制浆原理与工程实验指导书5-19

制浆原理与工程实验指导书适用专业：轻化工程专业学时：20福建农林大学材料工程化学工程实验室2007年9月5日1内容：实验：植物原料制浆性能实验（20学时设计性实验）1.目的要求植物原料制浆性能实验综合性实验，是在课堂理论教学后进行。不采用固定实验条件的教学模式，在教师的指导下学生根据采集的原料自行制定的制浆工艺条件及实验操作步骤，在实验中实施验证。从植物原料开始，制备出漂白纸浆，实验注重理论与实践相结合，以理论指导实践对实验结果进行分析讨论。使课堂上学的理论知识与实践相结合，提高理论知识在实际工作中的应用能力。按照实验指导书的实验操作规范和学生设计的工艺配方，完成以下实验项目的操作（1）植物纤维原料采集，原料切片及水份测定（2）蒸煮工艺的制定，蒸煮操作（3）纸浆得率测定（4）制浆废液残碱分析测定（5）漂白工艺条件的制定及计算，溧白操作（6）纸浆白度测定2.实验原理2.1蒸煮原理蒸煮过程包括：1、药液浸透原料过程，2、药液与原料起化学反应过程，3、反应产物从原料中容出过程；2.1.1蒸煮液的浸透作用蒸煮液的有效成份浸入原料内部有：A．毛细管作用：蒸煮液靠外加的压力或表面张力产生的压力作用而浸透；纤维轴向的毛细管作用总是大于横向毛细管作用50~200倍；在纤维原料水分含量低而又排除了原料毛细管内的空气后，药液对原料切片的浸透主要是毛细管作用，且速度很快；B．扩散作用：靠药液的浓度差造成的离子浓度梯度为推动力，使蒸煮液中的离子扩散浸透入原料内部切片；在纤维原料水分含量高至纤维饱和点时，离子浸入原料内部切片主要靠扩散作用；浸透理论强调浸透的重要性，认为药液浸透先于化学反应；蒸煮升温前期，必须让药液充分浸透入原料切片；随着浸透作用完成，蒸煮温度升高，化学反应逐渐加剧，因此认为浸透时间对蒸煮影响很大。强调在显著脱木素反应前，药液须充分浸透，即蒸煮过程应保留一段低温时间，不易升温太快。强调：只有充分浸透，才能保证蒸煮质量。表面化学反应理论强调化学反应，认为碱液与木片接触后，一开始就在木片表面发生脱木素反应，当部分木素从木片表面脱去后，便打开了“通道”，新鲜药液经过通道浸入原料切片内部。切2片与药液之间存在一个界面，此界面随着蒸煮的进行逐渐向木片内部移动，反应生成的产物也经通道向外扩散进入碱液中。即原料表面逐层地起化学反应，逐层地分离成浆。2.1.2蒸煮的化学反应过程碱法蒸煮时的碳水化合物降解反应有：A．剥皮反应：a.(1)(2)醛糖末端基和酮糖末端基互变；b.(2)(3)酮式末端基变成烯醇式；c.(3)(4)烷氧基消除反应，甙键断开；脱出一个端基；d.(4)(5)互变异构，形成二羰基衍生物；e.(5)(6)异构化，形成异变糖酸（6）。剥皮反应进行的条件是必须有醛糖末端基。终止反应a.(7)(8)醛式末端基变成烯醇式；b.(8)(9)脱去一水分子，形成C2和C3之间的烯醇式结构；c.(9)(10)烯醇式末端基变酮式；d.(10)(11)酮基与水分子加成，成同碳二元醇后进行分子重派，所形成的纤维素末端基为偏变糖酸；由于纤维素的末端基不存在醛糖末端基，不能再产生剥皮反应，降解因此而终止。碳水化合物的还原性醛糖末端基对碱不稳定，被逐个剥离而溶于碱液中。在100~150℃时发生；a、碳水化合物的还原性醛糖末端基是造成剥皮反应的原因；b、剥皮反应的关键性一步是β-烷氧基消除反应；c、在剥皮反应的同时，还发生了终止反应——纤维素分子链中不稳定的末端基在剥落前转变成对碱稳定的偏变糖酸末端基，从而避免了剥皮反应。d、将醛糖末端基氧化成糖酸末端基，即可避免剥皮反应。B．碱性水解：纤维素分子链在高温、强碱作用下因水解断裂，使一个长分子链断裂为两个甚至多个短分子链的反应；这样，由原来的一个还原性末端基变成两个或多个还原性末端基，从而增加剥皮反应的机会。3碱性水解在蒸煮温度升至150℃就开始了，使纤维素的聚合度下降，造成纸浆的得率、强度下降。