一种微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法

本发明属于制浆造纸领域，一种微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法。

背景技术：

1、为了应对纸浆的需求日益增大和森林保护越来越重要的趋势，制浆原料也逐渐转向稻草、蔗渣、废纸等非木材原料。作为主要榨糖后的副产物的蔗渣，其是一种能够带来高效益的生物质资源，所以长期以来，蔗渣也被用作制浆原料。

2、现有技术中制浆主要有硫酸盐法、亚硫酸盐法和碱法，相比于高能量消耗性的硫酸盐、亚硫酸盐法制浆，碱法能在较低能耗下从纤维素中脱除木质素并且保留木质纤维素的原有结构。在制浆的前端，对制浆原料的预处理能够利于后端木质素的脱除，但是目前，由于纸张的大需求，国内的造纸原料多以非木材原料为主，非木材原料的制浆手段多为碱法，需要较高的用碱量和较高的蒸煮温度，导致整个行业的碱耗大，能耗大，污染较为严重；碱的过度使用不仅仅增大了成本，还对制浆设备造成了一定的损害，同时还会使得在碱回收的过程中增大木素的溶解，使得碱回收的难度增加，这会导致黑液处理的成本增大。种种原因结合使得碱法制浆工艺中高用碱、高能耗的问题急需改善。

技术实现思路

1、鉴于上述不足，本发明提出一种新的制浆处理方法，对原始的蔗渣纤维进行微波膨化破孔，增大其比表面积和大孔的数量，再进行自水解处理，由于之前蔗渣纤维细胞的细胞结构在微波膨化阶段已经被破坏，在自水解阶段能够使更多的半纤维素被降解，更利于后续在蒸煮阶段蒸煮药液的浸透，这样能够在制浆阶段使用更温和的制浆条件，即使用更低的蒸煮温度和更低的用碱量进行制浆，减低了能耗和碱耗。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，主要包括以下步骤：

4、(1)尿素-微波膨化协同预处理

5、将膨化剂溶于水得到膨化剂溶液，将蔗渣加入到膨化剂溶液中，并充分浸渍3-4h，接着对浸渍混合物进行微波膨化处理，之后过滤并用足量水洗涤膨化蔗渣至没有膨化剂残留，烘干至绝干备用；

6、(2)膨化蔗渣的自水解反应

7、称取步骤(1)的膨化蔗渣(绝干)，放入蒸煮反应器内，将膨化蔗渣与去离子水充分混合，进行自水解即得到自水解蔗渣，将膨化-自水解蔗渣充分洗涤干净后烘干至绝干备用，经过膨化-自水解的蔗渣具有比常规蔗渣更大的比表面积和孔隙率，这使其在蒸煮阶段与碱液具有更好的反应活性，因此能够以较温和或者较低的用碱量下蒸煮；

8、(3)膨化-自水解蔗渣的蒸煮

9、称取膨化-自水解蔗渣(长度为10～30mm)与蒸煮溶剂混合后，混合物置于蒸煮罐内进行蒸煮得到蔗渣浆。

10、步骤(1)膨化剂是碳酸氢铵与尿素的混合物，碳酸氢铵与尿素混合的质量比5～7:1，膨化剂溶液的质量浓度为2％～4％；将碳酸氢铵与尿素(分析纯)混合后作为膨化剂，其中尿素能够有效削弱膨化剂溶液中氢键的束缚，束缚的解除能够增大膨化剂溶液中水分子以及膨化剂分子的振动速率从而提升其升温速率，加速分解，并且尿素会受热分解，同时能产生大量气体，能充当膨化剂的角色。

