專利名稱：使用氨和過氧化氫的溶液從纖維質(zhì)的纖維中除去半纖維素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使木質(zhì)纖維素的纖維脫膠或脫木質(zhì)素的方法，JL 具體地說涉及一種生產(chǎn)溶解紙漿纖維的方法。
背景
造工藝生產(chǎn)的多種技術(shù)上不同的產(chǎn)物的通稱。木材當(dāng)前提供大約90% 的全球紙漿生產(chǎn)的基礎(chǔ)；剩余10%開始為秸稈、竹子、甘蔗渣、洋麻、 亞麻、大麻、棉等。紙漿主要用作紙張和紙板制造中的主要組分。少 量紙漿用于多種產(chǎn)品-人造絲、感光膠片、玻璃紙和爆炸物質(zhì)中。
最高級紙漿為化學(xué)級或溶解級紙漿。溶解紙漿用于制造高附加值 的產(chǎn)品，如
纖維膠纖維(人造絲)或膜，通過將紙漿溶解于堿性二疏化碳中 (黃原酸化)因此形成黃原酸鹽作為中間產(chǎn)物，并迫使該溶液穿過出孔 進入酸浴中來制造。
纖維素衍生物，如乙酸纖維素、乙基纖維素、硝酸纖維素(硝化 纖維、火棉)和羧曱基纖維素(CMC)。
溶解紙漿制造通常利用木材(軟木和硬木)的牛皮紙或亞硫酸鹽法 制漿或棉絨的蘇打法制漿。當(dāng)為了溶解紙漿而對木材進行制漿時，縛 白產(chǎn)率僅僅為32-36°/。，以便獲得更純的紙漿。纖維素含量通常為 88-9 3% (對于商品級纖維膠來說)，但對于更多需求的最終用途(例如 輪胎簾布)來說可高達(dá)98%。提取物、木質(zhì)素、鐵和灰分的含量也低。 粘度(即DP)為另一重要性質(zhì)，實際水平取決于紙漿的最終用途。對 于商品級纖維膠來說，粘度可為約350至約550ml/g。高級溶解紙漿可 超過600ml/g。
4為了生產(chǎn)溶解紙漿，將傳統(tǒng)的牛皮紙制漿改進以在主要蒸煮之前 包括預(yù)水解階段，在那里使半纖維素水解并將其除去。將稀酸或稀堿
或只不過是直接蒸汽用于該預(yù)水解階段。相對于普通牛皮紙蒸煮來說， 該額外的階段使總蒸煮時間大致加倍。漂白序列中的冷堿提取階段進 一步除去非纖維素組分。
酸式亞硫酸鹽制漿在高溫和低pH下進行以實現(xiàn)所要的半纖維素降 解。漂白包括熱堿提取階段以進一步除去非纖維素組分。
一些研究表明，溶解紙漿可由漂白了的硬木牛皮紙商品漿或富含 硬木纖維的高品質(zhì)木漿獲得。該序列包括兩個冷堿提取階段，其間為 木聚糖酶處理。[Jackson, L. S.等人，使用酶由回收紙張生產(chǎn)溶解紙 漿(Production of dissolving pulp from recovered paper using enzymes.) TAPPI Journal, 1998年3月]。
這些生產(chǎn)溶解紙漿的現(xiàn)有技術(shù)方法消耗大量化學(xué)品和能量，且需 要復(fù)雜的黑液再循環(huán)工藝。在堿脫膠之后需要單獨的漂白步驟。
因此，本領(lǐng)域中需要適合于生產(chǎn)溶解紙漿的脫膠了的紙漿的生產(chǎn) 方法，所述方法減輕現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
發(fā)明概述
一方面，本發(fā)明包括一種使纖維質(zhì)的纖維脫膠的方法，其包含以 下步驟用包含介于約5。/4至約30。/。(v: v)之間的氨水和介于約O. 5%至
3M基于OD纖維)之間的過氧化氫的脫膠液體在介于約5(TC至約200。C 之間的溫度下在約3: l至約20: 1液體/固體(v/w)的稠度下處理所述纖 維。所述脫膠液體還可包含0。/。至10。/。(基于OD纖維)的氫氧化鉀和0。/。至 0. 2。/fl(基于0D纖維)的蒽醌。
在一個實施方案中，所述纖維質(zhì)的纖維可包括硬木；軟木和韌皮 纖維植物，例如大麻、亞麻、洋麻、亞麻子、黃麻、苧麻及其它具有 纖維質(zhì)韌皮部的雙子葉植物，如谷物、多年生草或豆科植物。
