高檔文化印刷紙的DIP制漿技術研究

吳雪梅

(深圳市玲瓏印刷有限公司 廣東 深圳 518102)

引言

為了應對市場競爭壓力和降低生產成本,需要在產品質量和生產工藝方面進行改進。在這一背景下,傳統制漿技術面臨著新的挑戰。傳統制漿技術是以化學法打漿為基礎,利用化學助劑或化學機械法制漿為輔助手段。隨著生物技術、現代分離技術和高效分離純化技術的發展,新型制漿技術不斷涌現,并已成為造紙工業發展的重要方向。DIP制漿是在傳統制漿過程中引入生物酶、生物化學或生物物理處理工藝的一種新型制漿技術。該制漿工藝具有反應條件溫和、無污染、節省能源、環保等優點。

1 DIP制漿技術的特點

在DIP制漿中,生物酶、生物化學或生物物理處理工藝能夠顯著改善制漿效果,主要表現在以下幾個方面:(1)減少了化學助劑的使用量。DIP制漿使用的化學助劑主要是甲醛、苯酚、雙氰胺等,這些化學助劑都是有毒物質,會對環境造成污染。DIP制漿中的生物酶能夠有效減少這些化學助劑的使用,減少了廢水中有毒有害物質的排放。(2)降低了生產成本。DIP制漿采用生物酶和生物化學工藝替代部分傳統的化學法和機械法,可以顯著降低生產成本。例如:在傳統制漿過程中使用苯酚和甲醛等有毒物質時,會對環境造成嚴重污染。DIP制漿過程中所使用的雙氰胺等化學助劑不僅價格昂貴,而且會產生大量的廢水。采用DIP制漿后,苯酚和甲醛等有毒有害物質將不再使用。此外,DIP制漿所需的設備投資少、操作簡單、生產成本低、節能效果好,減少了資源浪費。(3)提高了產品質量。在DIP制漿過程中,生物酶能夠有效去除原漿中的纖維素和半纖維素,而這些成分是形成紙張和纖維形態所必需的。同時,經過處理后的原漿得率更高、強度更好。DIP制漿能夠提高文化用紙和其他紙張的物理強度,且所得紙張更具韌性和耐撕裂性。(4)改善了環境質量。同時,DIP制漿過程中使用的化學助劑能夠有效去除原漿中的纖維素、木質素等雜質成分,使紙漿得率更高、纖維形態更好、強度更高。(5)降低了能源消耗。在傳統制漿過程中,大量使用化學品和能源進行打漿和蒸煮等處理環節,且采用化學助劑進行抄造環節還會產生大量廢水,這些污染物對環境造成嚴重污染。DIP制漿可以在保持較高得率的同時顯著降低生產成本,具有較好的發展前景。(6)增加了經濟效益。DIP制漿過程中使用生物酶、生物化學或生物物理處理工藝對原漿進行優化后生產出符合標準要求的產品,可以有效減少生產過程中對環境造成的污染和資源浪費,提高企業經濟效益。(7)提高了環境效益。

圖1 文化印刷紙

2 DIP制漿過程中的主要影響因素

DIP制漿是在傳統制漿工藝的基礎上引入生物酶技術,以生物酶處理的方式代替傳統化學打漿。該技術具有減少化學助劑使用量和降低生產成本的優點,但也存在著酶用量大、制漿效率低、產品質量不穩定等缺點。因此,在DIP制漿過程中要重點控制以下影響因素:①在DIP制漿過程中加入生物酶,使其在酸性或中性條件下進行酶解反應,這樣可降低制漿能耗,提高制漿效率;②控制DIP制漿過程中的溫度、pH值和反應時間等工藝條件;③控制DIP制漿過程中的化學助劑用量,從而提高產品質量;④控制DIP制漿過程中的磨漿時間、磨漿粒度、抄紙溫度等工藝條件。下面將主要分析DIP制漿過程中影響因素的控制措施。

2.1 生物酶的選擇

生物酶是一類可以催化底物分子發生各種化學反應的酶,其具有反應速度快、酶活性高、易與底物發生特異性結合等特點,在造紙工業中主要用于木質素水解、木聚糖和纖維素的降解。在DIP制漿過程中,加入不同種類的生物酶,可以起到不同的作用,從而達到提高制漿效率、降低成本的目的。目前常用的生物酶有木聚糖酶、半纖維素酶、漆酶和漆酶等。其中,木聚糖酶對木質素具有較強的水解能力,能使木質素結構發生斷裂和脫除;半纖維素酶可將木素結構中的半纖維素降解成更易溶于水的小分子化合物;漆酶能將木質素中不溶于水的半纖維素降解成更易溶于水的小分子化合物。因此,在DIP制漿過程中加入不同種類和數量的生物酶對制漿效率有很大影響。

