酶预处理对马尾松TMP性能和磨浆能耗的影响及机理研究

摘要

TMP具有制浆得率高、制浆废水污染负荷低，长纤维组分含量较高，成纸松厚度大，不透明度高和光散射系数大等优点。但其缺点为磨浆能耗高，制浆成本大，磨浆前纤维软化不充分，纸浆纤维挺硬，表面细纤维化程度低，纤维间结合力差。而通过生物酶预处理，可以实现降低磨浆能耗，增加纤维细纤维化程度，改善纸浆质量，为扩大TMP的应用范围打下基础。
　　 本论文以马尾松为原料，研究了纤维素酶和木聚糖酶预处理对马尾松TMP性能和磨浆能耗的影响，对比分析了生物酶预处理在不同磨浆过程对马尾松TMP性能和纤维质量的影响，并对生物酶处理后纸浆湿部化学特性进行研究，通过酶处理前后纤维的零距抗张强度和内结合强度测定、纤维素结晶度测定、接触角测定、原子力显微镜和扫描电镜观察、红外光谱分析、热失重分析等手段来研究生物酶作用于马尾松TMP的机理。研究结果表明:
　　 纤维素酶预处理马尾松TMP的适宜条件为:酶用量75IU/g，温度50℃，pH5.5，时间150min。纤维素酶预处理后，纸张强度性能、松厚度和中长纤维得率都有所增加。但用量不宜超过75IU/g，否则会导致成纸的撕裂指数降低。
　　 纤维素酶预处理后，马尾松TMP磨浆能耗降低。磨浆能耗下降率随着纤维素酶用量及预处理时间的增加而增大。并用曲线拟合分析的方法建立了磨浆能耗与纤维素酶用量及预处理时间的回归方程。
　　 木聚糖酶预处理适宜条件为:酶用量90IU/g，pH5.0，预处理时间150min，预处理温度50℃。木聚糖酶预处理后，纸张强度性能、松厚度和中长纤维得率都随着酶用量的增加而增加。但用量不宜超过90IU/g，否则将引起撕裂指数的下降。
　　 木聚糖酶预处理后，马尾松TMP磨浆能耗降低。磨浆能耗下降率随着木聚糖酶用量及预处理时间的增加而增大。并用曲线拟合分析的方法建立磨浆能耗与木聚糖酶用量及预处理时间的回归方程。
　　 纤维素酶和木聚糖酶预处理均可降低马尾松TMP纤维束含量，且木聚糖酶对降低纸浆中纤维束含量的效果更好。木聚糖酶用量120IU/g时，酶预处理在一段磨浆前纸浆中纤维束含量较之空白样降低了1.76％;酶预处理在一段磨浆与二段磨浆之间，纸浆纤维束含量较之空白样降低2.39％。
　　 筛分结果显示，100目筛网所截留的纤维总得率都随着纤维素酶和木聚糖酶用量的增加而增加。通过200目的细小纤维量明显降低。采用一段磨浆前酶预处理的制浆工艺，50目筛网截留长纤维及200目筛网截留短小纤维含量明显较高，而100目筛网截留中间长度纤维及通过200目筛网的细小纤维含量含量较低。采用一段磨与二段磨之间进行酶预处理时中间长度组分及短小长度纤维较多。
　　 纤维质量分析结果显示，采用一段磨浆前酶预处理的制浆工艺能获得较长的纤维平均长度。适度的纤维素酶预处理能够增加纤维长度，减少细小纤维含量，卷曲及扭结指数增加。纤维素酶酶用量为75IU/g时重均纤维长度增加了0.22mm，细小纤维含量减少了1.01％。二段磨浆前预处理，在纤维素酶用量为50IU/g时，纤维数均长度、重均及双重均长度三者都较高，此时纤维受破坏程度较小。预处理木聚糖酶用量控制非常关键，酶用量过高对纤维长度破坏严重。
　　 一段磨浆前预处理适宜酶用量高于二段磨浆前预处理，酶预处理在一段磨浆前，适宜纤维素酶用量为75IU/g，适宜木聚糖酶用量为90IU/g;二段磨浆前预处理，适宜纤维素酶用量为50IU/g，适宜木聚糖酶用量为60IU/g
　　 纤维素酶和木聚糖酶预处理后进行磨浆，纸浆游离度略有上升，白水阳离子需求量明显下降，且随纤维素酶用量增加，白水阳离子需求量降低更加显著，纸浆Zeta电位随着酶用量的增加有所降低。
　　 木聚糖酶预处理后纸浆的零距抗张强度增幅较大。木聚糖酶用量60IU/g时零距抗张强度为51.8N/cm，较之未处理的纸浆增加了15.0N/cm;纤维素酶用量75IU/g时零距抗张强度为45.1N/cm，较之未处理的纸浆增加了8.3N/cm。纤维素酶用量75IU/g时，内结合强度为0.031N/cm，较之未处理的纸浆增加了0.016N/cm。木聚糖酶用量90IU/g时，内结合强度为0.028N/cm，较之未处理的纸浆增加了0.012N/cm。
　　 通过X衍射分析和热重分析可知，纤维素酶预处理使得马尾松TMP纤维素的结晶度降低，说明纤维素的结晶区受到了明显的降解。木聚糖酶预处理使得马尾松TMP纤维素的结晶度增加，木聚糖酶预处理和纤维素酶预处理可提高纤维的热稳定性。
　　 纤维素酶预处理后纤维表面接触角减小，纤维润湿性能改善。在0.2s时，50IU/g的纤维素酶预处理后纤维表面接触角为33°，未经酶预处理纤维表面接触角为42°，降低了9°。木聚糖酶用量为30IU/g和60IU/g时的接触角比未经酶处理的接触角大，当酶用量为90IU/g时，纤维润湿性能改善，在0.2s时，接触角为38°，较之未经酶预处理纤维表面接触角降低了4°。
　　 扫描电镜观察显示:纤维素酶预处理后，纤维压溃及纵向撕裂现象明显，内部细纤维化增大，产生丝状细小纤维，同时也有较少的纤维碎片。木聚糖酶预处理后，纤维表面有明显的碎片状剥裂，呈现为纤维表面有较多的碎片状纤维，纤维细胞壁局部变薄。
　　 原子力显微镜观察显示，纤维素酶预处理后TMP纤维表面粗糙度下降，木聚糖酶预处理后纤维表面粗糙度增大。

