一种稻草制浆及水煤浆分散剂的方法
阅读说明：本技术 一种稻草制浆及水煤浆分散剂的方法 (Method for straw pulping and water-coal-slurry dispersing agent ) 是由 张龙 傅博进 崔瑛娜 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种稻草制浆的方法,具体涉及秸秆制浆技术领域。将粉碎后的稻草经机器膨化后,采用水热磺化的方法脱除木质素,反应后过滤分别收集滤渣和滤液,滤渣经球磨后制备纸浆,滤液经磺化、缩合后制备水煤浆分散剂。其中纸浆相对稻草原料产率为40-44%,纸浆灰分含量低于5%,卡伯值低于26,满足瓦楞纸、纸塑材料等原料要求。由水煤浆分散剂制备的褐煤水煤浆浓度为60-65%,室温下静置7天无硬沉淀产生,粘度低于1500mPa·s。本方法操作简单,降低了传统草浆生产过程中的污染,是一种具有广阔应用前景的稻草利用方法。(The invention discloses a straw pulping method, and particularly relates to the technical field of straw pulping. Puffing the crushed straws by a machine, removing lignin by a hydrothermal sulfonation method, filtering after reaction, respectively collecting filter residue and filtrate, preparing paper pulp after ball milling the filter residue, and preparing the water-coal-slurry dispersing agent after sulfonation and condensation of the filtrate. Wherein the yield of the paper pulp relative to the straw raw material is 40-44%, the ash content of the paper pulp is lower than 5%, and the kappa number is lower than 26, thus meeting the requirements of raw materials such as corrugated paper, paper-plastic materials and the like. The concentration of the lignite coal water slurry prepared by the coal water slurry dispersing agent is 60-65%, no hard precipitate is generated after standing for 7 days at room temperature, and the viscosity is lower than 1500 mPa. The method is simple to operate, reduces pollution in the traditional straw pulp production process, and is a straw utilization method with wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及农林废弃物资源绿色利用领域，涉及一种由稻草秸秆经水热磺化分别制备纸浆和水煤浆分散剂的工艺方案。
背景技术
中国年产稻谷为2.1亿吨，随之而来的是大量的稻草秸秆无法得到高值化利用甚至是带来环境污染。目前稻草秸秆的主要利用方式是用作能源来源和养殖业饲料来源。但是稻草灰分含量较高（15-20%），在大量燃烧时会影响传热效率并增加除渣操作次数；另一方面稻草粗蛋白含量较低（仅为1.8%），饲料化应用有缺陷。而其他方向的利用方式，如建筑填料等由于使用量较低，难以解决大量稻草带来的环境问题。在东北，由于冬季时间较长，收割后的稻草在农田里堆积后会影响来年的播种，直接导致秸秆焚烧屡禁不绝，使得环境保护形势更为严峻。为了实现农业的绿色发展和稻草的高值化利用，探索绿色新工艺成为了各国研究者的重点，而利用稻草造纸具有极大的市场潜力，孙世荣[1]等分析了大量有关我国稻草资源量估算的文献和资料，认为我国适用于造纸业生产的稻草资源数量约为0.93亿吨，并且在分布上具有工业化生产的特征。
