用蔗渣生产溶解浆

用蔗渣生产溶解浆陈劲柏【摘要】对蔗渣的2种主要组分——蔗髓和除髓蔗渣进行探讨，评估了除髓蔗渣生产溶解浆的潜力。

用预水解烧碱法工艺（先进行热水预处理，再进行常规烧碱法制浆）将除髓蔗渣转变为脱木素程度不同（卡伯值分别为16.9和9.2）的2种浆料，然后，用O-D0-(EP)-D1-P漂序进行漂白，并评估所得溶解浆性能。

蔗髓和除髓蔗渣的纤维素、半纤维素和木素的含量差别显著。

例如，蔗髓和除髓蔗渣的木素结构中H∶G∶S分别为1.0∶1.6∶1.8和1.0∶2.1∶2.0。

预水解处理终止时，pH值为3.4，去除了29%的物质（对除髓蔗渣）。

预水解烧碱法工艺提高了聚木糖的去除量，降低了制浆得率。

即使未漂浆卡伯值不同，但漂白浆的葡聚糖、聚木糖、灰分、二氧化硅和a-纤维素的含量相近。

较低的黏度以及较高的灰分和二氧化硅含量限制了蔗渣浆作为溶解浆的应用范围，但是经过去矿化处理后，可用其生产人造丝和羧甲基纤维素衍生物。

利用除髓蔗渣制备高得率（35.1%）的溶解浆对漂白成本并无影响。

【期刊名称】《国际造纸》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】7页(P26-32)【作者】陈劲柏【作者单位】【正文语种】中文近年来，有效利用农业废弃物（包括蔗渣）的趋势不断增加。

已有文献报道了以蔗渣为原料进行生产的工艺和产品，如生产溶解浆、纸浆、乙醇和粉末制品。

甘蔗（白甘蔗）是一种多年生植物，原产于亚洲，却能更好地适应大多数热带和亚热带气候。

巴西是世界上最大的甘蔗生产国，其次是中国、印度、泰国和澳大利亚。

在2011～2012年间，在巴西840万hm2的土地上，产出5.71亿t甘蔗，产量达到68 t/hm2。

约50.3%的甘蔗用于制备乙醇（229亿L），47.3%的甘蔗用于制糖（3690万t），还有2.4%的甘蔗用于制备酒精饮料/糖果。

甘蔗的生产和利用过程中会产生大量废弃物。

以1 t甘蔗约能产生140 kg蔗渣（以绝干计）来计，巴西每年约产生8000万t蔗渣。

蔗渣中含有40%～50%的纤维素、20%～30%的半纤维素和18%～25%的木素。

半纤维素中的主要碳水化合物为木糖，约占半纤维素中总糖的80%。

与其他秸秆作物（如稻草和麦秆，灰分分别为17%和11%）相比，蔗渣灰分较低（1%～3%），所以其具有很多优势。

蔗渣是一种纤维原料，具有制备溶解浆的潜力。

溶解浆纯度较高，可用于制备纤维素衍生物，如硝化纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素、人造丝和羧甲基纤维素（CMC）。