表1 化學品用量對比

2.2 磨漿、洗漿、抄紙工藝條件的選擇

由于DIP制漿過程中加入了生物酶,因此,在DIP制漿過程中,要根據所用生物酶的特性和所制漿紙產品的用途來選擇合適的工藝參數。在DIP制漿過程中,磨漿、洗漿、抄紙工藝條件對成紙質量有很大的影響,因此要根據具體情況選擇合適的工藝條件。磨漿、洗漿工藝條件可通過改變磨漿機轉速、磨漿時間和磨漿池溫度等參數來達到目的。如果原料中纖維長度較短,纖維間結合較緊密,則宜采用低轉速、長時間的磨漿機;如果原料中纖維長度較長,纖維間結合較松散,則宜采用高轉速、短時間的磨漿機。為了提高DIP制漿效率,降低生產成本,一般宜采用高轉速、長時間洗漿機。DIP制漿過程中的抄紙工藝條件可通過控制抄紙溫度和壓力來實現。

3 DIP制漿技術的應用現狀

3.1 系統設計

DIP制漿系統由多個部分組成,其主要包括打漿箱、抄紙機、烘干設備、漂白設備及相關控制系統等。在實際應用過程中,紙廠應根據自身需求,選擇合適的DIP制漿系統,并合理設計相關系統。其中,打漿箱的作用是將纖維進行打散,并使其均勻分布于打漿箱底部,然后借助刮板對纖維進行分散。在打漿過程中,如果紙漿中纖維較多、雜質較多,則需要將其打碎成漿。因此,在打漿箱中應安裝打漿設備。抄紙機的作用是將經過破碎后的紙漿送入抄紙機,并利用抄紙機使紙漿均勻分布于抄紙機盤上。在抄紙過程中,為了確保紙張的質量,應在抄紙機盤網上設置打漿箱。漂白設備的作用是對紙漿進行漂白處理,從而使其具有良好的白度。在漂白過程中,應根據不同紙漿的性質選擇不同的漂白設備。一般情況下,對于非離子型紙漿(如棉漿)來說,應選擇堿式氯化鋁或亞硫酸氫鈉等堿性漂白劑進行漂白處理;而對于離子型紙漿(如木漿)來說,則應選擇氫氧化鋁或亞硫酸氫鹽等酸性漂白劑進行漂白處理。在烘干過程中應選擇適宜的溫度、濕度以及風量等參數。其中,風量通常根據成品紙中纖維含量以及打漿度來確定。在實際應用過程中,為了提高產品質量和生產效率、降低生產成本、保護生態環境等目的,應根據具體情況合理設計相關系統。

圖2 廢紙脫墨漿流程

3.2 工藝流程

紙漿經機械篩選后,由DIP漿料倉進入打漿器,隨后經刮板機進行打漿,紙漿在刮板機上通過自身的重力作用流向浮選段,經浮選段內的浮選柱進行分選,將不符合要求的纖維分離出來,并進入后續的酸洗和堿洗工序。酸洗和堿洗工序均采用NaOH溶液,主要目的是將紙漿中的纖維素去除;酸洗工序后得到的紙漿經過兩級洗滌得到堿洗除雜、預脫木質素后,再由后續的洗滌工序得到高白度的紙漿。紙漿在洗滌過程中所用的化學藥劑主要有NaOH、Na2CO3、NaHCO3和H2O2等。經DIP制漿技術處理后的紙漿還需要經過干燥、制漿、打漿、漂白等工序,其中漂白工序是該紙廠DIP制漿技術應用最多的環節。經DIP制漿處理后的紙漿在經過漂白工序后可得到高白度紙漿。目前,該紙廠生產的高檔文化紙均采用這一流程進行生產。經DIP制漿技術處理后,文化用紙的纖維結構和性能得到了明顯改善,并能有效降低生產成本。