造纸行业是用水大户，且一直饱受污染难题困扰，因此开发节水型、环境友好型的绿色工艺才能从根本上解决稻草制浆的难题。目前稻草制浆过程一般采用碱法制浆，制浆过程中会生成硅酸钠，提高了黑液的粘度并对后期的碱回收过程造成干扰，而大量的黑液会对环境产生极大地污染。王艳艳[2]采用了离子液体制备稻草浆，优化工艺条件后的纸浆得率为60%左右，但离子液体价格较高，经济适用性低。李红飞[3]采用了亚硫酸氢镁法制备稻草浆并研究了纸浆性能，所得纸浆漂白后的拉力为23.55 N/15 mm，制备纸张白度为78.38%，亚硫酸法产生的红液对环境的污染较大，且后续漂白工艺进一步加大了对环境的污染。翟睿[4]等研究了稻草经碱脲体系预处理后所制备化学机械浆的性能，发现磨浆能耗降低了18.6%，耐破指数提高12.8%。许碧琼[5]提出了稻草经碱液浸渍后在低温低压条件下蒸煮的制浆工艺，获得了硬度为5-6高锰酸钾值的纸浆，比传统工艺节省能量15%左右。预处理过程中产生的废液为碱性，需要中和处理。崔立[6]进行了高沸点有机溶剂制备稻草浆的研究，分别采用乙二醇、乙二胺、乙醇胺和二甘醇作为溶剂，乙醇胺制浆抄造的纸张伸长率为1.99%，撕裂指数为0.44 mN·m2/g，白度为41.7%，但是有机溶剂比水贵且易产生环境污染和安全风险。冯建良[7]研究了生物预处理对草类原料制浆性能的影响，认为预处理能减轻蒸煮和漂白对环境的污染，降低能源消耗并充分利用资源，生物处理普遍对温度要求较高，生产周期较长，所需生产用地较大。
中性亚硫酸钠法制浆产生的废液主要含有木质素磺酸钠和糖类，相比于石油基的水煤浆分散剂产品，木质素磺酸钠无毒且价格低廉，利用制浆黑液生产水煤浆分散剂是一个既经济又环保的方法[8]。邱学清[9]等采用超滤的方法对制浆黑液进行分级，制备了粘度为750mPa·s的水煤浆。超滤工艺对设备要求高，导致生产成本高昂，只有对黑液进行改性或复配其他药剂直接用作水煤浆分散剂才能实现较好的经济效益并切实解决制浆过程中的污染问题。Maeda[10]采用木质素磺酸盐与三聚磷酸钠复配大幅提升水煤浆的稳定性的同时，显著降低了表观粘度。张俊宏[11]通过添加不同种类的添加剂最终制备了浓度为63.16%，粘度为776mPa·s的水煤浆。而兰泽全等[12]通过燃烧试验证明，黑液水煤浆具有着火容易、燃烧稳定、燃烧时间短、燃尽率高，以及氮氧化物、二氧化硫排放低的优点，是一种新型的洁净燃料，由此证明了采用黑液水煤浆技术治理制浆黑液的可行性。
木质素在水热磺化过程中的反应如附图1所示。
发明内容
本发明旨在弥补现有技术的不足，提供一种稻草制浆的绿色方法。本发明的技术方案：利用水热磺化技术，在磺化剂作用下，采用自来水为溶剂对膨化稻草秸秆进行脱木素，反应完毕后过滤，滤渣经球磨后制备纸浆，滤液经改性后制备水煤浆分散剂。
本发明提出的一种由膨化稻草秸秆制浆的绿色方法的步骤和条件如下：向水热釜中加入经过预处理的膨化稻草秸秆，按液固比为5-10:1加入自来水，按秸秆质量的10-25%加入磺化剂，反应温度控制在140-180℃，反应时间60-90分钟。反应结束后将产物冷却至室温，过滤分别收集滤渣和滤液，滤渣经分级洗涤至90%含水量后，以600-700转/分钟在球磨机中球磨1-2小时。球磨结束后过滤、干燥成浆。往滤液中按0.5-0.7:1加入亚硫酸钠：丙酮，在85-90℃下反应3-5小时，反应产物按1-5%添加到煤粉中在1000-1200转/分钟下搅拌10-20分钟，所得浆体即为水煤浆。
优选水热磺化液固比为5-7:1。
优选水热磺化磺化剂占比为10-15%。
优选水热磺化反应温度为150-160℃。
优选水热磺化反应时间为70-80分钟。
优选滤液改性投料比为0.6-0.65:1=亚硫酸钠：丙酮。
优选滤液改性温度为86-88℃。
优选滤液改性时间为4-5小时。
优选滤液添加剂占比为2-4%。
优选滤液水煤浆制备搅拌速度为1150-1200转/分钟。
优选滤液水煤浆制备搅拌时间为15-20分钟。
产物表征方法为：纸浆卡伯值测定、纸浆灰分测定、水煤浆浓度测定、水煤浆表观粘度测定、水煤浆稳定性测定。
按照GB/T 1546-2004测定产品卡伯值。按照GB/T 742-2008测定纸浆的灰分含量。按照GB/T 18856.2-2008测定水煤浆的浓度。按照GB/T18856.4-2008测定水煤浆的表观粘度。按照GB/T 18856.5-2008测定水煤浆的稳定性。
附图说明
图1木质素的磺化反应过程
图2稻草制浆方法
有益效果
本发明与传统草浆生产工艺相比，本方法具有以下显著特点：
