高温高浓竹浆黑液流变性及膨胀性研究

1、高温高浓竹浆黑液流变性及膨胀性研究 岳小鹏 杜鑫 徐永建 陕西科技大学陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室 陕西科技大学机电工程学院 摘 要： 碱回收蒸发系统新技术的应用, 使入炉黑液固含量超过 70%, 因此有必要研究高固含量黑液的流变性能.NaAlO 2在燃烧法除硅工艺中除硅效果极佳, 需要探究其对竹浆黑液膨胀性带来的影响.本文利用 AR2000ex 动态流变仪, 在 70和98高温条件下对固含量为 70.19%和 79.87%的竹浆黑液的流变特性进行研究, 发现在 0100s-1剪切速率范围内竹浆黑液符合假塑性流体的流动特征, 且呈现出较强的弹性固体性质.提高温度可以有效降低黑液的表观粘度, 减弱黑液的假塑性, 削弱其内部结构强度, 有助于黑液在碱回收过程中的输送.通过对黑液等温膨胀体积指数 (VIE) 的测定, 发现 NaAlO2添加量为 0.5%时, 黑液的膨胀率最大, 继续加大添加量会抑制黑液的膨胀.关键词： 黑液; 流变特性; 假塑性; 膨胀性; 作者简介：岳小鹏 (1982-) , 男, 山东青岛人, 讲师, 博士, 研究方向:生物质复合材料作者简介：徐永建 (197

2、0-) , 男, 陕西西安人, 教授, 博士生导师, 研究方向:植物纤维资源高值化利用、清洁生产及碱回收除硅技术, 收稿日期：2017-07-27基金：国家十二五科技支撑计划项目 (2012BAD23B02) Study on rheological properties and expansion of thick bamboo kraft black liquor at high temperatureYUE Xiao-peng DU Xin XU Yong-jian Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science Abstract： It is necessary to study the rheological properties of black liquor at a high solid content above 70 wt% due to the development of new technol

3、ogy for the recovery unit in pulp and paper industry.Adding sodium aluminate can ensure high efficiency in the method of black liquor combustion to remove silicon.Nevertheless, the effect of sodium aluminate on the expansion of black liquor should not be ignored.The rheological properties of thick bamboo kraft black liquor (70.19 wt% and 79.87 wt%) at different temperatures (70 and 98 ) were investigated by an AR2000ex rotational rheometer.The results proved that the flowability of the bamboo kr

4、aft black liquor obeyed the law of pseudoplastic fluid in the shear rate range of 0100 s-1.Thick bamboo kraft black liquor represented strong elastic solid properties.The apparent viscosity of black liquor could be reduced effectively with the increase of temperature.High temperature also weakened the pseudoplastic characteristics of black liquor, as well as the intensity of the molecular structure of black liquor.Therefore, it was benefit for the transportation of black liquor.As an indication

5、of expansion of black liquor, the volumetric isothermal expansivety (VIE) reached the maximum value when the loading of sodium aluminate was 0.5 wt%.The expansion of the black liquor would be suppressed if the loading was increased continued.Keyword： black liquor; rheological properties; pseudoplastic; expansion; Received： 2017-07-270 引言目前国内外非木材纤维原料的纸浆生产以碱法为主, 制浆过程中产生大量的黑液通过碱回收进行处理1.其过程主要包括黑液的提取、蒸发、燃烧, 绿液的苛化以及白泥的回收2.以竹浆草浆为代表的非木材原料灰分含量高, 且灰分中 60%以上是 SiO2, 给碱回收系统带来了一系列硅干扰问题3:原料中的硅与碱反应生成 Na2SiO3进入黑

6、液, 使废液粘度升高, 洗浆时黑液提取率低;在蒸发浓缩过程中 Na2SiO3的存在使黑液的粘度随浓度的增加快速增加, 从而影响黑液的蒸发, 黑液容易结垢等4.前期的研究发现5, NaAlO 2作为一种高效除硅剂, 在燃烧法除硅工艺中的有较大的应用价值, 但是 NaAlO2的添加对黑液相关性能的报道较少, 因此有必要研究其对黑液燃烧过程中膨胀性的影响.制浆原料和蒸煮工艺条件决定了黑液的化学组成, 黑液的理化性能与温度、无机物含量和固形物含量密切相关6.相比于木浆黑液而言, 竹浆黑液由于自身木素含量低, 戊糖和硅含量较高, 其粘度较大燃烧热值较低, 在碱回收单元产生较大的障碍, 增加了运营成本7.国内竹浆黑液的固形物含量需要被浓缩到60%以上才能达到入炉燃烧的需求8, 实现黑液高浓燃烧是制浆造纸行业碱回收系统的发展趋势.其主要优点如下:提高燃烧炉的容量以及碱回收效率;增加热值提高燃烧效率, 使黑液在碱回收炉中的燃烧更加平稳;减少 SO2、H 2S 等污染物的排放等9.在一定浓度范围内, 黑液的粘度随着固含量的增加呈指数式增长10, 给黑液的泵送造成很大难题.另外, 提高黑液浓度还可能会造成

