利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法及制备装置与流程

1.本发明涉及造纸领域，具体涉及一种利用亚临界流体与植物纤维相结合，可以连续制备纸浆的方法及制备装置。


背景技术：

2.纸是日常生活中最常用的物品。造纸是古代中国劳动人民的重要发明。一般由经过制浆处理的植物纤维的水悬浮液，即用水将纸浆稀释至一定浓度，在造纸机网部或人工抄取初步脱水，形成湿的纸页，再经压榨脱水，然后烘干成纸。
3.常规纸浆制备工艺为备料、制浆、碱回收、漂白、抄纸等过程，使得造纸工业存在严重的水污染、大气污染和固体废弃物污染，俗称三大污染。每吨浆和纸约用水300吨以上，排出废水中高含量有机物，生化需氧量(bod)和悬浮物(ss)严重超标，并含有大量毒性物质和异味，极其危害水生生物的正常生长，影响工农畜牧业和居民用水与环境景观。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法及制备装置，旨在克服现有技术缺陷，达到安全环保造纸、无污染制备纸浆的目的，其所采用的技术方案是：
5.一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法，将经过粉磨得到的原状植物纤维与亚临界流体相混合，混合得到的浆体在内压力为1.0mpa～20mpa，外温度为97℃～300℃状态下连续反应2
‑
3小时，得到植物纤维纸浆，将植物纤维纸浆的工作压力降至常压并蒸馏，收集挥发出来的气体状态的亚临界流体，并对蒸馏后的植物纤维纸浆进行分离，得到植物纤维素。植物纤维素可直接用于制造原色纸，或与再生纸浆生产出不同类型的纸。在整个工艺过程中，没有污染物产生，仅有水及亚临界流体参与反应，并且，在将植物纤维纸浆降压蒸馏后，收集到的挥发亚临界流体可继续利用，形成循环，有利于环保。所述内压力是浆体在进行反应过程中，其所需的工作压力是由管道(即后文所提到的螺旋管)内部提供，所述外温度是浆体在进行反应过程中，其所需要的工作温度是由管道(即后文所提到的螺旋管)外部提供。
6.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法，更进一步地，
7.具体操作步骤如下：
8.s1：将植物秸秆皮粉碎至不大于100目，105℃干燥0.5h～24h，得到原状植物纤维；
9.s2：将10％
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40％原状植物纤维(质量分数比)、50％
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70％水、10％
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60％亚临界流体、1％
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10％助剂混合；
10.s3：对s2中得到的浆体进行增压，使其在压力为1.0mpa～20mpa、温度为97℃～300℃状态下连续反应2
‑
3小时，得到植物纤维纸浆；
11.s4：将植物纤维纸浆降至常压，并对其蒸馏，植物纤维纸浆混合液中存在的气体状态的亚临界流体挥发，对挥发的气体状态的亚临界流体进行收集冷凝；
12.s5：对蒸馏后的植物纤维纸浆进行分离，通过离心或挤压装置，得到植物纤维素。
13.本发明先将原状植物纤维与亚临界流体按照比例混合，并将浆体放置在特定的压强与温度下，进行持续的反应，使原状植物纤维中的木质素溶解而与纤维素分离。所述特定的压强与温度是，不同原状植物纤维中的木质素溶出所需要的亚临界工作压力及温度。原状植物纤维中的木质素溶解后，对得到的植物纤维纸浆进行分离，分离后得到植物纤维素。植物纤维素不经过漂白，可直接用于造纸，制造出原色纸，植物纤维素也可以与原生植物纤维或无机纳米纤维制成再生纸浆，甚至可以直接与废弃纸制品纤维混合得到纸浆，生产出多种类别纸及制品。所述无机纳米纤维是指纳米尺度的纤维，如人造或天然的晶须、纳米纤维、纳米颗粒、纳米管等。
