专利名称：草类原料碱性过氧化氢机械制浆的方法
技术领域：
本发明涉及一种碱性过氧化氢机械制浆(APMP)的方法，尤其涉及一种草类原料APMP制浆的方法。
背景技术：
碱性过氧化氢机械制浆(APMP)是20世纪80年代末和90年代初发展起来的一种新的化学机械制浆工艺，与其它化学机械制浆方法(如CTMP)相比，具有可实现相对小规模的生产，企业选址受原料资源的限制小、制浆和漂白同时进行，设备和基建投资少、原料适应范围广、污染治理容易等优点，因而被誉为“最有发展潜力”的制浆工艺。目前，国际上对APMP制浆的研究颇多，使用的原料涉及针叶木(如云杉)、阔叶木(如杨木、桉木等)和非木材纤维原料(如红麻、蔗渣等)。在国内，中国制浆造纸研究设计院、华南理工大学、山东轻工业学院等多家单位对红麻、桉木、杨木、马尾松等多种原料的APMP制浆也进行过研究(中国造纸学报，2003，18(1)19；《现代制浆漂白技术与原理》，陈嘉翔等著，华南理工大学出版社，2000，158-172；国际造纸，2001，20(1)29-35)。
草类原料，如麦草，是我国造纸工业的主要原材料，占我国造纸工业原材料的50％以上。目前麦草等草类原料主要采用化学法制浆，如烧碱法、硫酸盐法等，制浆得率较低(一般低于50％)，在生产过程中产生的大量黑液难以进行有效地回收，造成了严重的环境污染问题。据统计，1998年我国制浆造纸工业排放废水中化学需氧量(COD)约占全国工业COD总排放量的46％，居第一位(国际造纸，2000，520)，其中黑液是COD的主要来源。因此，研究纸浆得率高、污染程度低的草类原料的机械法制浆技术具有重要意义。但由于与木材相比，麦草等草类原料的纤维长度本身就比较短，如采用单纯的机械法制浆，则由于在磨浆过程中会过度切断纤维而大大损伤纸浆强度，因此，发展具有化学预处理的化学机械制浆工艺更适合于用草类原料来制备具有较好强度性能的纸浆，其中，由于APMP制浆工艺所具有的诸多优点，使得研究麦草原料的APMP制浆更有实际意义和环保意义。
但目前为止，国内外对麦草APMP制浆的研究相对较少，已报道的资料有加拿大Pan G.X.等人对麦草APMP制浆工艺条件、APMP浆料漂白性能的研究(Tappi J.2000，83(7)49；83(7)58；83(5)159；Cellulose Chemistry and Technology，34537)，美国Andritz公司的Xu E.C.对麦草APMP制浆的研究，上述研究采用的主要工艺包括水浸渍、碱性H2O2预浸渍、磨浆等。但上述研究所制备出的麦草APMP浆的缺点是纸浆白度低(一般低于60％ISO)、且难以漂白。由于进一步提高白度比较困难，使得麦草APMP浆的应用范围受到限制，应用潜力较小。
发明内容本发明的目的在于提供一种新型的草类原料碱性过氧化氢机械制浆(APMP)的方法，以解决传统APMP制浆方法中出现的上述难题，生产出高白度和具有较高强度性能的草类原料漂白纸浆。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，主要包括热水浸渍、挤压脱水、第一次化学预处理、第一段磨浆、酶处理、第二次化学预处理、第二段磨浆等步骤。
(1)原料首先被切断(长度约15～40mm)、除尘，然后用60～80℃热水浸渍处理1～3小时，水体积(毫升)与原料绝干重量(克)之比为10∶1～30∶1。
(2)上述原料经挤压脱水后(压缩比大于或等于4∶1)，加入2～8％NaOH、0.5～2％H2O2、0.2～1％EDTA在50～90℃条件下进行第一次化学预处理，水体积(毫升)与原料绝干重量(克)之比为8∶1～15∶1，处理时间为20～60分钟。
(3)化学预处理后，原料用磨浆机进行第一段磨浆，磨浆浓度10～25％(W/V)，磨浆间隙0.1～0.5mm。
(4)磨浆后，粗浆料用水洗涤，然后用半纤维素酶粗酶液或者是半纤维素酶粗酶液和木素过氧化物酶粗酶液的混合酶液进行处理，酶处理条件为浓度3～15％(W/V)，时间30～180分钟，温度40～70℃，反应体系pH3.5～6.5，半纤维素酶用量为每克绝干原料2～40IU(木聚糖酶酶活为准)，木素过氧化物酶用量为每克绝干原料0.1～1.0IU。
