混合楊木APMP漿酶促磨漿工藝及其過程機(jī)制的研究.pdf

1、堿性過氧化氫機(jī)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(jìn)而出現(xiàn)的一種高得率制漿技術(shù),具有簡(jiǎn)單方便、藥品消耗少、環(huán)保污染負(fù)荷低等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是也存在明顯不足:一是磨漿能耗高;二是成紙強(qiáng)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(xué)預(yù)處理階段的條件比較溫和,纖維細(xì)胞壁的P層和S1層保留較好,因此在機(jī)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(fù)合纖維素酶、纖維素酶對(duì)第一段磨后的楊木APMP漿進(jìn)行處理,然后再進(jìn)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(duì)紙漿物理性能指標(biāo)的影響。通過響應(yīng)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(duì)酶處理前后纖維表面的物理形貌以及化學(xué)組成進(jìn)行分析,對(duì)能夠降低磨漿能耗的酶促磨漿機(jī)制做了初步研究。

3、研究結(jié)果表明:
　　 木聚糖酶、復(fù)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(shí)間1.5 h;復(fù)合纖維素酶用量2.0 IU·g-1,pH值6.0,溫度50℃,時(shí)間1 h;纖維素酶用量0.6 IU·g-1,pH值5.0,溫度55℃,時(shí)間1 h。通過EXCEL軟件對(duì)磨漿能耗曲線擬合相似線性方程并粗略估

4、算,當(dāng)磨漿至游離度為250 mL時(shí),在各自的最佳反應(yīng)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(duì)紙漿的物理強(qiáng)度則無(wú)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(jié)果發(fā)現(xiàn)木聚糖酶、復(fù)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(duì)紙漿返黃有一定的抑制作用。

5、　　 采用響應(yīng)面分析法中的Box-Behnken模式,對(duì)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(jìn)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(guān)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(dá)205 mL,保水值可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)混合液的多波長(zhǎng)紫外光譜和所對(duì)應(yīng)的組成濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,利用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件SIMCA-P,選擇偏最小二乘法(PLS)進(jìn)行多變量的回歸,建

8、立單糖含量測(cè)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(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shì);當(dāng)酶用量繼續(xù)增加時(shí),這兩種單糖溶出量增加的趨勢(shì)逐漸趨于緩和。
　　 分別采用木聚糖酶、復(fù)合纖維素酶、纖維素酶對(duì)一段磨后的楊木APMP漿進(jìn)行處理,然后進(jìn)行PFI磨漿4000轉(zhuǎn)(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(jié)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(dá)到某種程度的活化和松弛,結(jié)構(gòu)變得疏松,有助于促進(jìn)磨漿過程中纖維的吸水潤(rùn)脹和細(xì)纖維化程度。
　　 采用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)酶處理前后漿料纖維表面主要化學(xué)元素組成進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算得出C/O值。計(jì)算結(jié)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(tuán),從而使纖維更容易吸水潤(rùn)脹,結(jié)構(gòu)變得疏松,有助于纖維之間的分離并使纖