第三章 制浆化学品

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第三章 制浆化学品
3.1 蒸煮助剂 3.2 漂白助剂 3.3 废纸脱墨剂 3.4 其他制浆助剂
3.1 蒸煮助剂
3.1.1蒸煮助剂的分类及作用原理 蒸煮助剂:是除蒸煮药品以外的用以加速 蒸煮液对纤维原料的渗透或加速脱木素作 用的化学助剂。蒸煮助剂可以缩短蒸煮时 间或降低蒸煮温度,或减少蒸煮药剂的用 量,提高纸浆得率或强度。
(3)改善各类漂白过程的条件
为漂白剂提供或维持适当的反应环境: 如H2O2漂白中加入硅酸钠,既为H2O2的 电离提供适当碱性条件,又具有pH值缓 冲性能。
3.2.3 常见的漂白助剂及应用 (1)镁的化合物 主要用于阻止氧碱漂白过程中纤维素 的碱氧化降解。常见的有碱式碳酸镁、硫 酸镁、氧化镁或镁的配合物。 碱式碳酸镁: 分子式:Mg2(OH)2CO3,为 白色单斜结晶或无定形粉末 ,微溶于水, 能使水呈弱碱性。易溶于酸,在稀酸中分 解,放出CO2 。最早的镁盐助剂。
Na2S2O4是一个很强的还原剂,它的水溶液在 空气中放置就被空气中的氧氧化,生成亚硫 酸盐或硫酸盐:
能将浆料中碳水化合物羰基和木素中的羰基 还原为羟基,减少了纸浆的发色基团,纸浆 颜色变白,同时也增进了脱木素的速率。
5. 蒽醌 (AQ)及其衍生物 (1) 蒽醌(Authraquinone)
硼氢化钠(NaBH4)使用特点 NaBH4在135℃的热碱液中即完全分解: NaBH4 + 2NaOH + H2O 4H2 + Na3BO3 最好在80oC左右用NaBH4预处理木片或 草片后再进行普通的碱蒸煮。 另外, NaBH4还能使还原性1 4β糖甙键 断裂,降低纸浆粘度和得率。
4. 连二亚硫酸钠
多硫化钠(Na2Sx) Moxy方法:用空气中的氧作氧化剂,用活 性炭加以控制氧化程度,将白液中Na2S氧 化为Na2Sx: 2Na2S + 1/2O2+H2O Na2S2 +2NaOH 或 2Na2S+O2 + H2O 2S+4NaOH Na2S+(x-1)S Na2Sx
多硫化钠
Na2Sx中Sx具有链状结构,S原子通过共 用电子对相连成S链,主要为S32-、S52-离子:
EDTA和DTPA是两种能与许多金属离子形 成螯合物的螯合剂,它们与金属离子形成 的螯合物很稳定。所以,常被添加到纸浆 的漂白中,用以消除金属离子对漂白剂和 漂白后纸浆白度影响。
(4) 磷酸盐
造纸业常用磷酸盐:磷酸钠、磷酸氢钠、 焦磷酸钠和三聚磷酸钠等。 特点:磷酸根具有很强的配位能力,能与 许多金属离子形成可溶性配合物。 漂白助剂:主要是消除重金属离子。
三聚磷酸钠(Na5P3O10)
Na5P3O10,结构式为:
三聚磷酸钠 与Fe2+等重金属离子形成稳定的配合物,从 而消除重金属离子的影响。 Fe3+的影响(1)与无色多元酚反应生成有色
纯的蒽醌为淡黄色针状晶体,工业品 为灰绿色结晶粉末,微溶于水。其分子式 为C6H4(CO)2C6H4,其结构式为:
蒽醌
蒽醌的制备: 主要采用萘氧化法。
AQ催化反应—氧化还原催化剂
碱性条件下,AQ把碳水化合物分子上 的隐性醛基氧化为羧基,避免剥皮反应,自 身还原为蒽氢醌AHQ。
蒽氢醌在碱性条件下电离为易溶的蒽氢醌 离子 (AHQ2-),并与木素大分子中的亚甲 基醌结构反应,提供电子促使木素分子中 β—芳基醚键迅速断裂,加速木素的溶出。 而蒽氢醌则同时又被氧化为蒽醌形式。使 其可以在很少的用量下,对既减少了碳水 化合物的剥皮反应,又对脱木素反应产生 了催化作用。
甲眯亚磺酸FAS漂剂
具有较强的还原性,在碱性溶液中分解同 时生成强还原性的不稳定的次硫酸盐 SO22-, 可利用其还原性,用于纸浆的漂白。 其漂白效果优于一般的漂剂Na2S2O2和 H2O2、次氯酸盐。例如,FAS用于脱墨浆 (DIP)高白度漂白,作为终漂,可提高和稳 定白度。
(7)EDTA、DTPA
ClHNSO3十H2O Cl2NSO3-十H2O NCl3+HSO3-