14.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法，更进一步地，所述亚临界流体是水、甲基溶纤剂、吡啶、二氧六环、丙酮、乙醇、丁醇、丙醇、乙二醇、co2、正己烷、丙烷、丁烷、己烷、二甲醚、1.4
‑
丁二醇中的一种或几种。亚临界流体是指在温度高于其沸点但低于临界温度，且压力低于其临界压力的条件下，以流体形式存在的物质。本发明利用亚临界流体的这种特性，根据不同的原状植物纤维的临界压力，利用亚临界流体帮助原状植物纤维中的木质素更好的溶解，进而更好的与纤维素分离。
15.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法，更进一步地，所述原状植物纤维是经过粉磨制得的不大于100目的农业秸秆纤维或木质纤维，或者是用揉丝工艺得到的不大于100目的揉丝纤维。原状植物纤维可以有多种，都是经过处理，得到的不大于100目的纤维。
16.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法，更进一步地，所述助剂是尿素、甲酸、乙酸、氢氧化钠、碳酸钠、亚硫酸钠、氯化镁、h2o2、醋酸钠、khco3、苯酚、聚乙二醇、二乙二醇、稀硫酸、甘油中的一种或几种。
17.一种采用上述方法的制备装置，包括混料器，所述混料器内设置有搅拌器，所述搅拌器从所述混料器上方向下伸入所述混料器内部，所述混料器底部伸出有第一管路与油釜底部相连通，所述第一管路自底部进入所述油釜内，所述第一管路在所述油釜内呈螺旋状态上升，形成螺旋管，所述螺旋管顶端穿过所述油釜侧壁，接入储存罐内，所述储存罐顶部伸出有第二管路，所述第二管路上缠绕有冷凝管。所述油釜内部盛装有导热油，所述导热油包裹住所述螺旋管，所述混料器顶部设置有增压器，所述混料器进入所述油釜的管路上设置有第一流量计，所述油釜进入所述储存罐的管路上依次设置有第二流量计和减压器。在所述第一流量计的上游和下游均设置有阀门，所述第二流量计的上游设置有阀门，所述减压器的下游设置有阀门。
18.将所有原材料按比例放入混料器内，混料器内的搅拌器对其搅拌，搅拌均匀后，开启增压器，混料器内压力增加，混料器内的浆体在压力作用下，经由第一管路输送至油釜内(第一流量计上游及下游的阀门开启，第一流量计控制浆体通过第一管路的流量)，因此，第一管路及螺旋管内部具有浆体反应所需要的压强(通常为1
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20mpa)，浆体在油釜内的螺旋管自下而上缓慢输送(输送时间为2
‑
3小时)，导热油在油釜内包裹住螺旋管，给螺旋管内部反应提供温度，确保浆体反应所需的临界温度。浆体在自下而上的输送过程中进行充分反应，浆体自螺旋管底部开始反应，当输送至螺旋管顶端时，其正好反应完全，在亚临界流体及临界压力和温度的作用下，原状纤维纸浆中的木质素充分溶解，与纤维素分离。
19.反应完全后的植物纤维纸浆进入储存罐，在植物纤维纸浆进入储存罐的过程中，通过减压器将进入储存罐内的植物纤维纸浆的压力降至常压，而此时，植物纤维纸浆依然是带有温度的，植物纤维纸浆进入储存罐后，会有亚临界流体挥发气体形成，挥发的亚临界流体气体进入第二管路，通过缠绕在第二管路上的冷凝管降温冷凝，重新形成液体的亚临界流体，可以继续回收利用。
20.混料器和油釜相结合创造了亚临界环境，并且由于混料器与油釜相连接，油釜与储存罐相连接，保证了“原状植物纤维与亚临界流体混合后在亚临界环境下进行充分反应后，进入储存罐内”这一过程可以持续进行，进而保证植物纤维纸浆可以连续生产。
21.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的制备装置，更进一步地，所述混料器可单独从所述螺旋管内部为浆体提供压力，所述油釜可单独从所述螺旋管外部保证浆体的工作温度。本装置可分别给螺旋管内部的浆体提供所需的工作温度及工作压力，保证浆体可以充分反应。