2.2卡伯值测定原理：纸浆卡伯值是表示原料经蒸煮后残留在纸浆中的木素和其他还原物质的相对含量，间接表示纸浆的脱木素程度的大小，故可用来评价蒸煮的效果和纸浆的可漂性，并为制定漂白工艺条件提供依据。已经疏解的浆在一定条件下与一定量的高锰酸钾溶液反应一定时间。所选择的浆量应为：在反应时间终止时，约由50％的高锰酸钾未被消耗，加入碘化钾溶液终止反应，并用硫代硫酸钠标准溶液滴定游离碘。然后将得到的值换算成消耗50％高锰酸钾量。2.3残碱测定原理：黑液中有效碱的成分，对烧碱来说主要是NaOH；对硫酸盐法来说指NaOH＋1/2Na2S。测定时先用氯化钡使木素沉淀，同时也使碳酸钠和亚硫酸钠沉淀，然后取清液通过盐酸中和滴定而求得。2.4纸浆漂白原理：。1.漂白原理：次氯酸盐与木素的反应OCl与木素的亲核加成，次氯酸盐阴离子对酮型或其它烯酮形结构的亲核加成，随后进行重排和氧化，使木素溶解。次氯酸盐与纤维素的反应：某些羟基变为羰基，羰基氧化成羧基，聚合度降低漂后α-纤维素含量下降，粘度下降，强度下降，2.白度的基本原理：纸浆的白度（whiteness）是从浆片反射出来的光使人眼产生的印象。（生理现象）。①光散射系数（LightScatteringCoefficient)S----表示散射能力的大小，由纤维与空气界面引起。②光吸收系数（LightAbsorptionCoefficient)K----表示吸光能力的大小，取决于浆中发色基团的数量与性质K-M方程（Kubelka-MunkEquation）或纸浆的白度（反射率）3.实验仪器和材料蒸煮锅（器），削片机，烘箱，天平，纤维解离器，中浓碎浆机，筛浆机，100-150目过滤袋，离心式脱水机，电动搅拌器，纤维组织捣碎机（梅花杯），恒温水浴锅，秒表，塑料袋，布袋，滴定管，锥形瓶：250mL，烧杯：1000mL、250mL，量筒：100mL、500mL、1000mL，植物纤维原料。纸浆，23L瓦利打浆机，叩解度测定仪，纸样成形器，定量取样刀，标准切纸刀，定距切纸刀，天平，耐折度测定仪，抗张强度测定仪，撕裂度测定仪，纸样白度测定仪。4.实验方法和歩骤2RR1SK22122SK2SK-SK1RR44.1蒸煮试验及其检测4.1.1试样的采取木材原料：采用树龄适中，树干端正的材样。合格木片的规格：长度15－20mm，厚度3－5mm，宽度20mm，合格率≥85％。草类原料：应在切草、除尘及筛选后取样。草段长度25－30mm，竹片长度为10－15mm，蔗渣应取除髓后的样品，除髓率为25－30％。样品实验室处理：样品→筛选→风干→采样→平衡水分采样方法——四分法：把全部采集试样堆成圆锥形后在压平，然后划十字分成四份，取其对角两份。如此重复“四分法”取样，直到所选取的试样量符合要求为止。4.1.2蒸煮试验方案的制定与蒸煮前的准备4.1.2.1蒸煮试验方案的制定：确定采用的蒸煮方法；制定合理的工艺条件（如蒸煮药品的用量、液比、升温时间、小放汽、最高温度、保温时间等）；并确定试验的蒸煮曲线，即蒸煮温度或压力（纵坐标）－蒸煮时间（横坐标）曲线。然后根据所定的工艺条件，计算蒸煮试验中的原料、药剂用量及补充水量等。4.1.2.2蒸煮前的准备：①测定原料水分，计算风干原料需用量，并称重，备用。②标定蒸煮液的浓度，根据蒸煮条件及绝干原料用量计算出药品的取用量及补充的水量，配制蒸煮液。4.1.2.3蒸煮操作程序植物纤维原料→装锅→加入蒸煮液→盖上锅盖→拧紧螺母→关闭放汽阀门→锅体回转→加热升温至最高蒸煮温度→保温→大放汽→取出浆料及黑液。4.1.2.4浆料的处理将浆料转入100－150目塑料网洗浆机（或布袋）中→用水冲洗干净→纤维解离器中解离纤维→放入筛浆机中进行筛选→收集细浆及粗渣→细浆装入布袋→甩干→称重→贮于可密封的广口瓶或塑料袋中，贴上标签，平衡水分。4.1.2.5纸浆得率的测定测定细浆及粗渣的水分，计算细浆及粗浆的得率。