与其他纸浆相比，溶解浆的木素含量非常低或不含木素，半纤维素含量也很低，降解的纤维素很少。

溶解浆的最终用途不同，对α纤维素含量的要求也不同。

根据Wizanjet等人的研究结果，人造丝、醋酸纤维素和硝化纤维素所要求的溶解浆中α纤维素含量分别为90%～92%、95%～97%和98%。

所有这些衍生物生产所需浆料的木素含量都非常低或几乎不含木素、半纤维素含量较低和降解的纤维素少。

根据Dhamodaram等人的研究结果，通过纺织、铸造、滚轧或挤压可以将熔融物或溶液中的链状高分子质量纤维素聚合物转化成所需的纤维或薄膜。

天然和再生的纤维素聚合物通常以纤维的形式出现，若用于纺织行业，这些纤维太短。

当然，这些纤维素聚合物不可能直接变成更长的纤维或者薄膜，因为其具有很强的氢键，既不能熔化，也不能轻易地溶解在溶液中。

在制成纺丝液（通过纺丝液使纤维素再生）前，首先必须将这些纤维素聚合物制成合适的纤维素衍生物。

为此，工业上采用黏胶纤维工艺，以使铜铵处理和醋酸处理的程度较轻。

对于各种非木材原料（包括蔗渣），烧碱法制浆是最常用的传统化学制浆工艺。

在任一烧碱法制浆过程之前引入自水解（预水解）均有助于制备出α-纤维素含量高、半纤维素含量低的浆料。

本研究的创新之处在于对蔗髓部分的木素结构单元比例进行了化学分析，有关此方面的研究未曾有过报道。

同时探讨了以除髓蔗渣（即纤维）为原料，通过当卡伯值高于常规值（约为17）时结束蒸煮来制备高得率溶解浆而漂白成本又无明显增加的可行性。

本研究分析了蔗渣的2种主要组分（蔗髓和除髓蔗渣），并且评估了利用除髓蔗渣制备溶解浆的潜力。

1.1 实验流程图1示出了本实验制备溶解浆的工艺流程图。

用锤式粉碎机将蔗渣分离成2部分（蔗髓和除髓蔗渣），并进行化学表征。

同时，对整个蔗渣（以下简称“全蔗渣”）也进行了化学表征。

通过预水解烧碱法制浆工艺将除髓蔗渣（纤维）转化成脱木素程度不同（卡伯值分别为16.9和9.2）的2种粗浆。

用O-D0-(EP)-D1-P漂序对浆料进行漂白，并评估溶解浆的主要性能。

1.2 原料巴西某浆厂提供了约150 kg蔗渣。

用锤式粉碎机将约100 kg蔗渣分离成2部分：蔗髓和除髓蔗渣；蔗髓占33%，而其余的67%为除髓蔗渣。

在温度（23.0±1.0）℃，湿度（50.0±2.0）%的环境下将蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣干燥至干度约为85%，并储存在聚乙烯袋中备用。

将风干的蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣用Wiley磨粉机研磨、筛选，并收集过40目留于60目的级分，风干后储存在密封的广口瓶中。

1.3 研究方法1.3.1 化学表征依照相应方法对蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣进行化学组分分析：水分（TAPPI T264 om—88），抽出物含量（TAPPI T264 cm—97），酸溶木素（Goldschinid于1971年提出的方法），Klason木素（Gomide等人于1986年提出的方法），紫丁香基木素（S）/愈创木基木素（G）比例（Lin等人于1992年提出的方法），制备用于糖分析的生物质（TAPPI T249 cm—85），糖类物质含量（Wallis等人于1996年提出的方法），乙酰基（Solar等人于1987年提出的方法），糖醛酸（Scott于1979年提出的方法），二氧化硅（TAPPI T245 cm—98）和灰分（TAPPI 211 om—93）。

1.3.2 除髓蔗渣预水解除髓蔗渣预水解是在M/K蒸煮器（Systems Inc.，美国）中进行的。

蒸煮器容积为7 L，配有强制循环装置和热交换器。

依照如下参数操作M/K蒸煮器：水/生物质（除髓蔗渣）的比例为8∶1，温度180℃，升温时间60 min，保温时间15 min。

预水解实验依照Colodette等人提出的方法进行。

为确定最佳工艺条件，主要考虑得率、聚木糖的去除和纤维素的分子质量。

应该注意的是，预水解处理之后的除髓蔗渣不要洗涤，而应立即用烧碱法制浆工艺制浆。

用1.3.1提及的方法分析预水解除髓蔗渣的相关参数。

1.3.3 烧碱法制浆除髓蔗渣的烧碱法制浆是在与预水解处理所用相同的设备中进行的，目的在于制备2种脱木素程度不同（卡伯值分别为16.9和9.2）的浆料。

烧碱法制浆条件：液比1∶8，最高蒸煮温度180℃，升温时间60 min，保温时间20 min；为了将卡伯值分别达到16.9和9.2，用碱量分别定为12.5%和15.0%。

将蒸煮后的除髓蔗渣放置于150目的不锈钢丝网箱中，用自来水充分洗涤，然后在容积为25 L的实验室水力碎浆机中进行解离。

利用Voith缝筛（缝宽0.20 mm）进行筛分，并离心处理使其干度达到30%后储存于聚乙烯袋中备用。

利用如下方法分析浆料性能：白度（TAPPI T452 om—08），卡伯值（TAPPI T236 om—06），黏度（TAPPI T230 om—08），以及糖类物质含量、二氧化硅含量和灰分。