7、运输管道、蒸发器、收集器以及喷嘴的堵塞问题.目前, 国外已经实现了木浆黑液的高浓燃烧 (固含量达 90%) , 因此, 十分有必要对 70%80%固含量的高浓竹浆黑液在高温过程的流变特性进行研究, 为竹浆黑液高浓燃烧提供基本的理论支撑11.高浓竹浆黑液取自赤天化纸业股份有限公司, 利用 AR2000ex 流变仪探讨在70和 98下黑液的流变特性, 研究高温高浓黑液的剪切稀化特性, 并探究了添加不同含量 NaAlO2对黑液膨胀性的影响, 为改进碱回收单元设计实现高浓燃烧提供参考.1 实验部分1.1 实验原料、试剂与仪器(1) 实验原料:竹浆黑液样品取自贵州赤天化纸业股份有限公司碱回收系统黑液压力槽, 固含量 70.19%, 总硫含量 4.43%, 总碱量 25.012%, 黑液高位发热11.18 MJ/kg, 相对密度为 1.639 8g/mL.(2) 试剂:铝酸钠, NaAlO 2, 化学纯, 购于国药集团化学试剂有限公司.(3) 实验仪器:AR2000ex 动态流变仪, 美国 TA 公司;RW20Digital 悬臂式机械搅拌器, 德国 IKA 公司;分析天平, 精确度 0.1 mg

8、, 赛多利斯科学仪器有限公司;远红外快速干燥箱, 最高温度 200, 北京科伟永兴仪器有限公司;定量滤纸, GB/T1914-93, 杭州特种纸业有限公司;马弗炉, KSY-15-16, 上海意丰电炉有限公司;真空干燥箱, DZF-6021, 杭州市聚同电子有限公司.1.2 样品制备(1) 称取一定量原黑液 (固含量 70.19%) 于烧杯中, 加蒸馏水稀释, 测得其固含量为 60.27%.取等量稀释黑液于三个烧杯中, 分别加入占固形物含量0.5%、1%、1.5%的 NaAlO2, 在 50, 260rpm 条件下搅拌 10min;(2) 称取等量原黑液于三个烧杯中, 按照步骤 (1) 的方法制备 NaAlO2含量分别为 0.5%、1%、1.5%的固含量为 70.19%的待测样品;(3) 称取一定量原黑液于烧杯中, 将黑液置于真空干燥箱 80下浓缩, 直至黑液固含量为 80%左右.测定其固含量为 79.87%, 按照步骤 (1) 的方法制备NaAlO2含量分别为 0.5%、1%、1.5%的固含量为 79.87%的待测样品.1.3 实验方法1.3.1 流变性测试采用美国 AR2000ex

9、 动态流变仪对竹浆黑液的表观粘度进行测试, 夹具为直径25 mm 的铝制圆形平板, 测量间距为 700m, 剪切速率范围为 0100s.温度70和 98, 竹浆黑液固含量 70.19%和 79.89%.非木浆竹浆黑液的表观粘度与剪切速率的关系可以用 Ostwald-de Wale 幂律方程来描述, 即:式 (1) 中: a为表观粘度, Pas; 为剪切速率, s;K 是与温度有关的材料参数, Pasn;n 是材料的流动指数或者非牛顿指数.当 n=1 时, 材料为牛顿流体;n1 时, 材料为胀塑性流体;n1 时, 材料为假塑性流体, n 偏离 1 的程度越大, 表示材料的假塑性越强.1.3.2 膨胀性测试按照参考文献12的方法, 利用马弗炉对样品的 VIE 值进行测试.竹浆黑液固含量为 60.27%、70.19%、79.87%, NaAlO 2添加量分别为 0、0.5%、1%、1.5%.非木浆黑液的膨胀效果以黑液 VIE 的膨胀率来表示13, 其为加入 NaAlO2后VIE 的变化量和未添加 NaAlO2时 VIE 值的比值, 即:式 (2) 中:Y 为膨胀率, %;B 1为未添加 NaAlO2时的 VIE 值, cm/g;B 2为添加NaAlO2后的 VIE 值, cm/g.2 结果与分析2.1 高温高浓竹浆黑液的流变特性竹浆黑液的流变学性质十分复杂, 有相关研究表明11:当黑液中的固形物含量小于 50%时, 有机物和无机物以分散相的形式存在, 而水为连续态, 此条件下的黑液可看作是分散的水溶液, 其具有凝固点的物理特性, 竹浆黑液为牛顿流体, 其粘度并不会随着剪切速率产生变化;而当固形物含量大于 50%时, 竹浆黑液转变为非牛顿流体, 其流动特征与高分子材料中的假塑性流体类似, 呈现出剪切稀化现象.这是由于黑液中大量存在的木质素、纤维素、半纤维素等高聚物大分子, 形成了有一定强度的三维网状空间结构, 此时作为分散剂的水分散在高分子链节之间的空隙中.这种条件下的竹浆黑液具有大多数高分子聚合物的理化性能, 如玻璃转化温度.当周围环境的温度大于玻璃化转变温度时, 高分子聚合物分子受热能获得动能,

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