22.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的制备装置，更进一步地，所述混料器、所述油釜顶部均设置有温度传感器和压力传感器。温度传感器及压力传感器实时监测混料器及油釜内的温度和压力，确保混料器及油釜内处于原状植物纤维反应所需的临界压力和温度。
23.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的制备装置，更进一步地，所述螺旋管内部的工作压力为1
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20mpa，所述导热油温度为97℃～300℃。螺旋管内部的工作压力经由混料器通过第一管路传递过来，致使螺旋管内部达到浆体反应时所需压力，螺旋管外部的导热油包裹住螺旋管，从螺旋管外部提供浆体反应时所需的温度。
24.上述一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的制备装置，更进一步地，所述第一管路自底部进入所述油釜内，其在油釜内自左向右呈弯曲或直管或螺旋状态。第一管路接入油釜内部，其可以是任意形状，旨在达到在油釜内部有限空间里，形成最长路径，进而结合通过第一管路的浆体流量和通往储舱罐的植物纤维纸浆流量(通过调节第二流量计上游的阀门、减压阀下游阀门开启的大小来调节纸浆流通量，通过调节第一流量计上游和下游阀门开启的大小来调节浆体流通量，通过观察第一流量计和第二流量计，使第一流量计、第二流量计保持在10l/h)，使浆体在油釜内自下而上输送时，有足够反应时间(2
‑
3小时)的目的。
25.本发明中所采用的亚临界流体是指低于超临界点的液体(如水的超临界点374℃、22.1mpa；二氧化碳的超临界点31.1℃、7.38mpa；乙醇的超临界点243℃、6.38mpa；氨水的超临界点132.4℃、11.2mpa等)，具有强烈溶解能力和分解特性，特别是水基本不用或少用有机或无机溶剂，对环境无污染且零排放。但二氧化碳或乙醇超临界点状态更加温和，具有与水同等传质性且较小压力对设备要求较低。亚临界技术即节能和溶剂少残留，又可实现大规模生产，投资少，且生产成本低。
附图说明
26.图1是本发明装置的结构示意图；
27.其中：1
‑
混料器、2
‑
增压器、3
‑
搅拌器、4
‑
进料口、5
‑
温度传感器、6
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压力传感器、7
‑
阀门、8
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油釜、9
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第一流量计、10
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减压器、11
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储存罐、12
‑
冷凝管、13
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第二流量计、14
‑
螺旋
管、15
‑
第一管路、16
‑
第二管路。
具体实施方式
28.结合附图对本发明作进一步说明。
29.如图1所示的一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的制备装置，包括混料器1，混料器内部设置有搅拌器3，混料器顶部设置有增压器2、进料口4、压力传感器6、温度传感器5。混料器底部伸出有第一管路通往油釜8的底部，第一管路15从自油釜底部插入内部，自油釜底部螺旋向上，在油釜内部形成螺旋管14。油釜内部盛装有195
°
的导热油，导热油包裹住螺旋管，保证螺旋管温度。螺旋管的顶端从油釜侧壁伸出，通过管路进入储存罐内，油釜顶部设置有温度传感器和压力传感器。在油釜通往储存罐的管路上依次设置有第二流量计13和减压器10，在第二流量计上游设置有阀门，在减压器下游设置有阀门。储存罐11顶部与外部的第二管路相连通，第二管路16外表面缠绕有冷凝管。第一管路上设置有第一流量计9，第一流量计的上游和下游均设置有阀门7，通过调节第一流量计以及第一流量计上游、下游的阀门，调整第一管路内通过的浆体流量。
