一种生物超声波高强度机械浆的制浆方法与流程

本发明涉及造纸制浆，特别是一种生物超声波高强度机械浆的制浆方法。

背景技术：

在造纸生产中，纸浆是必不可少的，目前常用的碱性过氧化氢机械浆，是以阔叶木为主要制浆原料，采用挤压疏解、浸渍和磨浆工艺而制成的一种化学机械浆。其制浆工艺是在漂白化学热磨机械浆制浆工艺的基础上发展起来的，它汇集了化学热磨机械浆和漂白化学热磨机械浆的制浆工艺和生产设备上的优点，而创立了“制浆和漂白同时完成的合二为一”的制浆工艺，此制浆工艺过程即成为碱性过氧化氢机械制浆工艺的最大特点。它具有设备投资较少、占地面积小、工艺流程紧凑，生产能耗较低、纸浆得率高，制浆废水不含硫、不含氯、污染轻、治理容易，纸浆可用于配抄中高档新闻纸，多种含机械浆涂布纸及未涂布印刷纸等各种纸张。基于碱性过氧化氢机械浆制浆工艺的特点和诸多优点，碱性过氧化氢机械浆制浆工艺被誉为“90年代最具发展潜力”的制浆工艺，是当今世界先进的绿色环保工艺。

目前，我国现有的主要生产碱性过氧化氢机械浆的制浆法为PRC APMP，其中的工艺流程主要由木片洗涤、汽蒸、1段单螺旋挤压疏解机、1段浸渍器、1段反应仓、2段单螺旋挤压疏解机、2段浸渍器、2段反应仓、一段高浓磨浆机、高浓漂白塔、冲稀池、二段高浓磨浆机、消潜池、筛选净化、浓缩机和成浆池工序组成。制浆漂白药液化学药品组成包括NaOH和H₂O₂。木片的撕裂、浸渍分别在单螺旋挤压疏解机和浸渍器中完成。单螺旋挤压疏解机通过调整其机内压缩比对木片进行挤压撕裂处理，使木片沿其纹理方向撕碎成细小碎片，使其在浸渍器中充分地吸入制浆漂白药液。由于木片的撕裂和浸渍效果将直接影响反应仓内的浆料化学反应程度和后续的磨浆质量，因此，单螺旋挤压疏解机是制浆工艺流程中的关键设备。然而，现有的碱性过氧化氢机械浆制浆工艺流程因选用的单螺旋挤压疏解机处理达不到所要求的效果的缺陷，同时浸渍器因经常将制浆漂白药液带入反应仓，而存在由此导致反应仓内浆料浓度不稳定而影响后续磨浆段质量的缺点。

现有一种双螺旋挤压法碱性过氧化氢机械浆（APMP）制浆工艺，其工艺流程是由木片水洗、汽蒸、热水或热碱预处理、1号双螺旋挤压疏解机、1号反应仓、2号双螺旋挤压疏解机、2号反应仓、一段高浓磨、二段高浓磨、筛选净化、浓缩机和成浆池等工序组成。流程中的热水或热碱预处理有利于风干木片的软化，选用两台双螺旋挤压疏解机将现有流程中的挤压疏解和浸渍工艺合二为一，制浆漂白药液分别注入两台双螺旋挤压疏解机内，纤维物料在该机内得到充分的挤碾撕裂和良好的浸渍混合效果，成浆的质量，与传统的PRC APMP浆的质量相当，而且该工艺流程比较复杂，生产出的纸浆质量不是很高，既生产成本高，又生产效率低，因此机械制浆上的改进和创新势在必行。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种生物超声波高强度机械浆的制浆方法，可有效解决提高化学机械浆的纸浆质量，降低生产成本和提高生产效率的问题。

本发明解决的技术方案是，该方法包括以下步骤：

（1）、配制复合菌液：

将白腐菌、唐山莱茵默氏菌、鲁氏不动杆菌和荧光假单胞菌以质量比为2～3︰1～3︰1～2︰1～2复合在一起，加水，制成菌群密度为6×10⁷个/ml以上的复合菌液；

（2）、蒸制原料：所述的原料为含纤维的木本或草本植物，先将木本原料切制成长度为3～4cm的木片，或将草本植物原料切制成长4～5cm，再用水洗涤2～3遍后，用蒸汽进行蒸制10～30min，使原料软化，然后脱水；

（3）、一段挤压疏解：对软化脱水后的原料在一段挤压疏解液中浸没进行一段挤压疏解，使原料成为丝状，一段挤压疏解液为质量百分计的：NaOH 1.0～2.0%和H₂O₂ 0.01～0.1%加水至100%制成；

