混合楊木APMP漿酶促磨漿工藝及其過程機制的研究.pdf

1、堿性過氧化氫機械漿(APMP)工藝是隨著木材節(jié)約和高效利用、清潔生產(chǎn)工藝的持續(xù)推進而出現(xiàn)的一種高得率制漿技術,具有簡單方便、藥品消耗少、環(huán)保污染負荷低等諸多優(yōu)點。但是也存在明顯不足:一是磨漿能耗高;二是成紙強度低;三是白度穩(wěn)定性差。特別是在磨漿能耗方面,由于化學預處理階段的條件比較溫和,纖維細胞壁的P層和S1層保留較好,因此在機械磨漿階段將纖維搓開分離需要很高的能量,這在很大程度上阻礙了APMP制漿工藝的發(fā)展。
　　 本課題利用

2、木聚糖酶、復合纖維素酶、纖維素酶對第一段磨后的楊木APMP漿進行處理,然后再進行第二段磨漿,目的是考察不同類型的酶在降低磨漿能耗方面的作用以及對紙漿物理性能指標的影響。通過響應面分析法,優(yōu)化木聚糖酶/纖維素酶協(xié)同作用于楊木APMP漿降低磨漿能耗的最佳工藝。借助掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線光電子能譜(XPS)等多種表面分析方法的綜合利用,對酶處理前后纖維表面的物理形貌以及化學組成進行分析,對能夠降低磨漿能耗的酶促磨漿機制做了初步研究。

3、研究結果表明:
　　 木聚糖酶、復合纖維素酶、纖維素酶均能有效降低一段磨后楊木APMP漿在第二磨漿階段的磨漿能耗,三種酶降低磨漿能耗的最佳工藝條件分別是:木聚糖酶用量20 IU·g-1,pH值6.8,溫度55℃,時間1.5 h;復合纖維素酶用量2.0 IU·g-1,pH值6.0,溫度50℃,時間1 h;纖維素酶用量0.6 IU·g-1,pH值5.0,溫度55℃,時間1 h。通過EXCEL軟件對磨漿能耗曲線擬合相似線性方程并粗略估

4、算,當磨漿至游離度為250 mL時,在各自的最佳反應工藝條件下,三種酶分別能夠降低磨漿能耗17.86％、20.55％、18.82％。
　　 酶促磨漿處理能明顯改善楊木APMP漿的保水值,有助于提高成紙的不透明度和光散射系數(shù),對紙漿的物理強度則無明顯降低。在酶處理之后加上一段H2O2(模擬工廠的過氧化氫漂白塔)漂白,結果發(fā)現(xiàn)木聚糖酶、復合纖維素酶、,纖維素酶都能使楊木APMP漿料的白度上升,并且對紙漿返黃有一定的抑制作用。

5、　　 采用響應面分析法中的Box-Behnken模式,對木聚糖酶/纖維素酶協(xié)同作用于一段磨后楊木APMP漿來降低第二段磨漿能耗的工藝條件進行優(yōu)化。用Design-Expert軟件分別建立游離度和保水值與木聚糖酶用量、纖維素酶用量、pH值及溫度之間關系的回歸模型,得出回歸方程如下:游離度/mL=211+10×A-10×B-13.75×C-37.08×D+15×A×B-10×A×C+15×A×D-3.75×B×C+1.25×B×D+7.5

6、×C×D+41.58×A2+41.58×B2+29.71×C2+40.96×D2;保水值/％=189.32-1.183×A+1.6×B+0.6×C+4.25×D+1.45×A×B-1.875×AxC-1.825×A×D=0.925×B×C-0.825×B×D+0.25×C×D-5.285×A2-3.735×B2-5.035×C2-5.035×D2,其中A為pH值,B為纖維素酶用量,C為溫度,D為木聚糖酶用量。
　　 木聚糖酶/纖

7、維素酶協(xié)同作用降低一段磨后楊木APMP漿在第二段磨漿能耗的最佳工藝條件為:pH值5.7,纖維素酶用量0.5IU·g-1,溫度51℃,木聚糖酶用量15 IU·g-1。在上述條件下,游離度可達205 mL,保水值可達190.5％。
　　 根據(jù)一系列已知組成濃度的單糖脫水衍生物(糠醛和羥甲基糠醛)標準混合液的多波長紫外光譜和所對應的組成濃度之間的數(shù)學關系,利用化學計量學軟件SIMCA-P,選擇偏最小二乘法(PLS)進行多變量的回歸,建

8、立單糖含量測定模型。將酶處理后楊木APMP漿酶解液的紫外光譜信息輸入校正模型,可以分別預測木聚糖酶解液和纖維素酶解液中的木糖含量和葡萄糖含量。實驗結果發(fā)現(xiàn),隨著酶用量的增加,木糖溶出量和葡萄糖溶出量都呈現(xiàn)不斷上升的趨勢;當酶用量繼續(xù)增加時,這兩種單糖溶出量增加的趨勢逐漸趨于緩和。
　　 分別采用木聚糖酶、復合纖維素酶、纖維素酶對一段磨后的楊木APMP漿進行處理,然后進行PFI磨漿4000轉(模擬工廠第二段磨漿),采用掃描電子顯微

9、鏡(SEM)觀察纖維表面形態(tài)變化。研究結果發(fā)現(xiàn),經(jīng)過PFI磨漿之后,纖維表面均出現(xiàn)分絲帚化的現(xiàn)象,但是經(jīng)過酶處理的楊木APMP漿的纖維分絲帚化現(xiàn)象更加明顯。這說明酶處理使纖維達到某種程度的活化和松弛,結構變得疏松,有助于促進磨漿過程中纖維的吸水潤脹和細纖維化程度。
　　 采用X射線光電子能譜(XPS)對酶處理前后漿料纖維表面主要化學元素組成進行測定,計算得出C/O值。計算結果表明,與未經(jīng)過酶處理的漿樣相比(O/C值0.451),

10、經(jīng)過木聚糖酶處理和纖維素酶處理的漿樣表面的O/C值均有一定程度的增加,分別為0.476和0.466;C1峰面積均出現(xiàn)了不同程度的下降,分別由25.76％下降到3.52％和15.37％;C2的峰面積明顯上升,分別由64.45％上升到86.14％和71.68％。以上數(shù)據(jù)表明,經(jīng)過酶處理之后,纖維表面的木素含量減少,碳水化合物含量增加,這意味著纖維表面暴露出了更多的親水性基團,從而使纖維更容易吸水潤脹,結構變得疏松,有助于纖維之間的分離并使纖