30.实施例1
31.一种利用亚临界流体连续制备植物纤维纸浆的方法，其具体步骤是：
32.s1：将玉米秸秆除尘粉碎分选出秸秆皮纤维至100目粒度，105℃烘干1h，得到原状植物纤维。
33.s2：将150kg原状植物纤维、800kg乙醇(浓度60％)、50kg乙酸通过进料口置于1000l混料罐内，搅拌均匀，形成浆体，增压泵调节混料罐内压力至1.5mpa(常温)；加热油釜导热油至195
°
，并且导热油一直保持此温度。
34.s3：开启第一流量计上游阀门及下游阀门，浆体在压力作用下通过第一管路进入螺旋管待螺旋管内充满料浆时，调整第二流量计上游阀门和减压器下游阀门，控制出流速度在10l/h，保证螺旋管内浆体可以充分反应2
‑
3h。由于混料器与螺旋管相连通，因此，此时螺旋管内的压力也为1.5mpa；由于螺旋管外部包裹有导热油，因此，螺旋管的温度为195
°
。螺旋管内部的压力及外部的温度形成了亚临界状态，保证浆体在螺旋管内充分反应，使原状植物纤维中的木纤维溶出，与纤维素分离。
35.s4：螺旋管内浆体反应完全后，得到植物纤维纸浆，植物纤维纸浆通过管路进入储存罐，植物纤维纸浆在经过管路的过程中，通过减压器减至常压；减压后的植物纤维纸浆依然带有温度，此时进入储存罐内，在储存罐内形成的挥发亚临界流体气体上升进入第二管路，经过第二管路外部带有冷凝管作用，其又形成亚临界流体液体，对亚临界流体液体回收，可再次使用。
36.s5：将储存罐内的植物纤维纸浆采用离心装置进行分离，分离出的纤维素可直接用于造纸。
37.上述工艺方法中，步骤s2中的乙醇还可以由甲基溶纤剂、吡啶、二氧六环、丙酮、丁醇、丙醇、乙二醇、柠檬酸、co2、正己烷、丙烷、丁烷、己烷、二甲醚、1.4
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丁二醇中的一种来替换。
38.实施例2
39.s1：将玉米秸秆除尘粉碎分选出秸秆皮纤维至100目粒度，105℃烘干1h，得到原状
植物纤维。
40.s2：195kg原状植物纤维、800kg乙醇(浓度60％)、5kg尿素通过进料口置于1000l混料罐内，搅拌均匀，形成浆体。增压泵调节混料罐内压力1.5mpa(常温)；加热油釜导热油至195
°
，并且导热油一直保持此温度。
41.s3：开启第一流量计上游阀门及下游阀门，浆体在压力作用下通过第一管路进入螺旋管待螺旋管内充满料浆时，调整第二流量计上游阀门和减压器下游阀门，控制出流速度在10l/h，保证螺旋管内浆体可以充分反应2
‑
3h。由于混料器与螺旋管相连通，因此，此时螺旋管内的压力也为1.5mpa；由于螺旋管外部包裹有导热油，因此，螺旋管的温度为195
°
。螺旋管内部的压力及外部的温度形成了亚临界状态，保证浆体在螺旋管内充分反应，使原状植物纤维中的木纤维溶出，与纤维素分离。
42.s4：螺旋管内浆体反应完全后，得到植物纤维纸浆，植物纤维纸浆通过管路进入储存罐，植物纤维纸浆在经过管路的过程中，通过减压器减至常压；减压后的植物纤维纸浆依然带有温度，此时进入储存罐内，在储存罐内形成的挥发亚临界流体气体上升进入第二管路，经过第二管路外部带有冷凝管作用，其又形成亚临界流体液体，对亚临界流体液体回收，可再次使用。
43.s5：将储存罐内的植物纤维纸浆采用离心装置进行分离，分离出的纤维素可直接用于造纸。
44.本发明采用的这种亚临界流体技术，因其具有极强的溶解能力和分解特性，使得木质素被洁净分离，颠覆传统制备纸浆理念，一改传统酸碱蒸煮制备纸浆工艺，避免造纸工业对环境的污染。
45.螺旋管与油釜相结合的结构，高压浆体在螺旋管管内被控制连续流动，螺旋管外部恒温导热油提供的油浴确保浆体充分化学反应温度，实现植物纤维纸浆连续制备。
46.本发明所用添物质全部回收利用，分离出纤维素用于造纸，木质素作为化工原料，剩余浆液可再次回收利用，用于植物纤维纸浆的制备。整个工艺过程洁净绿色无污染零排放。
47.以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。