專利名稱：非木本植物材料的化學(xué)機械脫硅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從非木本植物纖維原料中去除硅石的化學(xué)機械方法。
背景技術(shù)：
在利用非木本植物纖維原料，如麥秸、亞麻和大麻制漿及造紙方面的興趣正在增加。這些以及其他的非木本木質(zhì)素纖維素材料可以發(fā)規(guī)將提高農(nóng)產(chǎn)品利潤的增值利用。
由于預(yù)計將來木纖維短缺，相信非木本植物將成為一種可維持的纖維原料以潛在地補充木纖維在造紙方面的應(yīng)用。市場壓力及法律要求可能促進包含非木本植物纖維的紙張的生產(chǎn)，如用再生纖維驗證的例子。
最初的造紙技術(shù)是由非木本植物原料發(fā)展而來的，而用木材生產(chǎn)紙漿與紙張是相對近些年的發(fā)展。制漿過程一般可以分成兩大類化學(xué)制漿和機械制漿。化學(xué)制漿包含利用化學(xué)反應(yīng)溶解木質(zhì)素并用木質(zhì)素纖維素原材料制成單獨的纖維或紙漿。在機械制漿分類中，有許多種工藝包含不同的化學(xué)、機械和熱處理的組合以促進纖維分散、去除初始纖維中的某些木質(zhì)素和其他化學(xué)成分、或增加最終纖維的白度或造紙強度。由木材得到的化學(xué)機械紙漿(CMP)通過如下工藝制成，用制漿化學(xué)品如二氧化硫、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉或次硫酸鈉的稀溶液處理原材料，接著進行機械纖維分離。
與非木本植物化學(xué)制漿相關(guān)的一個問題是從用過的蒸煮廢液(“黑液”)中回收蒸煮化學(xué)品很困難，這是由于與木材相比，大多數(shù)非木本植物纖維中含有相對高含量的硅石。在非木本植物纖維的堿煮過程中，硅石被溶解并隨著黑液流隨后從纖維上除去，黑液被輸送到化學(xué)品回收系統(tǒng)以轉(zhuǎn)換成新鮮的蒸煮液。載有硅石的黑液引起蒸發(fā)器、增稠器和回收鍋爐的起皮與結(jié)垢，結(jié)果造成低效率的運行及因清除而增加的停工時間。不能從載硅石黑液中回收蒸煮化學(xué)品導(dǎo)致了運行成本和流出液處理系統(tǒng)負荷的增加。
可選擇地是，機械制漿似乎更適合于具有較高硅石含量的原材料，特別是麥秸與稻秸，這是因為硅石的溶解程度不會象化學(xué)制漿那么大，在整個制漿與漂白過程中大部分硅石將保留在纖維上。機械制漿也只產(chǎn)生小量的流出液，因此減小了環(huán)境影響。然而，機械制漿通常造成較低質(zhì)量的紙漿。大量的木質(zhì)素殘留在機械紙漿中，使其與同樣的化學(xué)紙漿相比，更脆弱也更難以漂白到高白度。
在美國專利No.6,183,598中，公開了一種從黑液中回收堿和熱能的方法。黑液是在非木本植物材料與包含氫氧化鈉的堿煮液一起加熱的化學(xué)過程的結(jié)果。黑液中包含大量的硅酸根離子。用石灰回收氫氧化納經(jīng)常因硅酸鈣的形成而受阻，以至于很難或不可能回收石灰。這篇專利提出的解決方法是用二氧化碳處理黑液使硅石和木質(zhì)素沉淀。然后脫除固體，將剩余的黑液蒸發(fā)和燃燒以產(chǎn)生熱，碳酸鈉熔融，從而形成二氧化碳。然后將所形成的二氧化碳再用于處理黑液。然而，隨著木質(zhì)素的沉積，也可能損失一些無機物，這將限制潛在的回收效率。由于沉積一些木質(zhì)素造成熱量損失，這種方法也是耗能的，另外這些木質(zhì)素可以在回收鍋爐中燃燒產(chǎn)生蒸汽。
在本領(lǐng)域中仍舊需要一些方法可以允許用非木本植物纖維制漿，同時允許高硅石含量纖維的化學(xué)回收。
發(fā)明概述一方面，本發(fā)明包括一種在由非木本植物纖維制漿的工藝中的化學(xué)機械除硅方法，其包括如下步驟(a)在控制的溫度、固體含量或稠度、和pH值條件下，對非木本植物纖維進行濕法預(yù)制漿；(b)通過過濾或脫水，或過濾和脫水把懸浮固體和溶解的固體從預(yù)制漿材料的纖維部分脫除；(c)在濾液中加酸，以促使溶解的硅石沉淀；和(d)把硅石和其他固體從濾液中脫除，濾液重新用于預(yù)制漿步驟。


現(xiàn)在，將參照簡化的、圖表式的、沒有標(biāo)度的附圖用實施方式描述本發(fā)明。在附圖中，圖1是本發(fā)明的一個實施方式的圖示說明。