在一個實施方案中，在脫膠之后回收所述脫膠液體，且使水性部 分再循環(huán)以提供氨，且將固體部分在廢回收物流中回收。在一個實施
5方案中，回收且處理所述固體部分以形成肥料。 可將脫膠了的纖維漂白以形成溶解紙漿。
另一方面，本發(fā)明包括一種由韌皮纖維植物形成溶解紙漿的方法，
所述方法包含以下步驟
(a) 用包含氨和過氧化氫的脫膠液體將植物纖維制漿；
(b) 回收并再循環(huán)步驟(a)的水性部分；
(c) 回收漿化的纖維且將其漂白以產(chǎn)生溶解紙漿。 所述韌皮纖雄植物纖維可包括大麻、亞麻、洋麻、亞麻子、黃痳
或苧麻纖維。
附圖
簡述
在附圖中，相同元件指派相同附圖標(biāo)記。所述附圖不必按比例繪 制，而是著重按照本發(fā)明的原理而布置。另外，所描繪的各實施方秉 僅僅是利用本發(fā)明的基本概念的許多可能配置中的一個。所述附圖簡 短描述如下
圖l為本發(fā)明的一個實施方案的示意圖。
優(yōu)選實施方案的詳細(xì)描述 本發(fā)明涉及使纖維質(zhì)的纖維脫膠的方法，且具體地說涉及一種生 產(chǎn)高品質(zhì)溶解紙漿的方法。當(dāng)描迷本發(fā)明時，本文中未定義的所有術(shù) 語具有其通用的技術(shù)公認(rèn)的含義。在下列描述具有本發(fā)明的具體實施
方案或特定用途的程度上，其意圖僅為說明性的，而不是限制所要求 的發(fā)明。下列描述意圖涵蓋包括在如附加權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明 的精神和范圍中的所有替代物、改進和等價物。
一般而言，本發(fā)明包括一種使用氨使纖維質(zhì)的纖維脫膠的方法。 隨后可使用本領(lǐng)域熟知的方法如氯漂白、無元素氯("ECF")漂白或全 無氯("TCF")漂白將脫膠了的纖維漂白?？紤]到ECF和TCF漂白的環(huán)境 益處，優(yōu)選的實施方案使用那些技術(shù)。
在一個實施方案中，將所述脫膠方法用于纖維質(zhì)的纖維，如硬木
6軟木和韌皮纖維植物，例如大麻、亞麻、洋麻、亞麻子、黃麻、苧麻 及其它具有纖維質(zhì)韌皮部的雙子葉植物，如谷物、多年生草或豆科植 物。在一個實施方案中，所述纖維質(zhì)的纖維包括大麻或亞麻纖維。
從植物秸稈中分離韌皮纖維的方法在本領(lǐng)域中熟知且在本文中不
必進一步描述。一種將韌皮纖維植物剝皮的示例性方法描述于2008年5 月23日提交且題為"剝皮方法(Decortication Process)"的申請人同 時待審的美國專利申請中。
在本發(fā)明中，發(fā)明者吃驚地發(fā)現(xiàn)比現(xiàn)有技術(shù)更溫和的條件仍可得 到高品質(zhì)的溶解級紙漿。
在一個實施方案中，在反應(yīng)器(IO)中在高溫下將分離出的韌皮纖 維與氨混合。在一個實施方案中，將氫氧化銨以約5體積％至30體積％ 的濃度且在介于約50。C至約200X:之間的溫度下使用。優(yōu)選所述溫度為 介于約90X:至約150。C之間的溫度，例如90。C、 IOO'C、 120X:或150。C。
在一個實施方案中，使用一定量的無氯漂白劑如過氧化氫來同時漂白
纖維。該氨-過氧化物脫膠方法可在約3: l至約20: l液體/固體比率(v: w) 的稠度下進行約1小時至6小時。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可通過改變這些參 數(shù)來確定合適條件而無需過度實驗。眾所周知， 一個參數(shù)的劇烈性增 加可允許降低其它參數(shù)的劇烈性。例如，使用較高溫度或較高氨濃度 可允許蒸煮時間降低?；蛘?，較低氨濃度可能需要較高溫度或蒸煮時 間來實現(xiàn)類似結(jié)果。
過氧化氫的量小于3%，優(yōu)選小于約2%，且最優(yōu)選小于約1%(基于烘 干(OD)纖維的重量)。