目录

摘要

1 绪论

1．1 高得率制浆技术

1．1．1 我国发展高得率制浆的必要性

1．1．2 高得率制浆技术

1．2 热磨机械浆(TMP)

1．2．1 TMP生产流程

1．2．2 TMP的磨浆机理

1．2．3 TMP的特性

1．2．4 TMP的应用

1．2．5 TMP的存在问题及发展前景

1．3 生物技术在造纸工业应用

1．3．1 纤维的酶法改性

1．3．2 生物法制浆

1．3．3 生物漂白

1．3．4 酶法脱墨

1．3．5 造纸废水的生物处理

1．4 纤维素酶的组成及降解反应机理

1．4．1 纤维素酶的组成

1．4．2 纤维素的酶解机理

1．4．3 纤维素酶活性的影响因素

1．5 木聚糖酶的组成和应用

1．5．1 木聚糖酶的组成

1．5．2 木聚糖酶的降解机理

1．5．3 木聚糖酶在造纸工业中的应用

1．6 本论文研究的目的、意义及内容

1．6．1 研究的目的、意义

1．6．2 研究内容

2 纤维素酶预处理对马尾松TMP性能和磨浆能耗的影响

2．1 实验

2．1．1 原料

2．1．2 制浆工艺流程

2．1．3 木片预处理

2．1．4 挤压疏解

2．1．5 纤维素酶溶液的配制

2．1．6 纤维素酶预处理

2．1．7 磨浆及能耗计算

2．1．8 磨浆后处理

2．1．9 抄片

2．1．10 纸页物理性能检测

2．1．11 纤维素酶酶活的测定

2．1．12 中长纤维含量的计算

2．1．13 磨浆能耗降低率的计算

2．2 结果与讨论

2．2．1 纤维素酶用量对马尾松TMP性能的影响

2．2．2 纤维素酶预处理温度对马尾松TMP性能的影响

2．2．3 纤维素酶预处理pH对马尾松TMP性能的影响

2．2．4 纤维素酶预处理时间对马尾松TMP性能的影响

2．2．5 纤维素酶预处理对马尾松TMP磨浆能耗的影响

2．2．6 纤维素酶用量与磨浆能耗降低率的曲线拟合分析

2．2．7 纤维素酶预处理时间与磨浆能耗降低率的曲线拟合分析

2．3 本章小结

3 木聚糖酶预处理对马尾松TMP性能和磨浆能耗的影响

3．1 实验

3．1．1 原料

3．1．2 制浆工艺流程

3．1．3 木片预处理

3．1．4 挤压疏解

3．1．5 木聚糖酶溶液的配制

3．1．6 木聚糖酶预处理

3．1．7 磨浆及能耗计算

3．1．8 磨浆后处理

3．1．9 抄片

3．1．10 纸页物理性能检测

3．1．11 木聚糖酶酶活测定

3．1．12 中长纤维含量的计算

3．1．13 磨浆能耗降低率的计算

3．2 结果与讨论

3．2．1 木聚糖酶用量对马尾松TMP性能的影响

3．2．2 木聚糖酶预处理温度对马尾松TMP性能的影响

3．2．3 木聚糖酶预处理pH对马尾松TMP性能的影响

3．2．4 木聚糖酶预处理时间对马尾松TMP性能的影响

3．2．5 木聚糖酶预处理对马尾松TMP磨浆能耗的影响

3．2．6 木聚糖酶用量与马尾松TMP磨浆能耗降低率的曲线拟合分析