上述酶处理时，以选择以下条件为佳浓度5～10％，温度50～60℃，时间60～120分钟，pH4.0～5.5，木聚糖酶用量为每克绝干原料5～20IU，木素过氧化物酶用量为每克绝干原料0.5～1.0IU。
上述各种酶液的酶活按如下方法测定木聚糖酶酶活测定采用DNS(3，5-二硝基水杨酸)法测定还原糖，以每分钟产生1μmol还原糖为一个活力单位(IU)。取0.5ml适当稀释的待测酶液，加入1ml用pH4.8，0.2M醋酸缓冲液配制的1％木聚糖(Oat Spelts Xylan，Sigma)溶液，摇匀，在50℃下反应30min，用恒温水浴控制温度，反应完毕后加入2mlDNS试剂中止反应，煮沸10min，冷却后用蒸馏水定容至15ml，于540nm测OD(吸光度)值，参照木糖标准曲线计算木聚糖酶酶活。
木素过氧化物酶酶活测定3.0mL反应液中含80mM、pH3.5的酒石酸钠缓冲液、5mM藜芦醇、0.3mL酶液和0.4mM H2O2，30℃下反应，检测加入H2O2后反应液在310nm处的光吸收变化，以每分钟氧化形成1微摩尔藜芦醛的酶量为一个酶活力单位。
(5)对上述酶处理后的粗浆料进行第二次化学预处理，处理条件为1～3％NaOH、2～6％H2O2、0.2～1％EDTA、60～90℃、0.2～2％Na2SiO3、0.1～1％MgSO4，浓度5-15％(W/V)，处理时间为30～120分钟。
(6)将上述第二段化学预处理后的原料，用磨浆机进行第二段磨浆，磨浆浓度10～25％(W/V)，磨浆间隙0.05～0.3mm。磨浆后，浆料再经过消潜、筛选，制得纸浆。
上述APMP制浆方法中的草类原料，可以为麦草，蔗渣、稻草、芦苇、红麻、龙须草或芒秆之一，比较适用于麦草原料。
与传统的APMP制浆方法相比，本发明的优良效果是(1)化学预处理分两次进行，可以有效地在保证纸浆具有良好强度性能的同时，也获得较高的白度。
(2)酶处理位于第二次化学预处理之前，第一段磨浆之后。这样做具有以下优点一是原料经过第一段磨浆后，纤维被初步分离，纤维比表面积增加，使酶与纤维表面直接进行物理接触的机会增多，而且纤维经过第一次化学预处理后，纤维中部分碱易溶的物质溶出，纤维的孔隙率增加，使酶向纤维内部的扩散作用和渗透作用增强，与用酶直接处理原料相比，这两方面的作用都可以导致酶作用效率的提高；二是酶作用效率的提高有利于减少生物处理的时间；三是资料已显示，在APMP制浆时，第二次化学处理对白度的影响最大，因此，将酶处理放在第二次化学处理之前，可以有效地发挥酶处理对H2O2漂白的促进作用，改善麦草浆的漂白性能，使制备的麦草APMP纸浆具有更高的白度。
(3)采用上述方法制备的麦草APMP浆具有较高的白度和良好的强度，麦草APMP浆的白度可以达到65～80％ISO，裂断长达到4500米以上；可以满足生产高档次纸张产品的需要。
具体实施方式
实施例1麦草原料经过切断(长度为20～30mm)、除尘后，按水体积(毫升)与麦草绝干重量(克)之比为10∶1的比例加入60℃的温水并浸渍1小时；完毕后挤压脱水(压缩比4∶1)，然后加入2％NaOH、0.5％H2O2、0.3％EDTA，在50℃下处理20分钟，处理时水体积(毫升)与原料绝干重量(克)之比为15∶1；处理完毕后用磨浆机进行第一段磨浆，磨浆浓度10％，磨浆间隙0.5mm；将粗浆料用水洗涤后，在浓度5％、40℃、体系pH3.5条件下用半纤维素酶粗酶液处理30分钟，木聚糖酶用量为5IU/g绝干原料；酶处理后的浆料经过洗涤后，在1％NaOH、2％H2O2、0.2％EDTA、60℃、2％Na2SiO3、0.2％MgSO4，浓度5％条件下再处理30分钟；然后用磨浆机进行第二段磨浆，磨浆浓度10％，磨浆间隙0.1mm。浆料再经过消潜、筛选，制得的麦草APMP浆料的白度为55.2％ISO，裂断长为2500米。