在一個實施方案中，可將堿例如氬氧度鉀(KOH)、碳酸鉀或氬氧化 鎂以0°/。至約10% (基于OD纖維)的濃度加到脫膠液體中。所述脫膠液體還 可包含0%至0. 2 K基于()D纖維)的蒽醌。堿金屬和蒽醌兩者有助于纖維
料，例如木纖維和谷物秸稈。
在反應(yīng)器中制漿并脫膠之后，在一個實施方案中，將液體回收并 送到蒸發(fā)器(20)中，在那里將氨回收至用作反應(yīng)器(10)的氨源的氨循
7環(huán)槽(30)中。提供氨的補給源(40)。從蒸發(fā)器(20)剩余的固體包含木 質(zhì)素和半纖維素以及痕量氨，且被移動至固體回收槽(50)且可被加工 成廢回收物流(60)中的肥料。
隨后將漿化并脫膠了的纖維在洗滌槽(70)中用水洗滌，在一個實 施方案中，得到中性pH，且隨后將得到的纖維送去漂白(80)。洗滌水 將含有氨和過氧化物且隨后可被再循環(huán)到氨循環(huán)槽(30)。
在一個實施方案中，在生產(chǎn)溶解紙漿的方法中，隨后將脫膠了的 纖維在TCF或ECF漂白工藝中漂白。例如，可將纖維在三段或四段ECF 工藝中漂白，接著進行冷堿提取。 一個實施方案的示例性條件在下表l 中示出
表l_
停留時間目標(biāo) C102NaOH H202 分鐘 pH %,基于％,基于％，基于
OD纖維OD纖維 OD纖維D。10至1570-8040"902. 5l-7
EP10至1570-8060-12011
Di10至1570-8090-15040. 5-2
D210至1570-8090-15040. 5-2
E*3至150-4030-90
*在冷堿提取階段的NaOH濃度為10 4w/w。 "D"是指使用二氧化氯。 "Ep"是指用具有過氧化氫的堿提取。 "E"是指堿提取。
在一個實施方案中，優(yōu)選ECF工藝，因為認(rèn)為二氧化氯溶解韌皮纖 維原料中的非韌皮纖維。
得到的溶解紙漿具有高品質(zhì)。來自韌皮纖維植物如大麻的溶解紙 漿可生產(chǎn)大于55°/ 的產(chǎn)率，亮度大于約92y"SO， a纖維素含量超過9W 且用本發(fā)明的方法可實現(xiàn)大于650ml/g的粘度。
漂白階紙漿濃溫度 段 度°/ t:
8實施例
在以下提供的實施例中，"AP制漿"是指氨過氧化物制漿，縮寫 "L:S，，是指液體與固體的比率，縮寫"AQ"是指蒽醌含量且縮寫"0D" 指烘干。
實施例l
大麻韌皮纖維在15(TC蒸煮溫度下的AP制漿。
表1-1. AP制漿條件
蒸煮溶蒸煮溫達(dá)到蒸處于蒸L:SH202畫AQ
液中的度煮溫度煮溫度 v/w%，基于%，基于%，基于
歸H濃的時間下的時OD纖維OD纖維OD纖維
度分鐘間
%w/w分鐘
201504060 10:1150. 2
表1-2.ECF漂白條件漂白階紙漿濃溫度停留時目標(biāo)pHC102NaOHH202
段度間%,基于%,基于%,基于
%分鐘OD纖維OD纖維OD纖維
D0107060 2. 5
EP108090 110. 80. 5
D,1080120 41
D21080120 41
32560
*在冷堿提取階段的NaOH濃度為10。/。w/w。表1-3.大麻韌皮纖維溶解紙漿的性質(zhì)
a —紙漿產(chǎn)
亮度粘度丙酮提取物R18R10灰分
纖維素率
% ISOml/g%%%%%
92. 08658. 510. 0699. 1198. 2598. 670. 0555. 52
實施例2
大麻韌皮纖維在9Q'C蒸煮溫度下的AP制漿
_表2-l.AP制漿條件
蒸煮溶蒸煮溫達(dá)到蒸處于蒸L:S 液中的度 煮溫度煮溫度v/w
NH,0H濃的時間下的時 度 分鐘 間
%w/w__
20 90 40 12010:1 1 5 0.2
H202KOH AQ %，基于％，基于％,基于 0D纖維OD纖維 OD纖維
表2-2.ECF漂白條件
漂白階紙漿濃溫度停留時目標(biāo)pHC102NaOHH202
段度t:間%，基于%，基于%，基于
%分鐘OD纖維OD纖維OD纖維
Do1070602. 55