4.1.2.6纸浆卡伯值的测定称取消耗100mL0.02mol/LKMnO4标准溶液的30－70％之间的绝干试样（称准至0.005g）→加入400mL水→在解离器中解离分散→移至2000mL烧杯中→用蒸馏水漂洗解离器（总体积约为750mL）→放恒温水浴中（25±1）℃→调节搅拌速度（产生深约25mm的旋涡）→用移液管吸取100mLKMnO4标准溶液和100mL2mol/LH2SO4溶液于250mL烧杯中→调节混合液到25℃→迅速倒入试样中→立即开动秒表→用50mL蒸馏水洗净烧杯，洗液亦倒入反应杯中（总量1000mL）→反应进行恰好10min→立即加入20mLKI溶液→立即用0.2mol/LNa2S2O3标准溶液滴定至淡黄色→加2－3mL淀粉溶液→继续滴定至蓝色刚好消失。5按同样手续，进行空白试验。4.1.2.7制浆废液残碱分析测定取50－70mL100g/L氯化钡溶液置于500mL容量瓶中→加蒸馏水约150mL→吸取50mL黑液试样加入该容量瓶中→用蒸馏水稀释至刻度→摇匀静置→吸取几滴上层清液→用硫酸检验氯化钡有无过量（如无硫酸钡产生，则说明氯化钡用量不够，应重做）→取上层清液→用干燥的滤纸过滤→取滤液50mL→以酚酞为指示剂→用0.1mol/LHCl标准溶液滴定至红色消失。4.2纸浆的漂白及白度测定4.2.1试样的采取：漂白实验用的纸浆经洗涤筛选，不带纤维束和其它粗渣的浆料4.2.2.1漂白蒸煮试验方案的制定：确定采用的漂白方法；制定合理的工艺条件，应根据浆料的种类、硬度、白度以及漂白后浆装的白度要求，强度等指标，选择合适的方法和流程，4.2.2.2漂白操作程序纸浆→装入漂白器→加入漂白液→放入水浴中加热升温→保温→取出浆料→洗涤4.2.2.3漂白纸浆白度的测定漂白后浆片的抄造：在直径115mm的布氏瓷漏斗中放入相同直径的一块圆形白绸布，将布氏漏斗与抽滤瓶、真空泵连接相通，把一份纸浆倒入漏斗，吸滤后取出纸样，在23℃、50％RH的无尘室内干燥9小时。将纸样放入白度仪中测定白度，并记录。5.实验结果与分析5.1纸浆得率的计算蒸煮细浆得率X（％），按下式计算：X=m2×100%m1蒸煮粗浆得率计算蒸煮粗浆得率Y（％），按下式计算：Y=m2+m3×100%m1式中m1——装锅绝干原料质量，gm2——蒸煮后绝干粗浆质量，gm2——蒸煮后绝干粗浆质量，g5.2纸浆卡伯值的计算卡伯值（K）按下式计算：V2=(V0－V1)0.02×5K=V2fm6式中V2——样品耗用0.02mol/LKMnO4标准溶液体积，mLV0——空白试验时耗用Na2S2O3标准溶液体积，mLV2——滴定试样时耗用Na2S2O3标准溶液体积，mLc——Na2S2O3标准溶液浓度，mol/Lm——绝干浆质量，gK——卡伯值F——换算成消耗50％高锰酸钾的校正因子。根据V2值查表3－2而得。同时进行两次测定，取其算术平均值作为测定结果，卡伯值在50以下，精确到0.1；卡伯值在50－100范围，精确到0.5；卡伯值在100以上，仅要求整数。两次测定计算间的误差应在卡伯值得1％以内。如测定温度不能准确控制在（25±1）℃时，应保持整个反应期间得测定温度在20－30℃之间，并按以下温度校正公式计算卡伯值：K=V2f[1+0.013(25-t)]m式中t——测定时得温度。可在反应进行5min时，测量反应杯中混合物的温度t，并假设此温度是整个试验的平均温度。5.3黑液残碱（有效碱）的计算黑液残碱（有效碱）含量，按下式计算：有效碱含量（NaOH）=V×c×0.040×1000（g/L）50×50/500式中V——滴定所耗用盐酸标准溶液量，mLc——HCl标准溶液的浓度，mol/L0.040——与1mmol的盐酸相当的氢氧化钠量，g5.4纸浆的白度测定：在一张试样测量4-6个不同的测试点，试验结果从4张试样测试值的算术平均值表示，结果取至小数后一位。臼度=V×nn6.思考题（1）蒸煮液的分析与配制的操作与蒸煮后纸浆得质量有何关系？（2）有效碱的测定为什么用酚酞作指示剂？