制浆过程中草酸盐的结垢行为及其控制研究

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制浆造纸过程中,草酸根离子会与多种金属离子结合形成草酸盐结垢。草酸盐结垢是制浆造纸过程中长期存在而又亟待解决的难题之一。它会造成泵、输浆管道、过滤装置等设备的堵塞,从而影响各工段的正常进行,导致生产效率降低。为此,研究者对制浆过程中草酸根的形成进行了大量研究。然而,目前关于蒸煮漂白全过程中草酸根存在分布情况及草酸盐结垢控制的研究甚少。基于上述情况,本论文对桉木蒸煮漂白全过程中草酸根的形成与存在分布情况进行了研究。同时,为控制废液中草酸根含量,构筑了一类草酸根吸附材料即层状双金属氢氧化物(LDHs)和金属复合氧化物(LDO),并系统的研究了该材料对草酸根的吸附性能,为废液中草酸根含量的控制提供了新的思路。此外,论文研究了草酸盐结垢行为,建立了一种评价草酸钙垢阻垢剂性能的新方法,并对相关阻垢剂性能进行了评价。该研究对深化认识草酸盐结垢问题,有效控制草酸盐结垢的形成,以及提高生产效率等方面均具有十分重要的意义。本论文分析比较了不同造纸植物纤维原料中草酸根含量,揭示了桉木蒸煮过程中草酸根以及其它结垢物质的形成规律。研究结果表明:蔗渣等原料中草酸根含量较多,马尾松较少(1.64 g/kg);蒸煮过程中草酸根与其他结垢物质的形成随蒸煮时间与H-因子的增加而增加。在蒸煮初期草酸根及碳酸根随时间与H-因子的增加速率较快,而溶解木素及溶解钙的增加速率则较慢;当增加用碱量时,草酸根、碳酸根及溶解木素的形成均增加,溶解钙则减小。通过对OD1EOPD2、D0ED1和DEPP漂白过程中草酸根的研究发现,生产1kg漂白纸浆(80 ISO%)时,OD1EOPD2漂序形成的草酸根最多(6.25 g),D0ED1次之,DEPP最少;随着漂白过程的进行,每漂段废液与纸浆中的草酸根含量均逐渐减小;卡伯值降低值及白度增加值均随草酸根形成量的增加而增大,但其变化趋势不同。通过对蒸煮漂白全过程草酸根的形成进行分析,发现蒸煮过程形成的草酸根占全过程的42%45%。蒸煮漂白完成后,绝大部分草酸根存在废液中,其约占总量的98%。采用共沉淀法、尿素水热合成法及焙烧法构筑了多种LDHs和LDO,并对它们的形貌及性质进行了分析研究。研究结果表明,LDHs具有预期的层状结构,粒径大小均一,热稳定较好;LDHs经焙烧后,层间阴离子脱除,层状结构塌陷,得到LDO。采用LDHs和LDO作为吸附剂对草酸根离子进行吸附,发现MgAl-CO3-LDO的吸附效果最好(181.23 mg/g)。基于此,本论文系统地研究了MgAl-CO3-LDO的吸附性能及相关机理。研究结果表明:初始pH值对吸附效果的影响较小;吸附温度、吸附时间及草酸根离子初始浓度对吸附效果的影响较为显著,提高吸附温度、增加吸附时间及草酸根离子初始浓度则会增大吸附量;MgAl-CO3-LDO对草酸根的吸附过程符合准二级动力学模型与Langmuir吸附等温模型;吸附反应由“记忆效应”和表面吸附共同作用进行;MgAl-CO3-LDO经过三次循环利用后保持了原吸附量的70%之上。采用电导率法研究了草酸钙的结垢行为及碳水化合物等对草酸钙结垢过程的影响。研究表明:草酸钙结晶过程符合一级反应速率方程;随着离子浓度、温度、转速的增加,晶粒成核速率逐渐增加而晶粒长大速率则无明显的变化规律;有机酸根离子能减小晶粒成核速率;初始pH值及碳水化合物对晶粒成核速率的影响较小;晶粒成核与晶粒长大的活化能分别为11.41 kJ/mol及4.46 kJ/mol;在草酸钙、碳酸钙及草酸钡结晶过程中,草酸钙晶粒成核速率最大,草酸钡最小。同时,研究了阻垢工艺条件对阻草酸钙垢性能的影响。研究表明:在相同条件下,聚马来酸的阻垢能力最大,聚天冬氨酸次之,聚丙烯酸最小;增加阻垢剂浓度与升高温度时,相对饱和度先逐渐增加后趋于平缓;增大钙离子初始浓度时,相对饱和度则逐渐减小。此外,建立了一种评价草酸钙垢阻垢剂性能的新方法,该方法具有操作简单、快速,精密度高等优点,适用于评价草酸钙垢阻垢剂性能。
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