氨基磺酸起到“游离基清除剂”的作用: 在pH值较低的条件下,HOCl含量增加, HOCI能形成HO· Cl游离基,强烈引起 和· 碳水化合物的氧化降解。
(6)甲脒亚磺酸 (FAS) Formamidine Sulfinic acid,简称FAS, 甲脒亚磺酸为五色针状晶体,易溶于水, 由硫脲和过氧化氢在中性水溶液中反应制 备:
(2)提高各种漂白剂的利用率
减少漂白剂的无效分解:
化学漂白中的漂白剂都是氧化剂或还原剂, 除了与有色物质作用外,还易和周围其他杂 质作用或受条件影响而分解,如H2O2就很易 与重金属离子作用而分解。
,防止微量重金属离子对 H2O2的分解,从而提高H2O2漂白剂的利用率 。
漂白化学助剂的分类:
无机漂白助剂:如各种镁盐,Na2SiO3,等。 有机漂白助剂:如氨基磺酸,螯合剂 EDTA,DTPA;尿素等 生物漂白助剂:用于协助纸浆漂白的微生 物或酶制剂常称为生物漂白助剂。
3.2.2 漂白助剂的作用原理
(1) 加速漂白剂与发色基团的作用 如在H2O2 漂白中加入Na2SiO3,可促使H2O2
(2)蒽醌衍生物
一些蒽醌衍生物也应用于蒸煮过程,且由 于溶解性较好,并且蒸煮效果更佳。
6.硝基苯 分子式为C6H5NO2,结构式为
为淡黄色澄清液体,难溶于水,作为制浆 助剂常用在硫酸盐蒸煮上。其原理主要是 利用硝基苯作氧化剂,既氧化木素,又能 氧化碳水化合物的还原性末端基,从而得 以稳定。但在得率和木素含量相同时,浆 的强度较硫酸盐浆差。
配合物 (2)与有色的多元酚形成更深的配合 物 (3)催化多元酚的氧化生成深色化合物
Fe2+ + O2
Fe3+
Fe3++多元酚→氧化了的多元酚(深色)十Fe2+
(5) 氨基磺酸(H2NSO3H)
外观为无色无臭晶体 , 由尿素与发烟硫 酸或氯磺酸反应制备:
可用于次氯酸盐漂白中:抑制次氯酸的对
碳水化合物的过度氧化的反应。
多硫化钠(Na2Sx)
过硫链与H2O2中的过氧链类似, 具有氧化性,它能使碳水化合物醛 末端基氧化成各种碱稳定的糖酸末 端基,从而停止剥皮反应,提高蒸 煮得率。
2.亚硫酸钠
Na2SO3中S的氧化数为+4,硫的常见 氧化数为-2、0、+4、+6,所以Na2SO3既 有氧化性,又有还原性,在制蒸煮中主要 是利用其氧化性。 烧碱法蒸煮时添加Na2SO3可形成碱性 亚硫酸钠法蒸煮,硫酸盐法蒸煮时可添加 Na2SO3代替部分NaOH和Na2S。
亚硫酸钠作用
作为助剂使用时,加入量很少,利用其氧化性 能将纤维素和半纤维素的醛末端基氧化为羧基, 从而减少剥皮反应,保护碳水化合物。 3R纤—CHO + SO32- + 3OHS2- + 3H2O 3R纤-COO- +
添加Na2SO3可使蒸煮得率提高,纸浆颜色较浅, 滤水性好,好洗易漂,废液泡沫少。 作为蒸煮助剂,磺化木素。
(2)硅酸钠
硅酸钠(Na2SiO3)俗称水玻璃或泡花碱。 工业硅酸钠是一类多硅酸钠,其组成常用 NaO· nSiO2表示,其性质随分子中氧化钠 和二氧化硅的比值(摩尔比)不同而不同。 此比值n称为模数。模数在3以上的称为中 性水玻璃,在3以下的称为碱性水玻璃。
硅酸钠作为造纸业的漂白助剂
主要应用于H2O2漂白过程。 其作用主要有两点: 一是pH值缓冲作用 二是消除重金属离子的作用
7.烷基苯磺酸盐
是一类阴离子表面活性剂,其中以烷基 苯磺酸钠最为常用。具有渗透、乳化、分 散、发泡、洗涤去污等功能。生物降解度 高,并可在较宽的pH范围内稳定,可用于 破布脱色和废棉去除油脂,从而提高漂白 破布浆和棉浆的白度。
3.2 漂白助剂
3.2.1漂白化学助剂及分类 漂白化学助剂 :在漂白过程中,用于提高 漂白剂稳定性,减少无效分解或减少纤 维素降解,保持漂白后浆强度的化学药 品都称为漂白化学助剂。 如:氨基磺酸,硅酸钠、硫酸镁等
pH值缓冲作用
为什么要pH值缓冲作用: H2O2是一种弱酸,漂白需要发生电离: H2O2 → H+ 十HOO起漂白作用的是HOO- 离子,因此需要补充OH- 以 促进H2O2电离,以提供足够HOO-进行漂白反应。 Na2SiO3 是一种弱酸强碱盐,水解过程的酸碱性 正适宜H2O2漂白的pH值,并且漂白过程中漂白液 的pH变化很小。所以Na2SiO3起到缓冲作用。