EP108090110. 80. 5
D,108012042
E*32560
承在冷堿提取階段的NaOH濃度為10%w/w。
表2-3.大麻韌皮纖維溶解紙漿的性質(zhì)
亮度 % ISO粘度 ml/g丙酮提取物 %R18 °/ RIO %oc — 纖維素 %灰分 %紙漿產(chǎn) 率
92. 80785. 940. 0298. 5698. 1098. 540. 0656.55
10本申請引用了一些出版物或?qū)＠愿浞值孛枋霰景l(fā)明所屬領(lǐng)域 的技術(shù)現(xiàn)狀。在允許時，則將這些出版物中的每一者的公開內(nèi)容通過 引用并入本說明書中，就如同在本文中充分闡述一樣。
詞語"包含"在本文中以非限制性意義使用，且將是指"包括而 不限制或排除其它備選物"。
權(quán)利要求
1.使纖維質(zhì)的纖維脫膠的方法，其包含以下步驟用包含介于約5％至約30％(v∶v)之間的氨水和介于約0.5％至3％(基于OD纖維)之間的過氧化氫的脫膠液體在介于約50℃至約200℃之間的溫度下在約3∶1至約20∶1液體/固體(v/w)的稠度下處理所述纖維。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中所述脫膠液體還包含氫氧化鉀。
3. 權(quán)利要求1或2的方法，其中所述脫膠液體還包含蒽醌。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中在脫膠之后回收所述脫膠液體并對) 進行處理以將其分離為在該工藝中再使用的氨物流和周體部分。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中回收且處理所述固體部分以形成肥料
6. 權(quán)利要求1的方法，還包括漂白所述脫膠了的纖維以形成溶海 紙漿的步驟。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中所述纖維質(zhì)的纖維包含韌皮纖維植4 纖維。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中所述韌皮纖維植物為大麻、亞麻、^ 麻、亞麻子、黃麻或苧麻中的一種。
9. 權(quán)利要求8的方法，其中所述韌皮纖維植物為大麻。
10. 權(quán)利要求8的方法，其中所述韌皮纖維植物為亞麻。
11. 權(quán)利要求8的方法，其中所述韌皮纖維植物為洋麻。
12. 權(quán)利要求l的方法，其中所述纖維質(zhì)的纖維包含木纖維、谷4 秸稈纖維、多年生草纖維或豆科植物纖維。
13. 權(quán)利要求6的方法，其中所述漂白步驟包括ECF或TCF漂白〗驟。
14. 由韌皮纖維植物形成溶解紙漿的方法，包括以下步驟(a) 用包含氨和過氧化氫的脫膠液體將植物纖維制漿；(b) 回收并再循環(huán)步驟(a)的水性部分；(c) 回收漿化的纖維且將其漂白以生產(chǎn)溶解紙漿。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中所述脫膠液體包含約5%至約30%(v:的氨水和介于約0. 5%至3%(基于OD纖維)之間的過氧化氫。
16. 權(quán)利要求14的方法，其中所述脫膠步驟在介于約5(TC至約20 。C之間的溫度下在約3: 1至約20: 1液體/固體(v/w)的稠度下進行。
17. 權(quán)利要求13的方法，其中所述最終漂白步驟包括ECF或TC: 漂白工藝。
全文摘要
一種提高在形成溶解紙漿中所用的纖維質(zhì)的纖維的品質(zhì)的方法，其中紙漿的半纖維素含量通過用包括過氧化氫和氨的液體處理所述纖維來降低。
文檔編號D21C11/00GK101688361SQ200880022247
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者K·羅, W·舒特 申請人:艾伯塔研究委員會公司