好的降解，表明兩種酶具有協同作用。白腐菌降解木素有三個特點：（1）能徹底降解木素生成CO₂和水，而細菌至多將20%的木素碳轉化為CO₂；（2）木素降解主要是氧化反應，產物中不出現木素單體；（3）木素降解本身不提供菌體生長所需的碳源和能源，需要另外提供。

采用超聲波處理紙漿纖維主要是通過超聲波的“空化效應”和“自由基活化作用”。超聲空化過程中形成的氣泡里不僅含有液體本身產生的蒸汽，而且含有溶解于液體的氣體。聲空化對纖維素有兩種作用：一是空化泡破裂產生的高強微射流形成的高速液體流撞擊纖維細胞壁，使纖維表面受到機械撞擊和微剪切力，使纖維表面變得起毛、粗糙，暴露出更多的親水基團，發生細纖維化并起到了輕微打漿的作用；另一是空化泡崩潰產生的高壓或高壓釋放產生的沖擊波或脈動空泡界面上的剪切應力或機械運動產生的交變壓力變化作用于纖維表面時，必在纖維的原始缺陷處產生應力、應變集中，使纖維細胞壁的初生壁及次生壁外層出現裂紋、細胞壁發生變形和位移及脫除、有更多的次生壁中層暴露出來，纖維表面因而變得粗糙，增加了纖維間的摩擦阻力。其結果是導致纖維素的形態結構、超分子結構、聚合度及其分布發生變化。繼續增加超聲波作用時間，纖維發生疲勞裂紋的亞臨界擴展，導致微晶位錯，比表面積增加，結晶度下降，無定形區增大，導致部分纖維斷裂，從而纖維平均長度下降。同時在超聲波作用下，漂液對纖維素的潤脹作用大大加強，縮短藥液滲透時間，可斷開纖維素分子鏈間的氫鍵，打開微孔結構，大大增加纖維素的內表面積，提高其對漂液的可及度和化學反應活性。超聲波處理對提高纖維素的保水值有顯著效果，纖維潤脹程度相對加大，潤脹后纖維變得相當柔軟可塑，外表面積增大，內部組織結構松弛，分子間內聚力下降，有利于細纖維化的進行。而未去掉初生壁的纖維顯得光滑、挺硬、不易吸水潤脹。

本發明所制備的產品經測定，產品質量非常好，打漿度為45°SR時紙漿抗張指數為36.3~71.0 N·m/g；撕裂指數為2.98~7.25 mN·m²/g；白度為82~85％ISO；耐破指數為1.89~3.36kPa m²/g。經過生物預處理后，可以提高設備生產能力10~20%。

與現有技術相比，本發明由于對原料采用生物預處理，使其進一步軟化，因而顯著提高后序段的擠壓撕裂效果及最終成漿質量；由于用兩個超聲波反應倉替代了傳統的2個反應倉和取消了高濃漂白塔及高濃盤磨機以及超聲波作用處理紙漿。因此，該制漿技術不僅簡化了工藝流程，節省投資40%以上；而且提高了紙漿質量和設備的生產能力10-20%，降低了生產成本50%左右，真正做到了節能環保，是紙漿制漿上的一大創新，有顯著的經濟和社會效益。