稻草制浆废弃资源的综合利用

发布时间：2020-06-16 05:02

【摘要】：我国稻草资源丰富，大部分被直接焚烧处理，已经带来了严重的环境污染问题。利用稻草纤维造纸是实现生物质资源合理转化的最佳方式。但稻草的灰分含量远高于木材，主要成分是二氧化硅，含量达10%以上，在烧碱法蒸煮制浆过程中，稻草中的二氧化硅在制浆黑液中以硅酸钠的形式溶解于其中，对碱回收工艺产生干扰，易造成蒸发器及管道结垢，降低传热系数；燃烧时熔融物熔点升高；浓缩黑液中含硅组份硅酸钙易沉积在石灰颗粒表面，影响苛化率。以上因素导致稻草制浆黑液的碱回收效率降低，成为稻草制浆工艺中的难以克服的技术难题。因此有效利用稻草制浆废弃资源，并解决稻草制浆黑液污染环境的问题，对于实现我国植物秸杆资源化利用具有重要的意义。本论文针对目前稻草制浆存在的问题，回收和利用了黑液中的硅酸盐和木质素，研究了预处理条件对制浆性能的影响，开展了实验研究和工艺改进： 1、以稻草制浆黑液为原料制备纳米二氧化硅以稻草制浆黑液中的硅酸钠为硅源，以黑液中的木质素作为形貌控制剂，工业废气中的二氧化碳作为沉淀剂，研究了木质素浓度、pH值和反应温度等因素对二氧化硅粒径的影响，合成出表面修饰木质素的纳米二氧化硅。 2、采用二级除硅法分离黑液中的硅稻草制浆与木材制浆最大的不同是黑液中含硅量不同，如能将硅沉淀出，木材制浆企业就可以利用稻草制浆，扩大原料来源，降低生产成本。本章采用将烟道气和石灰除硅工艺相结合的方法连续除硅。一级除硅，利用模拟烟道气中的CO2，将黑液中硅酸钠转化为二氧化硅水合物沉淀，当pH值为9.0时，硅的去除率达到65.21%，此时木质素共沉淀少，有利于木质素保留在黑液中，在碱回收系统中燃烧获得热量；二级除硅，用石灰与硅酸钠反应生成硅酸钙沉淀，除硅率达到83.51%。二级除硅法提高了除硅效率，降低黑液再碱化费用，既回收利用了二氧化碳碳资源，又消除了硅干扰，使稻草制浆黑液可用于目前工业上的碱回收系统。 3、利用稻草制浆黑液制备木质素/二氧化硅复合材料利用稻草制浆黑液制备木质素/二氧化硅复合材料，是变黑液污染物为有用产品的有效途径。本章采用酸析法原位制备木质素/二氧化硅复合材料，研究了反应条件（包括反应pH值、反应温度、反应时间等）对木质素/二氧化硅复合材料产量和组分含量的影响。最佳反应条件为：反应pH值为3，反应温度为50℃，反应时间为1h，此时得到的木质素/二氧化硅复合物的产量最高，二氧化硅质量百分含量为25.92%，粒径分布较为均匀。 4、以木质素/二氧化硅复合材料为前驱体制备活性炭以稻草制浆黑液制备的木质素/二氧化硅复合材料为前驱体，采用KOH为活化剂制备活性炭。研究了反应条件(活化剂氢氧化钾的用量、活化反应的温度、活化反应时间)对活性炭性质的影响。最佳的反应条件为：浸渍比(KOH于复合物的质量比)为3：1，活化温度为750℃，活化时间为1h，此时制备的活性炭碘吸附值达到816.26mg/g，BET比表面积达到532.6m2/g。 5、预处理水解半纤维素在传统制浆过程中半纤维素与木质素一起降解为黑液中的主要有机物，进入碱回收系统中增加了体系的粘度，导致黑液脱水困难。在制浆前将半纤维素水解为木糖液，为深加工生产木糖、木糖醇或糠醛等高附加值产品提供原料，解决黑液脱水困难的问题。本章研究了稻草水解的工艺条件，考察了高温热水水解半纤维素的反应条件及对烧碱-蒽醌法制浆浆料性能的影响。结果表明，预提取温度和时间影响水解液中还原糖的含量和稻草得率。从得率和还原糖含量两个方面考虑，最佳的预处理条件为150℃，升温1h，保温1.5h，此时水解液中还原糖含量为4.65g/L。相同的蒸煮制浆条件（用碱量15%，升温2h,固液比1：15，蒽醌用量0.09%），预处理后稻草浆料卡伯值较未预提取稻草高出2.56。预处理后，纸张的抗张指数明显下降，撕裂指数增加。本论文针对稻草制浆存在的问题，利用黑液中的硅酸钠制备纳米二氧化硅；利用烟道气和石灰二级除硅消除黑液的硅干扰；利用黑液制备木质素/二氧化硅复合材料并制备了活性炭等研究工作，为稻草制浆废弃资源充分利用提供了实验依据，开发了造纸黑液变废为宝的新途径，具有重要的经济效益和生态效益。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X793

【参考文献】