消除金属离子作用
Na2SiO3可吸附Fe2+、Cu2+、Mn2+ 、 Fe3+ 等重金属离子而减少H2O2受重金属 离子的催化分解。
(3)亚硫酸盐
Na2SO3能作为氧化剂对碳水化合物的还原 性末端基进行氧化,同时又是脱木素的反 应剂。因此,碱处理后的纸浆的可漂性提 高。 在H2O漂白工艺中,为了提高白度,也可 采用加入螯合剂或同时加入Na2SO3进行预 处理后,再用H2O2漂白的方法。
3. 硼氢化钠(NaBH4)
白色结晶粉末,干空气中稳定,湿空气中 分解,溶于水,并与水作用产生氢气,在 碱性溶液呈棕黄色,是一种强还原剂。 制备:氢化钠—硼酸甲酯法,此法是将硼 酸与甲醇作用生成硼酸甲酯,再和由氢气 与钠作用而得的氢化钠反应即生成硼氢化 钠。
硼氢化钠(NaBH4)的作用
NaBH4是一个强还原剂,它能使还原性基团 如羰基还原为羟基,从而使纤维素、半纤维 素避免剥皮反应,提高了纸浆得率。 4R纤、半纤-CHO + NaBH4 + 2NaOH + H2O 4R纤、半纤-CH2OH十Na3BO3
3.1.2重要的蒸煮助剂
1.多硫化钠(Na2Sx) Na2Sx为黄色微晶粉末,吸湿性很强,易溶于 水,水溶液一般显黄色,随着x值的增加由黄、 橙色而至红色,但最常用的是Na2S2。 造纸中多硫化钠的制备多是在硫酸盐蒸煮液 中直接加硫: 4S+6NaOH = 2Na2S+Na2S2O3+3H2O Na2S + (x-1)S = Na2Sx
镁化合物作为氧碱漂白助剂的作用原理
①镁盐将反应介质中形成的过氧化物复合起 来,认为过氧化物的形成与纤维素降解有关。 ②镁盐及其氢氧化物对一些催化纤维素氧化 降解的过渡金属离子吸附共沉作用;镁盐配 合物,如葡萄糖酸镁能与Fe2+形成复合物, 从而减少Fe2+催化降解作用。
③镁盐与纤维素氧化物能形成稳定的配合物, 从而避免β —烷氧基消除反应,不进行碱性 氧化降解。
2. 蒸煮助剂作用原理
加速蒸煮液的浸透:常用的有长链不饱和 脂肪酸—二甲基酰胺为主体的非离子型 表面活性剂、烷基磺酸盐类阴离子表面 活性剂。 参与蒸煮反应,保护碳水化合物:如在 硫酸盐和烧碱法蒸煮中添加的多硫化钠、 AQ。 改善蒸煮条件 :使纤维原料在相对较低 碱度、较低温度下蒸煮较短的时间就达 到目的。
氨基磺酸作用:抑制次氯酸的对碳水化合物
的过度氧化的反应。
由于次氯酸盐漂白需在碱性条件下漂白, 漂白的pH值为10~10.5时,漂后纸浆白度 的稳定性最好。但是漂白时pH值越高,漂 白速度就越低,为加快漂白速率,只好降 低pH值。但是,降低pH值,易产生次氯 酸,引起碳水化合物的剧烈降解。
H2NSO3-十HOCI ClHNSO3十HOCl Cl2NSO3-十HOCI
1.以化学组成分类: 无机蒸煮助剂 有机蒸煮助剂
无机蒸煮助剂
在蒸煮过程中添加的辅助化学药品是 无机物的称为无机蒸煮助剂。例如:在 Kp法蒸煮中添加的多硫化钠(Na2Sx), 在硫酸盐法和烧碱法蒸煮中添加的亚硫 酸钠都属于无机蒸煮助剂。
有机蒸煮助剂
在蒸煮过程中添加的辅助化学品是有机物 的称为有机蒸煮助剂。如既保护碳水化合 物又具有脱木素作用的蒽醌(AQ),及早 期用于加速蒸煮液渗透作用的表面活性剂。
分解出HOO-而加速H2O2漂白作用。
再如,在ClO2漂白时,添加的少量氧化还原 催化剂V2O5(0.008%),可将木素等有 色物质氧化,加速木素与漂剂的反应。
V5+ + 有色物质(木素) → 氧化了的有色物质十 V4+ 6V4+ + C1O3- + 6H+ →6V5+ + Cl- +3H2O C1O3- + 2H+ + 2Cl-→ClO2 + 1/2Cl2 + H2O 还原后的V4+同时将ClO2分解形成的氯酸盐,重 新还原为ClO2,充分发挥漂剂的作用
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