11、步骤(1)膨化剂是碳酸氢铵与尿素的混合物，碳酸氢铵与尿素混合的质量比5～7:1，膨化剂溶液的质量浓度为2％～4％。

12、步骤(1)蔗渣与膨化剂溶液的固液比g:ml为1:3～5。

13、步骤(1)微波膨化处理的微波功率为1500w～1900w，温度为90℃～100℃，时间为3～5分钟。

14、步骤(2)膨化蔗渣与去离子水混合的固液比g:ml为10:1。

15、步骤(2)自水解升温速率为2℃/min，升温至130℃～160℃保温25～35分钟。

16、步骤(3)蒸煮溶剂为氢氧化钠和蒽醌的混合溶液，其中，氢氧化钠的质量浓度为14％～22％，蒽醌的质量浓度为0.05％。

17、步骤(3)膨化-自水解蔗渣与蒸煮溶剂混合的质量比为1:4～6，蒸煮升温速率为2℃/min，升温至140～150℃后保温1h。

18、本发明蔗渣膨化时较大的微波功率能够为蔗渣提供较快的升温速率，使得浸入到细胞壁的膨化剂溶液在更短的时间内产生出更多的气体，增大细胞壁内外的压力差，从而达到更理想的破壁效果，尿素的加入不仅仅可以削弱膨化剂溶液中的氢键，也能同时释放大量气体，有利于膨化效果。

19、本发明自水解能够使得更多的暴露的半纤维素被降解，且随着温度的升高，半纤维素的降解越剧烈。

20、本发明处理过的蔗渣在更低用碱量下达到比对照样相同的卡伯值，能有效地降低碱耗。

21、本发明尿素的加入是为了削弱整个膨化剂溶液体系存在的氢键效应，氢键的存在束缚着水分子等极性分子的转动，尿素的加入可以让膨化剂分子和水分子的转动愈加剧烈，产生更好的破孔效果，而且尿素受热也能分解出大量的气体，这也能为细胞膨胀提供更多的压力，这也是有效增大膨化效果的手段之一。

22、本发明微波膨化能够有效地降低原料的脱木素活化能，能够降低制浆的能耗，微波膨化可以瞬间增大植物细胞腔内的压力，导致细胞纤维结构疏松和产生破孔，可以增大物质交换效率。

技术特征：

1.一种微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解预处理的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(1)膨化剂是碳酸氢铵与尿素的混合物，碳酸氢铵与尿素混合的质量比5～7:1，膨化剂溶液的质量浓度为2％～4％。

3.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(1)蔗渣与膨化剂溶液的固液比g:ml为1:3～5。

4.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(1)微波膨化处理的微波功率为1500w～1900w，温度为90℃～100℃，时间为3～5分钟。

5.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(2)膨化蔗渣与去离子水混合的固液比g:ml为10:1。

6.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(2)自水解升温速率为2℃/min，升温至130℃～160℃保温25～35分钟。

7.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(3)步骤(3)蒸煮溶剂为氢氧化钠和蒽醌的混合溶液，其中，氢氧化钠的质量浓度为14％～22％，蒽醌的质量浓度为0.05％。

8.根据权利要求1所述微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，其特征在于，步骤(3)膨化-自水解蔗渣与蒸煮溶剂混合的质量比为1:4～6，蒸煮升温速率为2℃/min，升温至140～150℃保温1h。

技术总结本发明公开一种微波膨化协同自水解的蔗渣低碱耗制浆方法，对蔗渣原料先进行微波膨化处理后再进行自水解预处理，膨化剂溶液中的水分子和膨化剂分子的运动速率加大，升温速率明显加快，分解出大量气体，使原始蔗渣的表面因为气体的挤压出现了微孔，同时比表面积增大，自水解阶段中高温水分子与暴露半纤维素的接触程度被加大，大量的半纤维素被降解，自水解增强，半纤维素‑木质素的化学连接被破坏，联合微波膨化和自水解对蔗渣制浆，蔗渣的木质纤维结构间的间隙进一步拉大，使得木质素能够较容易地从纤维素上脱除，蒸煮过程原料能够更快地达到更低的卡伯值，减少能耗，在达到相同卡伯值的条件下，消耗更少的碱，实现绿色制浆和碳中和。技术研发人员：刘玉新,杨文进,孙兵,李凯,安亮亮,胡建全,黄吉振,史昌蓉受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/9