摘要:为了解决造纸废液污染、有效利用废弃资源,以造纸废液为原料,采用喷雾干燥法制备木质素超细粉,在小试 的基础上,对工业化制备条件及影响因素进行了讨论。确定出制备木质素超细粉的最佳工艺条件为:喷雾进料温 度50―60℃、进料质量分数20%―25%、进风温度190℃、出风温度70℃、进料流量150 mL/min、雾化压力 2. 3MPa、喷嘴孔径0. 8 mm,制得的木质素超细粉粒径为20―100 nm,比表面积37. 8―455. 6 m2/g。结果表明,采 用喷雾干燥法处理造纸废液可得到木质素超细粉。
关键词:压力式喷雾;木质素;粒径
中图分类号:TQ 028. 6 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2008)07-0001-04
每年全国各类造纸厂造纸废液所产生的工业木 质素大约有200万,t目前只有少量被利用,大部分 随同废液排入江河湖海,造成了严重的环境污染和 资源浪费[1]。因此,工业木质素的利用成为解决造 纸废液污染的重要问题。国内外主要有碱回收和木 质素提取二大类方法[2],木质素可用作表面活性剂 或用于高分子工业如树脂、塑料、橡胶等工业。由于 木质素分子上大量的酚羟基和醇羟基,分子间的氢 键作用十分强烈,一般情况下木质素的颗粒比较大, 严重影响了补强效果。采用粉碎研磨技术只能使木 质素的粒径从2―5μm降到1―3μm,补强效果几 乎为0。国外有文献报道[3],利用射流装置可以将 100―300 nm的尺寸分散于丁腈橡胶(NBR)中,表 现出良好的补强效果。故可认为,木质素粒径的减 小对于改善木质素在橡胶中的分散具有重要意 义[4]。喷雾干燥[4]能否用于木质素超细粉的制备, 迄今为止,未见有关小试和工业化试验的研究报道。 因此本文在小试的基础上,采用压力式喷雾器对木 质素进行工业化干燥试验制得固体超细粉末。木质 素原料由麦草碱法制浆所得黑液经粗提而得,将其 配成不同质量分数的料液进行试验。
1 工业试验流程与研究方法
1.1 干燥工艺流程
干燥工艺流程如图1所示。将料液抽滤去杂质, 经高压泵增压,送到塔顶喷雾喷嘴处、最后喷入干燥 塔中进行干燥。空气经由鼓风机到过滤器、加热器预 热后,由塔顶进入塔内与雾化了的雾滴进行质热交换,完成瞬时成型、瞬时蒸发和瞬时干燥,从而得到细 小的木质素粉末。木质素粉末经锥形部分到一级旋 风分离器中进一步干燥,并与废气分离,然后由干燥 塔底部接料桶和旋风分离器下部接料桶收集。废气 带走的细粉由二级旋风分离器分离回收,含微量粉尘 的废气由排风机送经水沫除尘器除尘后排空。
1.2 试验步骤
主要试验步骤为:①以造纸废液为原料,首先进 行小试工艺条件的研究,然后进行工业化生产规模 试验,以得工业试验参数;②比较小试工艺条件与工 业化试验的结果,分析引起误差的原因;③抓住问题 的关键,合理调整试验参数,再进行试验,寻求最佳 工艺条件。
1.3 粒子表征
颗粒大小及形貌用日本日立H-600型投射电子 显微镜测定(TEM);比表面积a采用ST-03型表面 孔径测定仪(北京分析仪器厂生产)按低温氮吸附 法进行测定。
1.4 小试工艺条件的选择
1.4.1 试验安排及结果
由于喷雾干燥影响因素较多,作者在大量单因 素试验研究的基础上,进行多因素正交设计试 验[5],选用四因素三水平正交设计法,各试验的相 同条件是同一进料质量分数wf、喷嘴孔径D、喷嘴压 力p,其他试验条件、安排和结果列于表1。
根据上述因素水平表列出L9(34)正交试验表, 按此进行试验,考察指标为喷雾干燥后粉末的含水 质量分数,以最小者为佳.