本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明提供了一種從非木本植物纖維原料中對物料脫硅的方法。在本發(fā)明的描述中，所有在本文中沒有限定的術(shù)語都具有常規(guī)的本領(lǐng)域認(rèn)可的意義。
如本文使用的術(shù)語“非木本植物纖維”是指不是源自木本植物的木質(zhì)素纖維素材料。非木本植物纖維原料包括但不限于農(nóng)業(yè)廢棄物、一年生或多年生草類和每年收割的纖維作物。農(nóng)業(yè)廢棄物的例子包括麥秸、稻秸、大麥秸、燕麥秸、谷秸桿、甘蔗渣、油籽用亞麻桿、和油籽用大麻桿。一年生或多年生草類的例子包括蘆葦?shù)S色草、黑麥草、蘆葦草、鞭子草、和羊矛。每年收割的纖維作物的例子包括纖維亞麻、纖維大麻和南非槿麻。
在一個實施方式中，本發(fā)明包括預(yù)制漿工藝，其后面可以跟著酸處理和漂白步驟。預(yù)制漿工藝的目的是分離并去除存在于非木本植物材料中的大量硅石。下面的說明書用麥秸對本方法進行說明，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到此方法也同樣適用于其他的非木本植物纖維。
概括地說，，預(yù)制漿步驟是在常規(guī)制漿工藝之前用于對物料進行準(zhǔn)備并脫硅。確信后面可以生產(chǎn)出質(zhì)量合格的紙漿，同時對環(huán)境的影響較少而且化學(xué)品與能量成本較低。上述工藝在同一單元操作中結(jié)合了化學(xué)和機械作用。機械作用分離了含有存在于麥秸中總硅石量大部分的麥秸部分(包括表皮和結(jié)節(jié)材料)，化學(xué)作用溶解掉分布于整個麥秸殘余部分的硅石。在將堿溶液，例如在接下去的堿制漿步驟中產(chǎn)生的淡黑液添加到打漿機和磨漿機的稀釋液中時發(fā)生化學(xué)作用。上述作用優(yōu)選在控制的稠度、溫度和pH值或堿度的條件下進行。
第一步是用機械制漿設(shè)備對麥秸的表皮層和結(jié)節(jié)材料進行機械分離。在一個優(yōu)選實施方式中，機械作用可以通過兩步進行，包括用打漿機減小從預(yù)切割階段生成的粗粒子的尺寸并開始分離表皮層和結(jié)節(jié)材料，和用低稠度磨漿機完成尺寸減小和表皮層及結(jié)節(jié)材料的分離。麥秸可以在此機械制漿階段之前用干法工藝進行切割和篩漿，如用盤式削片機、鍘草機或筒式粉碎機進行切割，接著用如轉(zhuǎn)鼓篩漿機、振蕩篩漿機或滾筒型篩漿機進行篩漿步驟。在一個實施方式中，使用Tornado打漿機TM(Bolton-Emerson Americas Inc.)，在弱堿性(pH為7-11)條件下，以低稠度對麥秸進行制漿，例如約0.5％-6％固含量，之后對紙漿進行脫水或增稠。pH值使用淡黑液維持在預(yù)定范圍內(nèi)，上述黑液從下面所述的后續(xù)步驟中回收而來并用作機械制漿的稀釋源。渾濁的白水、酸濾液、新鮮堿液或新鮮酸也可以用于調(diào)節(jié)pH值。
增稠作用既可以分離載有硅石的小顆粒又可以分離由于堿溶解而進入到濾液流中的可溶性硅石。本文使用的“小顆?！保侵改芡ㄟ^150目篩網(wǎng)的材料。一旦濾液被去除，就可以降低其pH值以使可溶性硅石沉淀。然后沉淀出的硅石可以用重力沉淀、離心作用或過濾進行分離。然后濾液可以返回到體系重新用作機械制漿步驟的稀釋液。
經(jīng)預(yù)制漿和脫硅后的物料可以用已知的常規(guī)制漿和漂白技術(shù)進行處理。例如，適宜的技術(shù)被描述在美國專利No.6,302,997和6,258,207中。
圖1所示的圖表是一個脫硅預(yù)制漿過程。成捆的植物材料(10)被投入到此過程中。拆捆機(12)把整捆分割成易操作的小段，減小粒度(例如，用鍘草機)或者不減小粒度(例如，用簡單的機械楔子)以喂入到打漿機(14)中。在打漿機(14)中，減小粒度并基本上開始除去麥秸中富含硅石的部分。傳送通過打漿機(14)的物料在旋風(fēng)分離器(15)加工以在磨漿前除去大塊的外來雜質(zhì)如石塊和金屬。然后植物材料在磨漿機(16)中進行低稠度磨漿，在此表皮和結(jié)節(jié)部分的機械分離基本上完成。磨漿后，物料通過一個斜篩(sidehillscreen)(18)，在這里水與表皮和結(jié)節(jié)材料一起從纖維化懸浮體中脫除。分離出的表皮材料的尺寸能夠隨濾液通過斜篩。在一個壓榨機(20)中進行進一步的脫水，壓榨機可以是一個螺桿壓榨機、皮帶壓濾機或類似的脫水設(shè)備。