3.3 運行效果

DIP制漿技術在實際應用中的效果主要表現為以下幾個方面:(1)紙漿白度得到提高。DIP制漿技術可將紙漿中的纖維及半纖維素含量從8%左右降低至2%～3%,同時還可以將紙漿的化學組成進行改善,使其符合高檔文化紙的生產要求。(2)提高生產效率。DIP制漿技術對紙漿中的纖維及半纖維素含量進行有效控制后,可以將其打漿時間縮短,從而使生產效率得到提升。DIP制漿技術可以有效降低紙漿中的纖維及半纖維素含量,可使生產成本得到降低,進而提高企業的經濟效益。DIP制漿技術應用于高檔文化紙的生產中,不僅可以提高紙漿質量,而且還可以減少對環境造成的污染。綜上所述,DIP制漿技術在高檔文化紙生產中具有良好的應用效果,有利于推動造紙工業向可持續發展方向邁進。

4 加強DIP制漿技術的理論研究

DIP制漿技術是一項新的制漿技術,目前還沒有較為完善的理論體系來指導其在造紙工業中的應用。因此,未來應加強DIP制漿技術的理論研究,使DIP制漿技術更好地為造紙工業服務。首先,應加強對DIP制漿過程中各階段的機理研究,包括制漿過程中化學試劑的作用機理、酶活測試方法以及DIP制漿過程中木質素降解機理等。其次,應加強對DIP制漿過程中各階段的反應機理研究,包括預處理、加酶、蒸煮、干燥等各個階段中各反應過程及相互影響作用。此外,還應加強對DIP制漿工藝優化及優化控制技術研究。最后,應加強對DIP制漿技術在實際應用過程中出現問題的研究。同時,還應加強對DIP制漿技術在實際生產應用中出現問題的解決措施研究,使DIP制漿技術更好地為造紙工業服務,進一步推動DIP制漿技術在我國文化用紙領域的應用。

4.1 研發適合我國國情的DIP制漿設備

與傳統制漿技術相比,DIP制漿技術具有改善纖維質量、提高成紙強度等優勢,因此,DIP制漿技術在我國文化用紙領域的應用具有廣闊的發展前景。由于我國傳統制漿工藝相對落后,且大多采用化學法制漿,因此,在我國DIP制漿技術應用過程中仍存在一些問題。(1)目前,我國的DIP制漿設備多為國外進口或與國外廠家合作生產的設備。由于DIP制漿工藝的特殊性,需要在不同的階段添加不同的酶,因此需要研發適合我國國情的DIP制漿設備。此外,目前生產DIP制漿設備的企業較多,但相關企業提供的設備不盡相同,因此需要進一步研發適合不同企業使用的DIP制漿設備。(2)目前國內DIP制漿設備生產廠家較少。由于DIP制漿技術屬于較為先進的制漿技術,因此對生產設備的要求較高。在我國文化用紙領域應用DIP制漿技術時,應注重選擇具有較強研發能力和生產經驗的企業進行合作。此外,還應加強對現有DIP制漿設備的改造與升級工作。

4.2 加強DIP制漿技術的應用推廣

近年來,DIP制漿技術在我國造紙行業取得了長足進步,但仍有一些企業對DIP制漿技術的認識不足,未將DIP制漿技術應用到實際生產中。此外,由于國內企業在DIP制漿技術應用方面的經驗不足,對DIP制漿技術的操作規范和操作流程掌握不夠,導致DIP制漿技術在我國文化用紙領域的推廣應用效果不佳。深入開展對DIP制漿技術的研究,全面掌握其各項指標、性能以及在文化用紙領域應用的可行性,并進行相關工藝條件優化研究。根據不同品種、不同等級文化用紙對纖維質量和紙張性能的要求,綜合考慮紙機運行速度、生產成本以及環境效益等因素,選擇合適的DIP制漿工藝。同時,為保證紙機運行速度和成紙質量,需要在制漿工藝中合理添加酶,提高纖維質量和改善紙張性能。

4.3 加強DIP制漿過程中纖維素酶的研發

在DIP制漿過程中使用纖維素酶能夠使紙漿中的纖維結構得到優化,使纖維變得更加細密,并提高紙漿的性能。此外,在DIP制漿過程中添加纖維素酶后還可以使制漿液中的化學試劑用量減少1/3～1/2左右。DIP制漿過程中添加纖維素酶的主要作用是降低紙漿中的纖維素含量,提高紙漿的物理強度。在DIP制漿過程中添加纖維素酶還能夠促進紙漿中灰分、蛋白質等成分的脫除和吸附作用。注:文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。

結束語

綜上所述,DIP制漿技術對纖維的損傷程度較低,有利于改善紙張性能。DIP制漿可提高紙機運行速度和成紙質量,降低能耗,減少污染物排放。使用DIP制漿技術,漿料的化學結構得到優化,纖維質量得到改善,可滿足高檔文化印刷紙對纖維質量的要求。