1.4.2 试验结果分析
试验结果分析采用极差分析法。结果是各因素 最优化水平为进料温度50―60℃,进风温度 190℃,进料流量150mL/min,出风温度60―70℃。
2 工业试验设计与优化
2.1 工业试验装置主要参数的选择
由于不同的产品具有不同的干燥工艺和分离规 则,没有能适用各种不同要求的单一喷雾干燥机型, 实验是正确选型的基础。因此,作者根据小试的最佳 工艺参数,进行了工业化装置的工艺参数优化选择试 验,采用YPG型压力式喷雾干燥机,完成了工业化试 验研究。所选干燥机的主要性能指标见表2。
2.2 主要工艺参数的优化
在小试的基础上,再一次对工业化装置的原料 配比、雾化压力、进料流量进行了优化研究,发现工 业化后,部分参数与小试差别较大。
2.2.1 原料中含固质量分数对产品颗粒粒径的影响
将造纸废液配成不同质量分数的溶液,以同样 的流量送入干燥塔,得到不同的粉末粒径d,对试样 进行检测,其结果如图2所示。
结果表明,当进料溶液质量分数较低时,粒径较 小,比表面积较大。这是因为当进料溶液黏度低时, 雾化效果好,形成的雾化液滴分散性很好,在压力喷 雾喷头内,液体在涡旋室以旋转运动方式井喷最小 孔向外喷成雾状,经预热空气流产生急剧的摩擦,变 成非常细小的颗粒,因此,比表面积也大;当进料黏 度增大时,在雾化器中,雾化成的液滴质量分数也相 应地增大,干燥时增大了颗粒之间的碰撞,阻碍了液 滴向器壁喷射的速度,这样形成的颗粒较粗,比表面 积也小,从获得的透射电镜图片发现,产品颗粒的均 匀性较差,适宜的进料质量分数为20%―25%。
2.2.2 不同的进料流量对粉末粒度的影响
小试时最佳工艺条件下流量大小与工业化差别较 大,笔者根据工业化装置的处理量,对进料流量qf进行 了调整,配制相同质量分数为20%的料液,控制不同的 进料流量,制备粉末试样,其检测结果如图3所示。
结果表明,当进料流量大时,其颗粒的平均粒径 较大,尤其是粗颗粒比较多,均匀性较差,比表面积也小。这是因为当进料流量大时,在喷雾干燥室中 产生的液滴质量分数大,干燥后水分来不及挥发,液 滴就聚合凝结变成大液珠干燥后变成大颗粒,所以 比表面积也下降。
当进料流量较低时,其颗粒的平均粒径较小,这 是因为当进料流量较低时,在干燥室,喷入料液和水 分干燥蒸发速度达到平衡,很少产生液滴再聚成液 珠,以同样速度向器壁散射,因而能得到较细且均匀 的粉末颗粒,其分布也比较均匀,而粒度越细比表面 积越大,当流量达到一定值时,比表面积和平均粒径 非常接近,可见在同质量分数的料液中,适宜的进料 流量为120―140 L/h。
2.2.3 喷嘴压力对粉末粒度的影响
料液质量分数为20%,料液停留时间30 s,进 料温度50℃,雾化压力在1. 85―2. 62 MPa之间进 行试验,其结果见图4。
结果表明,随着雾化压力的增加,产品的粒径将 逐渐减小,当增加到一定程度时,变化不明显,故选 用2. 30MPa的雾化压力为宜。
2.2.4 喷嘴孔径对颗粒粒径的影响
料液质量分数20%,料液停留时间30 s,进料 温度50℃,雾化压力2. 3 MPa,改变喷嘴孔径的大 小,测定产品颗粒的粒径,结果列于表5中。
结果表明,随着雾化器喷嘴孔径的减小,颗粒粒 径也随着减小,但当减小到一定程度时,喷雾干燥喷 头堵塞,试验不成功,故选用孔径为0. 8 mm以上的 喷头。产品颗粒粒径细的在20―50 nm之间,粗的 在50―100 nm之间。
2.3 喷雾干燥法所得样品的透射电镜分析 对最佳条件下得到的产品进行透射电镜检测, 结果看出,产品的粒度小,粒径分布介于10― 100 nm之间,见图6。
3 结论
(1)采用压力式喷雾干燥法,选择不同的工艺制 备条件可获得比较均匀细小的颗粒,比表面积也较大。
(2)产品的颗粒分布的性质与进料液的质量分 数有关,也与其喷雾时的进料流量有关。
(3)试验喷嘴压力为2. 3MPa。孔径为0. 8 mm 时,得到10―100 nm粉体细粒,该方法是最简便经 济的把液体原料粉末化的方法,无污染。
参考文献:
[1] 张珂,周恩毅.我国小草浆厂蒸煮废液治理技术研究 [J].中国环境科学, 1992, 12(1): 61-66.
[2] 张珂,周恩毅.造纸工业蒸煮废液的综合利用与污染 防治技术[M].北京:中国轻工业出版社, 1992.
[3] 钟汉权,王迪珍,杨军,等.细粒子木质素的制备及其 对NBR补强作用[J].橡胶工业, 2001, 48(1): 20-24.
[4] 《化学工程手册》编辑委员会.化学工程手册.第5分 册[M].北京:化学工业出版社, 1989.
[5] 北京大学概率统计组.正交设计[M].北京:人民教育 出版社, 1976: 16-24.
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