1.3.4 ECF漂白利用O-D0-(EP)-D1-P的漂序对卡伯值为16.9和9.2的2种浆料进行漂白。

表1列出了各个漂段工艺条件。

氧脱木素（O）：利用以聚四氟乙烯为内衬的Mark V （Quantum Technologies公司）搅拌器/反应器对300 g绝干浆进行处理。

达到所需温度后，按顺序将所需量的MgSO4、NaOH以及O2加入到反应器中；反应结束后，系统减压并排出浆料。

D0段和D1段：均在聚乙烯袋中进行；室温下将含有ClO2、H2O、NaOH或H2SO4的漂液加入到浆料中；使用H2SO4或NaOH调节pH值（以往对少量浆样进行实验都采用此方法）；将聚乙烯袋中的浆料与药液混合均匀，然后用微波炉加热至所需温度后转移至带有温度控制的蒸气浴中并保持一定时间。

(EP)段和P段：按H2O、NaOH、H2O2的顺序添加化学药品。

对每个漂段后的残液进行相关分析，并对浆样进行洗涤，洗涤时每吨绝干浆耗用9 m3的热蒸馏水。

每段漂白处理后测定浆料的白度、返黄值（TAPPI UM200）、卡伯值和黏度。

1.3.5 溶解浆性能测定对漂白溶解浆的α-纤维素含量（TAPPI T203om—93）、糖类物质含量、二氧化硅含量和灰分进行测定。

1.3.6 统计学分析使用Statistic 7.0软件进行统计分析。

在显著水平5%的条件下进行方差分析，测试假设如下。

H0：所有平均值都相等，样品之间没有显著差异；Ha：至少一个平均值与其他平均值具有统计学差异。

当方差分析结果表明样品间存在显著差异时，应用Tukey检验。

2.1 蔗渣的化学特性蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣的细胞壁结构组成（纤维素、半纤维素和木素）的差别显著（见表2）；与除髓蔗渣相比，蔗髓的木素更多、聚木糖和葡聚糖含量更低。

聚木糖是蔗髓和除髓蔗渣中主要的半纤维素，而这些原料中聚半乳糖、聚甘露糖和聚阿拉伯糖的含量非常低。

全蔗渣的各化学成分含量介于蔗髓和除髓蔗渣之间，这也反映了它们在全蔗渣中所占的比例。

蔗髓中聚木糖含量（12.4%）约为除髓蔗渣（22.1%）聚木糖含量的1/2，而蔗髓和除髓蔗渣的葡聚糖的含量分别为37.8%和43.4%。

蔗髓和除髓蔗渣中木素的S/G比例相似（约为50%/50%）。

蔗髓乙酰基含量（0.5%）比除髓蔗渣乙酰基含量（2.6%）低得多，但是这些原料糖醛酸含量相近。

与除髓蔗渣相比，蔗髓的非结构性成分（抽出物和矿物质）含量更多。

蔗髓乙醇-甲苯抽出物含量和灰分分别为13.4%和9.5%，而除髓蔗渣相应的含量分别为6.1%和1.3%。

蔗髓和除髓蔗渣矿物质中二氧化硅含量分别为78.9%和30.8%。

全蔗渣的非结构性化学成分含量介于蔗髓和除髓蔗渣之间。

蔗渣木素含量与文献报道的结果相近。

根据Rainey等人的报道，蔗渣的木素含量处于22%～23%的范围内。

Luz等人得出蔗渣的纤维素、半纤维素、木素、灰分和其他组分含量分别为43.8%、 28.6%、23.5%、1.3%和2.8%。

Wolf得到蔗渣灰分含量较高的结果。

其他研究人员也得到蔗髓抽出物含量非常高的结果。

考虑到蔗髓纤维含量较少，不适宜用于制备溶解浆。

抽出物和矿物质的含量高对于制备溶解浆具有较大的不利影响；除了易导致结垢、腐蚀、树脂沉积、漂白过程中化学品降解、回收锅炉堵塞等问题外，如果在工艺流程中没有恰当地去除矿物质和抽出物，那么在利用溶解浆制备纤维素衍生物的过程中，很可能会造成严重困扰。