纸浆氧脱木素过程纤维素保护剂反应与传质机制研究

At present, oxygen delignification is widely used for lignin removal in pulping and bleaching because of its environmental and economic benefits. However, the effectiveness of an oxygen delignification stage is limited because severe cellulose degradation takes place after a certain point of delignification, resulting in the deterioration of pulp viscosity and strength properties. Therefore, the lack of selectivity is a drawback of oxygen delignification. With a single stage, the delignification is normally less than 50%. To improve the selectivity of oxygen delignification, the reaction of cellulose protectant is simulated with the model compounds during the oxygen delignification and the reaction mechanism and the chemical structure characteristics are analyzed by the isotope labeling method; The in-situ synthesis of cellulose protectant is explored to increase the adsorption quantity of cellulose protectant on the pulp fiber and the adsorption effectiveness is also evaluated; The concentration distribution of cellulose protectant in the pore opening and the micro-channel of pulp fiber is determined by SEM-EDXA to study the mass-transfer mechanism of cellulose protectant during the process. The project attempts to achieve a more fundamental understanding on the chemical structure characteristics, the reaction and mass-transfer mechanism of cellulose protectant so that the high-efficiency cellulose protectant is developed, the new oxygen delignification technology is proposed and the oxygen delignification reactor is improved. Through these studies, the selectivity of oxygen delignification is improved and the technical support can be provided to the pulp and paper industry for its energy conservation and emission reduction and its transition into the low carbon and green industry.

氧脱木素是当今国际上广泛采用的纸浆无污染漂白方式。但其反应选择性较差，对于一段氧脱木素，当木素脱除率超过50%时将引起纤维素的严重降解。为了提高氧脱木素过程的反应选择性，本项目从纤维素保护剂的角度出发，通过模拟氧脱木素化学反应过程，用稳定同位素标记法研究纤维素保护剂在氧脱木素过程中的化学反应，阐明其反应机理和结构特征；探索用原位反应合成的方法增加纤维素保护剂在纸浆纤维上的吸附量，研究其影响因素并评价其效果；从化工质量传递角度，用SEM-EDXA分析纤维素保护剂在纸浆纤维空隙与微细通道中的浓度分布，研究纤维素保护剂在氧脱木素过程中的扩散与传质，阐明其传质规律。本项目力图突破纤维素保护剂的反应机理、结构特征和传质规律这些基础问题，研发高效纤维素保护剂，建立氧脱木素新工艺，改进氧脱木素反应器设计，提高氧脱木素选择性，为造纸工业的节能减排，向低碳、绿色产业方向发展提供理论与技术支持。

氧脱木素是当今国际上广泛采用的纸浆无污染漂白方式。但其反应选择性较差，对于一段氧脱木素，当木素脱除率超过50%时将引起纤维素的严重降解。为了提高氧脱木素过程的反应选择性，本项目从纤维素保护剂的角度出发，用模拟氧脱木素化学反应过程，研究纤维素保护剂在氧脱木素过程中的化学反应，阐明镁离子的作用机制是通过其在碱性溶液中形成氢氧化镁沉淀，吸附过渡金属离子或与之形成络合物，从而减轻过渡金属离子对纤维素氧化降解的催化作用。筛选出壳聚糖微球具有与硫酸镁相当的吸附过渡金属离子的能力，发挥了和硫酸镁相当的保护作用；通过壳聚糖微球吸附镁离子，发挥壳聚糖微球和镁离子的协合作用效果，取得了更好的保护作用。合成了纳米级粒径（20-100nm）的氢氧化镁，具有比硫酸镁更强的保护作用；当氢氧化镁的粒径小于50nm时，氢氧化镁的加入量为纸浆绝干用量0.5%时，氧脱木素后纸浆的粘度降低率小于5%。用原位反应合成的方法，使氢氧化镁在纸浆纤维悬浮液、纤维表面孔隙及纤维细胞腔内得到有效的分布，提高氢氧化镁在氧脱木素初始阶段的使用效率，但研究发现，与直接在纸浆纤维悬浮液中生成氢氧化镁相比，其保护效果相差不大（氧脱木素选择性提高程度小于10%）。强化镁离子的传质能促进其对纸浆纤维悬浮液中的过渡金属离子的吸附作用，从而起到减缓纤维素降解的作用，提高氧脱木素的选择性。壳聚糖、氢氧化镁等纤维素保护剂的颗粒直径越小，传质速率越快，其对纸浆纤维悬浮液中的过渡金属离子的吸附作用越强，从而纤维素的降解越少，其保护作用效果越好。纸浆的半纤维素含量越少，木素与碳水化合物之间的连接键越少，更多的残余木素被曝露，更容易与氧气接触反应而降解溶出。项目研究成果为建立氧脱木素新工艺，提高氧脱木素选择性，为造纸工业的节能减排，向低碳、绿色产业方向发展提供理论与技术支持。