用蔗渣生产溶解浆

用蔗渣生产溶解浆

陈劲柏

【摘要】对蔗渣的2种主要组分——蔗髓和除髓蔗渣进行探讨，评估了除髓蔗渣生产溶解浆的潜力。用预水解烧碱法工艺（先进行热水预处理，再进行常规烧碱法制浆）将除髓蔗渣转变为脱木素程度不同（卡伯值分别为16.9和9.2）的2种浆料，然后，用O-D0-(EP)-D1-P漂序进行漂白，并评估所得溶解浆性能。蔗髓和除髓蔗渣的纤维素、半纤维素和木素的含量差别显著。例如，蔗髓和除髓蔗渣的木素结构中H∶G∶S分别为1.0∶1.6∶1.8和1.0∶2.1∶2.0。预水解处理终止时，pH值为3.4，去除了29%的物质（对除髓蔗渣）。预水解烧碱法工艺提高了聚木糖的去除量，降低了制浆得率。即使未漂浆卡伯值不同，但漂白浆的葡聚糖、聚木糖、灰分、二氧化硅和a-纤维素的含量相近。较低的黏度以及较高的灰分和二氧化硅含量限制了蔗渣浆作为溶解浆的应用范围，但是经过去矿化处理后，可用其生产人造丝和羧甲基纤维素衍生物。利用除髓蔗渣制备高得率（35.1%）的溶解浆对漂白成本并无影响。

【期刊名称】《国际造纸》

【年(卷),期】2014(000)006

【总页数】7页(P26-32)

【作者】陈劲柏

【作者单位】

【正文语种】中文

近年来，有效利用农业废弃物（包括蔗渣）的趋势不断增加。已有文献报道了以蔗渣为原料进行生产的工艺和产品，如生产溶解浆、纸浆、乙醇和粉末制品。

甘蔗（白甘蔗）是一种多年生植物，原产于亚洲，却能更好地适应大多数热带和亚热带气候。巴西是世界上最大的甘蔗生产国，其次是中国、印度、泰国和澳大利亚。在2011～2012年间，在巴西840万hm2的土地上，产出5.71亿t甘蔗，产量

达到68 t/hm2。约50.3%的甘蔗用于制备乙醇（229亿L），47.3%的甘蔗用于

制糖（3690万t），还有2.4%的甘蔗用于制备酒精饮料/糖果。甘蔗的生产和利

用过程中会产生大量废弃物。以1 t甘蔗约能产生140 kg蔗渣（以绝干计）来计，巴西每年约产生8000万t蔗渣。

蔗渣中含有40%～50%的纤维素、20%～30%的半纤维素和18%～25%的木素。半纤维素中的主要碳水化合物为木糖，约占半纤维素中总糖的80%。与其他秸秆

作物（如稻草和麦秆，灰分分别为17%和11%）相比，蔗渣灰分较低（1%～3%），所以其具有很多优势。

蔗渣是一种纤维原料，具有制备溶解浆的潜力。溶解浆纯度较高，可用于制备纤维素衍生物，如硝化纤维素、醋酸纤维素、甲基纤维素、人造丝和羧甲基纤维素（CMC）。与其他纸浆相比，溶解浆的木素含量非常低或不含木素，半纤维素含

量也很低，降解的纤维素很少。

溶解浆的最终用途不同，对α纤维素含量的要求也不同。根据Wizanjet等人的研究结果，人造丝、醋酸纤维素和硝化纤维素所要求的溶解浆中α纤维素含量分别

为90%～92%、95%～97%和98%。所有这些衍生物生产所需浆料的木素含量都非常低或几乎不含木素、半纤维素含量较低和降解的纤维素少。

根据Dhamodaram等人的研究结果，通过纺织、铸造、滚轧或挤压可以将熔融

物或溶液中的链状高分子质量纤维素聚合物转化成所需的纤维或薄膜。天然和再生的纤维素聚合物通常以纤维的形式出现，若用于纺织行业，这些纤维太短。当然，

这些纤维素聚合物不可能直接变成更长的纤维或者薄膜，因为其具有很强的氢键，既不能熔化，也不能轻易地溶解在溶液中。在制成纺丝液（通过纺丝液使纤维素再生）前，首先必须将这些纤维素聚合物制成合适的纤维素衍生物。为此，工业上采用黏胶纤维工艺，以使铜铵处理和醋酸处理的程度较轻。