3．2．7 木聚糖酶预处理时间与磨浆能耗降低率的曲线拟合分析

3．3 本章小结

4 生物酶预处理在不同磨浆过程对马尾松TMP性能和纤维质量的影响

4．1 实验

4．1．1 实验原料

4．1．2 制浆工艺流程

4．1．3 木片预处理

4．1．4 挤压疏解

4．1．5 一段磨浆

4．1．6 二段磨浆

4．1．7 游离度的测定

4．1．8 纤维束含量分析

4．1．9 纤维质量分析

4．1．10 纤维筛分分析

4．1．11 酶溶液的配制

4．1．12 酶预处理

4．1．13 抄片及纸张性能测定

4．2 结果与讨论

4．2．1 PFI磨磨浆转数的确定

4．2．2 生物酶预处理对马尾松TMP纤维束含量的影响

4．2．3 生物酶预处理对马尾松TMP纤维筛分结果的影响

4．2．4 生物酶预处理对马尾松TMP纤维形态分析结果的影响

4．2．5 纤维素酶用量对纸浆强度的影响

4．2．6 木聚糖酶用量对纸浆强度的影响

4．3 本章小结

5 生物酶预处理对马尾松TMP湿部化学性质的影响

5．1 实验

5．1．1 实验原料

5．1．2 制浆工艺流程

5．1．3 木片预处理

5．1．4 挤压疏解

5．1．5 一段磨浆

5．1．6 二段磨浆

5．1．7 酶预处理

5．1．8 游离度的测定

5．1．9 动态滤水性测定

5．1．10 纸浆Zeta电位的测定

5．1．11 阳离子需求量的测定

5．2 结果与讨论

5．2．1 生物预处理对马尾松TMP游离度的影响

5．2．2 生物酶预处理对马尾松TMP阳离子需求量的影响

5．2．3 生物酶预处理对马尾松TMP动态滤水时间的影响

5．2．4 生物酶预处理对马尾松TMPZeta电位的影响

5．3 本章小结

6 生物酶预处理马尾松TMP的作用机理研究

6．1 实验

6．1．1 实验原料

6．1．2 制浆工艺

6．1．3 零距抗张强度测定

6．1．4 内结合强度测定

6．1．5 X射线衍射分析

6．1．6 接触角的测定

6．1．7 热失重测定

6．1．8 红外光谱分析

6．1．9 原子力显微镜分析

6．1．10 扫描电镜分析

6．2 结果与讨论

6．2．1 生物酶预处理对马尾松TMP零距抗张强度的影响

6．2．2 生物酶预处理对马尾松TMP内结合强度的影响

6．2．3 生物酶预处理对马尾松TMP纤维素结晶度的影响

6．2．4 生物酶预处理对马尾松TMP纤维热稳定性能的影响

6．2．5 生物酶预处理对马尾松TMP接触角的影响

6．2．6 马尾松TMP红外光谱分析

6．2．7 纤维表面二维形貌分析

6．2．8 纤维表面三维形貌分析

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 本论文的创新之处

7．3 论文的不足之处及对今后研究工作的建议

致谢

参考文献

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