本发明采用膨化工艺对稻草进行预处理，然后在亚硫酸钠的作用下进行水热磺化，脱除了大部分（90%以上）的木质素。产物经过滤后，滤渣经分级水洗后经球磨制备了纸浆，滤液经磺化、缩合改性后制备了水煤浆分散剂，实现了稻草全组分利用，并减少了废水的排放，进一步的说：
本发明采用膨化预处理有效降低了酸不溶木质素（13%）和聚戊糖（16%）含量，使得稻草在水热磺化反应中更容易脱除木质素，降低了药品消耗与能耗。
本发明采用水热磺化法，在较小的固液比（1：5-7）下脱除了90%以上的木质素，减少了污染源的产生。
，本发明对滤渣进行分级水洗提升水洗效率，相比直接洗涤的方法减少了5倍以上的用水量，进一步减少了污染源的产生并保护了水资源。
，本发明通过对制浆黑液进行磺化、缩合改性，制备了水煤浆分散剂，对褐煤的分散效果明显，同时将制浆过程中产生的其他副产物转化为燃料，制得的黑液水煤浆满足国家标准要求，既消除了制浆过程中产生的污染，也减少了燃煤过程中的污染。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
实施例1一种膨化稻草秸秆制浆的绿色方法的步骤和条件如下：向水热釜中加入20g膨化稻草秸秆，160 g水和3 g亚硫酸钠，设定升温时间为40分钟，保温时间为50分钟，保温温度为150℃，反应完后冷却，过滤分别收集滤渣和滤液，滤渣经分级洗涤至90%水含量，在650转/分钟下球磨2小时。往滤液中按0.5:1加入亚硫酸钠：丙酮，在85℃下反应5小时。反应完成后的产物按2%添加到褐煤煤粉中，在1200转/分钟下搅拌20分钟。经计算纸浆相对稻草产率为44%，卡伯值为：26，灰分含量为4%。水煤浆浓度为60.5%，粘度为1400mPa•s，室温下静置7天无硬质沉淀产生。
实施例2一种膨化稻草秸秆制浆的绿色方法的步骤和条件如下：向水热釜中加入20g膨化稻草秸秆，140 g水和2g亚硫酸钠，设定升温时间为60分钟，保温时间为60分钟，保温温度为150℃，反应完后冷却，过滤分别收集滤渣和滤液。滤渣经分级水洗至90%水含量，在650转/分钟下球磨2小时。往滤液中按0.6:1加入亚硫酸钠：丙酮，在86℃下反应5小时。反应完成后的产物按2%添加到褐煤煤粉中，在1200转/分钟下搅拌20分钟。经计算纸浆相对稻草产率为43%，卡伯值为：23，灰分含量为4%。水煤浆浓度为64%，粘度为1394mPa•s，室温下静置7天无硬质沉淀产生。
实施例3 一种膨化稻草秸秆制浆的绿色方法的步骤和条件如下：向水热釜中加入20g膨化稻草秸秆，160 g水和2 g亚硫酸钠，设定升温时间为80分钟，保温时间为40分钟，保温温度为160℃，反应完后冷却，过滤分别收集滤渣和滤液。滤渣经分级水洗至90%水含量，在650转/分钟下球磨2小时。往滤液中按0.6:1加入亚硫酸钠：丙酮，在89℃下反应5小时。反应完成后的产物按5%添加到褐煤煤粉中，在1200转/分钟下搅拌20分钟。经计算纸浆相对稻草产率为42%，卡伯值为：22，灰分含量为3.5%。水煤浆浓度为64.8%，粘度为1105mPa•s，室温下静置8天无硬质沉淀产生。
实施例4 一种膨化稻草秸秆制浆的绿色方法的步骤和条件如下：向水热釜中加入20g膨化稻草秸秆，120 g水和4 g亚硫酸钠，设定升温时间为40分钟，保温时间为60分钟，保温温度为160℃，反应完后冷却，过滤分别收集滤渣和滤液。滤渣经分级水洗至90%水含量，在650转/分钟下球磨2小时。往滤液中按0.6:1加入亚硫酸钠：丙酮，在89℃下反应5小时。反应完成后的产物按3%添加到褐煤煤粉中，在1200转/分钟下搅拌20分钟。经计算纸浆相对稻草产率为41%，卡伯值为：21，灰分含量为3.3%。水煤浆浓度为62.8%，粘度为1004mPa•s，室温下静置8天无硬质沉淀产生。
实施例5 一种膨化稻草秸秆制浆的绿色方法的步骤和条件如下：向水热釜中加入20g膨化稻草秸秆，100 g水和5 g亚硫酸钠，设定升温时间为60分钟，保温时间为50分钟，保温温度为160℃，反应完后冷却，过滤分别收集滤渣和滤液。滤渣经分级水洗至90%水含量，在650转/分钟下球磨2小时。往滤液中按0.7:1加入亚硫酸钠：丙酮，在90℃下反应5小时。反应完成后的产物按4%添加到褐煤煤粉中，在1200转/分钟下搅拌20分钟。经计算纸浆相对稻草产率为40%，卡伯值为：20，灰分含量为3.8%。水煤浆浓度为64.9%，粘度为850mPa•s，室温下静置10天无硬质沉淀产生。
以上所述，仅为本发明的较佳具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
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