对于各种非木材原料（包括蔗渣），烧碱法制浆是最常用的传统化学制浆工艺。在任一烧碱法制浆过程之前引入自水解（预水解）均有助于制备出α-纤维素含量高、半纤维素含量低的浆料。

本研究的创新之处在于对蔗髓部分的木素结构单元比例进行了化学分析，有关此方面的研究未曾有过报道。同时探讨了以除髓蔗渣（即纤维）为原料，通过当卡伯值高于常规值（约为17）时结束蒸煮来制备高得率溶解浆而漂白成本又无明显增加

的可行性。

本研究分析了蔗渣的2种主要组分（蔗髓和除髓蔗渣），并且评估了利用除髓蔗

渣制备溶解浆的潜力。

1.1 实验流程

图1示出了本实验制备溶解浆的工艺流程图。用锤式粉碎机将蔗渣分离成2部分（蔗髓和除髓蔗渣），并进行化学表征。同时，对整个蔗渣（以下简称“全蔗渣”）也进行了化学表征。通过预水解烧碱法制浆工艺将除髓蔗渣（纤维）转化成脱木素程度不同（卡伯值分别为16.9和9.2）的2种粗浆。用O-D0-(EP)-D1-P漂序对

浆料进行漂白，并评估溶解浆的主要性能。

1.2 原料

巴西某浆厂提供了约150 kg蔗渣。用锤式粉碎机将约100 kg蔗渣分离成2部分：蔗髓和除髓蔗渣；蔗髓占33%，而其余的67%为除髓蔗渣。在温度

（23.0±1.0）℃，湿度（50.0±2.0）%的环境下将蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣干燥

至干度约为85%，并储存在聚乙烯袋中备用。将风干的蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣

用Wiley磨粉机研磨、筛选，并收集过40目留于60目的级分，风干后储存在密封的广口瓶中。

1.3 研究方法

1.3.1 化学表征

依照相应方法对蔗髓、除髓蔗渣和全蔗渣进行化学组分分析：水分（TAPPI T264 om—88），抽出物含量（TAPPI T264 cm—97），酸溶木素（Goldschinid于1971年提出的方法），Klason木素（Gomide等人于1986年提出的方法），紫丁香基木素（S）/愈创木基木素（G）比例（Lin等人于1992年提出的方法），制备用于糖分析的生物质（TAPPI T249 cm—85），糖类物质含量（Wallis等人于1996年提出的方法），乙酰基（Solar等人于1987年提出的方法），糖醛酸（Scott于1979年提出的方法），二氧化硅（TAPPI T245 cm—98）和灰分（TAPPI 211 om—93）。

1.3.2 除髓蔗渣预水解

除髓蔗渣预水解是在M/K蒸煮器（Systems Inc.，美国）中进行的。蒸煮器容积为7 L，配有强制循环装置和热交换器。依照如下参数操作M/K蒸煮器：水/生物质（除髓蔗渣）的比例为8∶1，温度180℃，升温时间60 min，保温时间15 min。预水解实验依照Colodette等人提出的方法进行。为确定最佳工艺条件，主要考虑得率、聚木糖的去除和纤维素的分子质量。应该注意的是，预水解处理之后的除髓蔗渣不要洗涤，而应立即用烧碱法制浆工艺制浆。用1.3.1提及的方法分析预水解除髓蔗渣的相关参数。

1.3.3 烧碱法制浆

除髓蔗渣的烧碱法制浆是在与预水解处理所用相同的设备中进行的，目的在于制备2种脱木素程度不同（卡伯值分别为16.9和9.2）的浆料。烧碱法制浆条件：液比1∶8，最高蒸煮温度180℃，升温时间60 min，保温时间20 min；为了将卡伯