实施例2麦草原料经过切断(长度为20～30mm)、除尘后，按水体积(毫升)与麦草绝干重量(克)之比为20∶1的比例加入70℃的温水并浸渍2.5小时；完毕后挤压脱水(压缩比4∶1)，然后加入6％NaOH、2％H2O2、0.5％EDTA，在80℃下处理40分钟，处理时水体积(毫升)与原料绝干重量(克)之比为10∶1；处理完毕后用磨浆机进行第一段磨浆，磨浆浓度20％，磨浆间隙0.3mm；将粗浆料用水洗涤后，在浓度10％、50℃、体系pH5.0条件下用半纤维素酶粗酶液和木素过氧化物酶粗酶液的混合酶液处理90分钟，木聚糖酶用量为15IU/g绝干原料，木素过氧化物酶用量1IU/g绝干原料；酶处理后的浆料经过洗涤后，在2％NaOH、6％H2O2、0.5％EDTA、90℃、1％Na2SiO3、0.5％MgSO4，浓度10％条件下再处理60分钟；然后用磨浆机进行第二段磨浆，磨浆浓度20％，磨浆间隙0.15mm。浆料再经过消潜、筛选，制得的麦草APMP浆料的白度为75％ISO，裂断长为5000米。
实施例3麦草原料经过切断(长度为20～30mm)、除尘后，按水体积(毫升)与麦草绝干重量(克)之比为30∶1的比例加入80℃的温水并浸渍2小时；完毕后挤压脱水(压缩比4∶1)，然后加入8％NaOH、1％H2O2、0.8％EDTA，在90℃下处理60分钟，处理时水体积(毫升)与原料绝干重量(克)之比为9∶1；处理完毕后用磨浆机进行第一段磨浆，磨浆浓度20％，磨浆间隙0.1mm；将粗浆料用水洗涤后，在浓度15％、65℃、体系pH6.0条件下用半纤维素酶粗酶液处理180分钟，木聚糖酶用量为30IU/g绝干原料；酶处理后的浆料经过洗涤后，在2.5％NaOH、4％H2O2、0.5％EDTA、80℃、0.5％Na2SiO3、0.5％MgSO4，浓度10％条件下再处理120分钟；然后用磨浆机进行第二段磨浆，磨浆浓度20％，磨浆间隙0.2mm。浆料再经过消潜、筛选，制得的麦草APMP浆料的白度为70％ISO，裂断长为5500米。
权利要求
1.一种草类原料碱性过氧化氢机械制浆(APMP)的方法，由热水浸渍、挤压脱水、第一次化学预处理、第一段磨浆、酶处理、第二次化学预处理、第二段磨浆等步骤组成；其特征在于，所述的酶处理段，位于第二次化学预处理之前，第一段磨浆之后，所用酶液为半纤维素酶粗酶液，或者为半纤维素酶粗酶液和木素过氧化物酶粗酶液的混合酶液；酶处理条件为浓度3～15％，时间30～180分钟，温度40～70℃，反应体系pH3.5～6.5，半纤维素酶用量为每克绝干原料2～40IU，木素过氧化物酶用量为每克绝干原料0.1～1.0IU。
2.如权利要求1所述的一种草类原料碱性过氧化氢机械制浆(APMP)的方法，其特征在于，酶处理条件为浓度5～10％，温度50～60℃，时间60～120分钟，pH4.0～5.5，木聚糖酶用量为每克绝干原料5～20IU，木素过氧化物酶用量为每克绝干原料0.5～1.0IU。
3.如权利要求1所述的一种草类原料碱性过氧化氢机械制浆(APMP)的方法，其特征在于，草类原料可以为麦草，蔗渣、稻草、芦苇、红麻、龙须草或芒秆之一。
4.如权利要求3所述的一种草类原料碱性过氧化氢机械制浆(APMP)的方法，其特征在于，草类原料为麦草。
全文摘要
本发明公开了一种草类原料碱性过氧化氢机械制浆的方法，该方法由热水浸渍、挤压脱水、第一次化学预处理、第一段磨浆、酶处理、第二次化学预处理、第二段磨浆等步骤组成；其中酶处理位于第一段磨浆之后，第二次化学预处理之前，所用酶液为半纤维素酶液或半纤维素酶与木素过氧化物酶的混合酶液，酶处理条件为浓度3～15％，30～180分钟，40～70℃，体系pH3.5～6.5，木聚糖酶用量为每克绝干原料2～40IU，木素过氧化物酶用量为每克绝干原料0.1～1.0IU；本发明具有制备出的纸浆白度高、强度好，废液易处理等优点，可应用于以草类为原料的造纸企业。
文档编号D21H11/02GK1519427SQ03139030
公开日2004年8月11日 申请日期2003年9月2日 优先权日2003年9月2日
发明者赵建, 李雪芝, 曲音波, 赵 建 申请人:山东大学