（4）、生物降解；

将一段疏解后的原料置于复合菌液里，让复合细菌群开始对原料的木质素进行降解，一段疏解后的原料与复合菌液的质量比为1︰6～8，生物降解温度保持在35～40℃，时间为30～42小时；

（5）、蒸汽杀菌；

将上述生物降解后的原料从复合菌液中捞出、沥水，进行常压水蒸汽杀菌10～30分钟；

（6）、二段挤压疏解：将蒸汽杀菌后的原料在二段挤压疏解液中进行挤压疏解，成纤维束；所述的二段挤压疏解液为质量百分比计的：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）、超声处理，使纤维束变成单根纤维：将纤维束置入超声波反应仓内，超声反应30～60min，反应功率为100～300kw，反应频率为15～30kHz；

（8）、筛选净化，挤压浓缩成湿浆：超声波反应处理完后，纸浆被排放到洗浆机里进行洗涤，洗涤后进行筛选、过滤，纸浆中的纤维束再次超声反应使其成单根纤维，经浓缩机挤压浓缩成湿浆，用于造纸。

本发明方法新颖独特，科学，易操作，效果好，可有效提高化学机械浆的纸浆质量，降低生产成本的提高生产效率，节能环保，有显著的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例1

由图1所示，本发明在具体实施中，包括以下步骤：

（1）、配制复合菌液：

将白腐菌、唐山莱茵默氏菌、鲁氏不动杆菌和荧光假单胞菌以质量比为2～3︰1～3︰1～2︰1～2复合在一起，加水，制成菌群密度为6×10⁷个/ml以上的复合菌液；

（2）、蒸制原料：所述的原料为含纤维的木本或草本植物，先将木本原料切制成长度为3～4cm的木片，或将草本植物原料切制成长4～5cm，再用水洗涤2～3遍后，送入汽蒸仓，用蒸汽进行蒸制10～30min，使原料软化，然后进入斜螺旋脱水机进行脱水；

（3）、一段挤压疏解：对软化脱水后的原料送入一段双螺旋挤压疏解机，加入一段挤压疏解液浸没，进行一段挤压疏解，使原料成为丝状，一段挤压疏解液为质量百分计的：NaOH 1.0～2.0%和H₂O₂ 0.01～0.1%加水至100%制成；

（4）、生物降解；

将一段疏解后的原料送入复合菌液仓，置于复合菌液里，让复合细菌群开始对原料的木质素进行降解，一段疏解后的原料与复合菌液的质量比为1︰6～8，生物降解温度保持在35～40℃，时间为30～42小时；

（5）、蒸汽杀菌；

将上述生物降解后的原料从复合菌液中捞出、沥水，经过运输存储仓，在运输存储仓里通过水蒸汽，进行常压水蒸汽杀菌10～30分钟；

（6）、二段挤压疏解：将蒸汽杀菌后的原料经水平运输带送入二段双螺旋挤压疏解机，加入二段挤压疏解液浸没，疏解成纤维束；所述的二段挤压疏解液为质量百分比计的：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）、超声处理，使纤维束变成单根纤维：将纤维束送入超声波反应仓内进行超声波处理，超声反应30～60min，反应功率为100～300kw，反应频率为15～30kHz；

（8）、筛选净化，挤压浓缩成湿浆：超声波反应处理完后，纸浆被排放到洗浆机里进行洗涤，洗涤后进行筛选、过滤，纸浆中的纤维束再次超声反应使其成单根纤维，经浓缩机挤压浓缩成湿浆，用于造纸。

实施例2

本发明在具体实施中，所述的复合菌液是，将白腐菌、唐山莱茵默氏菌、鲁氏不动杆菌和荧光假单胞菌以质量比为2.2～2.8︰1.5～2.5︰1.2～1.8︰1.2～1.5复合在一起，加水，制成菌群密度为6×10⁷个/ml以上的复合菌液；

所述的一段挤压疏解液为质量百分计的：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与复合菌液的质量比为1︰7，生物降解温度保持在36～38℃，时间为35～40小时；

所述的二段挤压疏解液为质量百分比计的：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。

实施例3

本发明在具体实施中，所述的复合菌液是，将白腐菌、唐山莱茵默氏菌、鲁氏不动杆菌和荧光假单胞菌以质量比为2.5︰2︰1.5︰1.5复合在一起，加水，制成菌群密度为6×10⁷个/ml以上的复合菌液；