打漿機中pH值和溫度可以控制到去除硅石的最佳條件。優(yōu)選條件是溫度在50℃-90℃，pH值在7-12之間。本文所用的“硅石”既是指存在于表皮層和結(jié)節(jié)材料中的硅石，這些材料可以被機械分離并脫除，又是指可以在優(yōu)選工藝條件下被溶解的硅石。
從斜篩和脫水壓榨機得到的濾液都富含硅石。上述濾液送到一個濾液罐(22)并可以在此處與后續(xù)加工步驟中的白水進行混合。
然后可以調(diào)節(jié)富含硅石的濾液(24)的pH值以使可溶性硅酸根離子沉淀，接著在一個水力旋流離心機(26)系統(tǒng)中進行分離以除去懸浮的固體和沉淀的硅石。然后稀濾液(28)可以隨著來自前述原料的補充水重新作為打漿機(14)和低稠度磨漿機的稀釋液。
在這個循環(huán)中的余量水(30)可以直接排放到流出液處理系統(tǒng)進行進一步的處理。處理可以包括沉降或浮選以除去懸浮固體，有氧或厭氧處理以除去溶解的和膠狀的有機物質(zhì)，或上述處理方法的組合。
沉淀的硅石本身是一種有用或有價值的產(chǎn)品，可以被用于其他工業(yè)應(yīng)用或工藝。這種回收和再利用硅石的能力可以提高非木纖維加工設(shè)備的經(jīng)濟效益。
本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠明顯看出，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對上述特定公開作出各種更改、改變和變化。在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，上述發(fā)明的各種特征與元素可以以不同于已經(jīng)描述或提出的組合的方式進行組合。
權(quán)利要求
1.一種非木本植物纖維脫硅方法，包括(a)在控制的溫度、固體含量和pH值條件下，對非木本植物纖維進行濕法預(yù)制漿；(b)通過過濾或脫水，或過濾和脫水把懸浮固體和溶解的固體從預(yù)制漿材料的纖維部分脫除；(c)在濾液中加酸，以促使溶解的硅酸鹽沉淀；和(d)把硅石和其他固體從濾液中脫除，濾液重新用于預(yù)制漿步驟。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中對得到的非木本植物纖維繼續(xù)進行化學(xué)、機械或化學(xué)機械制漿，然后漂白。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中沉淀的硅石被回收并使用。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中纖維進行濕法預(yù)制漿的pH值約為7-11。
5.如權(quán)要求1的方法，其中纖維進行濕法預(yù)制漿的溫度約為50℃-90℃。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中纖維進行濕法預(yù)制漿到固含量約為0.5％-6.0％固體。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中纖維包括麥秸。
8.如權(quán)利要求2的方法，其中纖維進行濕法預(yù)制漿時使用從后面的堿制漿過程回收的淡黑液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用化學(xué)和機械作用從非木本植物材料去除硅石的方法。富含硅石的表皮細胞通過預(yù)制漿和低稠度磨漿步驟進行機械分離，并接著隨增稠步驟的濾液從紙漿中脫除。無定形的硅石通過使用打漿機中的堿稀釋源進行化學(xué)分離，然后隨著增稠步驟和脫水步驟的濾液從紙漿中脫除。此后，通過調(diào)節(jié)濾液的pH值及接下來的分離步驟從濾液中脫除硅石。然后脫硅的纖維材料可以用已知的工藝進行化學(xué)或機械制漿和漂白。從非木本植物材料中脫除出來的硅石可以作為其他應(yīng)用的原料。
文檔編號D21C5/00GK1829840SQ200480015248
公開日2006年9月6日 申請日期2004年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月8日
發(fā)明者W·丘特, S·維奇涅夫斯基 申請人:艾伯塔研究委員會公司