所述的一段挤压疏解液为质量百分计的：NaOH 1.5%和H₂O₂ 0.06%加水至100%制成；

所述的一段疏解后的原料与复合菌液的质量比为1︰7，生物降解温度保持在37℃，时间为36～38小时；

所述的二段挤压疏解液为质量百分比计的：NaOH 3%、H₂O₂ 4%、Na₂SiO₃ 2.5%和DTPA 0.3%加水至100%制成。

本发明方法采用生物制浆，从制浆源头减少环境污染，节约能耗。传统上制浆包括生物化学制浆和生物机械制浆两方面，生物机械制浆是指在机械磨浆前用微生物或酶代替化学药品对原料进行预处理，除了减少废水污染外，还可以降低磨浆能耗，提高设备生产能力，而且可以减少树脂问题，显著提高纸浆的强度性能。因此，可在制浆之前采用筛选和试验出的微生物来预处理原料，使其对原料木质素进行降解和改性。预处理原料的主要影响因素是菌种种类、酶用量、pH值、温度、浓度和原料材种等。在一般化学反应条件下，有机物大分子在高温下裂化产生自由基，而在酶的催化作用下，只需要在常温和中性条件即可使木素大分子结构单元氧化脱氢产生进一步裂解或聚合反应所需的自由基，使自由基反应得以顺利进行。经过生物预处理之后所制得的浆料与对照样浆料相比，在相同纸浆卡伯值下，可以节省化学药品的用量或减少蒸煮时间；或在相同制浆条件下，能降低纸浆的卡伯值，节约下一步漂白工序的化学药品用量；同时，都能使抄造纸张的物理性能得到提高。木质素在真菌或细菌的作用过程是生物降解木质素的过程，是在常温、常压和近中性值条件下进行的，降解的最终产物是二氧化碳和水。白腐菌等菌种一般都能产生三类木素酶，即木素过氧化物酶、二价锰过氧化物酶和漆酶，这些酶都能对木素进行催化降解。有报道确定漆酶（Laccase）和木素过氧化物酶（Lip）单独存在都不能很好地降解木素，而两种酶同时存在时，木素却能得到很好的降解，表明两种酶具有协同作用。白腐菌降解木素有三个特点：（1）能彻底降解木素生成CO₂和水，而细菌至多将20%的木素碳转化为CO₂；（2）木素降解主要是氧化反应，产物中不出现木素单体；（3）木素降解本身不提供菌体生长所需的碳源和能源，需要另外提供。

采用超声波处理纸浆纤维主要是通过超声波的“空化效应”和“自由基活化作用”。超声空化过程中形成的气泡里不仅含有液体本身产生的蒸汽，而且含有溶解于液体的气体。声空化对纤维素有两种作用：一是空化泡破裂产生的高强微射流形成的高速液体流撞击纤维细胞壁，使纤维表面受到机械撞击和微剪切力，使纤维表面变得起毛、粗糙，暴露出更多的亲水基团，发生细纤维化并起到了轻微打浆的作用；另一是空化泡崩溃产生的高压或高压释放产生的冲击波或脉动空泡界面上的剪切应力或机械运动产生的交变压力变化作用于纤维表面时，必在纤维的原始缺陷处产生应力、应变集中，使纤维细胞壁的初生壁及次生壁外层出现裂纹、细胞壁发生变形和位移及脱除、有更多的次生壁中层暴露出来，纤维表面因而变得粗糙，增加了纤维间的摩擦阻力。其结果是导致纤维素的形态结构、超分子结构、聚合度及其分布发生变化。继续增加超声波作用时间，纤维发生疲劳裂纹的亚临界扩展，导致微晶位错，比表面积增加，结晶度下降，无定形区增大，导致部分纤维断裂，从而纤维平均长度下降。同时在超声波作用下，漂液对纤维素的润胀作用大大加强，缩短药液渗透时间，可断开纤维素分子链间的氢键，打开微孔结构，大大增加纤维素的内表面积，提高其对漂液的可及度和化学反应活性。超声波处理对提高纤维素的保水值有显著效果，纤维润胀程度相对加大，润胀后纤维变得相当柔软可塑，外表面积增大，内部组织结构松弛，分子间内聚力下降，有利于细纤维化的进行。而未去掉初生壁的纤维显得光滑、挺硬、不易吸水润胀。

本发明所制备的产品经测定，产品质量非常好，打浆度为45°SR时纸浆抗张指数为36.3~71.0 N·m/g；撕裂指数为2.98~7.25 mN·m²/g；白度为82~85％ISO；耐破指数为1.89~3.36kPa m²/g。经过生物预处理后，可以提高设备生产能力10~20%。

与现有技术相比，本发明由于对原料采用生物预处理，使其进一步软化，因而显著提高后序段的挤压撕裂效果及最终成浆质量；由于用两个超声波反应仓替代了传统的2个反应仓和取消了高浓漂白塔及高浓盘磨机以及超声波作用处理纸浆。因此，该制浆技术不仅简化了工艺流程，节省投资40%以上；而且提高了纸浆质量和设备的生产能力10-20%，降低了生产成本50%左右，真正做到了节能环保，是纸浆制浆上的一大创新，有显著的经济和社会效益。