專利名稱:造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法及生產(chǎn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，還涉及這種材料的生產(chǎn)裝置。
背景技術(shù)：
目前世界上從制漿廢液中研制開發(fā)的木質(zhì)素產(chǎn)品已達(dá)二百多種，廣泛用于建筑、石油、冶金、化工、制藥等二十多個(gè)領(lǐng)域。但尚未發(fā)現(xiàn)將木質(zhì)素改性制作固沙材料并在固沙綠化中成功應(yīng)用的范例。
國際上較流行的常用化學(xué)固沙材料約六十余種，如乳化瀝青、乳化原油、合成樹脂或有機(jī)膠乳、無機(jī)乳、高分子聚合物等，國內(nèi)使用較多的有瀝青乳劑、野生植物合成化學(xué)乳劑、動(dòng)物膠等，這些產(chǎn)品固沙效果雖好，但主要問題是成本太高、生物降解困難，特別是難以與生物固沙措施相結(jié)合，無法大面積推廣。

發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法及其生產(chǎn)裝置，這種固沙材料的成本低，可生物降解，可與生物治沙措施相結(jié)合，適于大面積推廣。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，包括順序進(jìn)行的下列步驟(1)含有木質(zhì)素的制漿廢液的濃縮；(2)將濃縮后的制漿廢液和醛類化合物投入反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)；(3)在反應(yīng)釜中加入尿素和醛類化合物進(jìn)行反應(yīng)；(4)在反應(yīng)釜中加入固化劑并混合。
所述制漿廢液可采用以植物為原料、以堿法制漿或亞硫酸鹽制漿產(chǎn)生的廢液。
所述步驟(1)對(duì)制漿廢液的濃縮主要可以采用蒸發(fā)方法，濃縮后的廢液濃度為15～50％，優(yōu)選25～35％。
所述反應(yīng)釜可以采用帶有攪拌機(jī)構(gòu)的常壓反應(yīng)釜。
所述步驟(2)的工藝參數(shù)范圍通?？梢钥刂圃谀举|(zhì)素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.2～2)，溫度為40～100℃，時(shí)間為1.5～5小時(shí)，初始pH值為8～12，優(yōu)選的工藝參數(shù)范圍是木質(zhì)素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.5～1)，溫度為50～60℃，時(shí)間為3～5小時(shí)，初始pH值為8～10。
所述步驟(3)的工藝參數(shù)范圍通?？梢钥刂圃诟男阅举|(zhì)素、尿素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.2～4)∶(0.2～4)，溫度為60～120℃，時(shí)間為1～8小時(shí)，初始pH值為5～9，優(yōu)選的工藝參數(shù)范圍是改性木質(zhì)素、尿素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.5～1)∶(0.5～1)，溫度80～100℃，時(shí)間2～4小時(shí)，初始pH值6～8。
所述醛類化合物主要采用甲醛或乙醛，或甲醛和乙醛任意比例的混合物。
所述固化劑可以采用氯化銨、無水乙二胺、對(duì)甲苯磺酸、順丁烯二酸酐、雙氰胺以及乙二醇二乙酯等水溶性的在沙漠自然條件下可以固結(jié)的固化劑，其添加量可以是0.5～2％(以固體固沙材料總重為基數(shù))。
一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的生產(chǎn)裝置，主要由依次連接的預(yù)熱器、濃縮裝置、濃黑液槽、反應(yīng)釜、成品液槽和噴霧干燥機(jī)構(gòu)成。
由于本發(fā)明采用造紙制漿廢液為原料，通過與甲醛(或乙醛)和尿素的一系列改性和合成反應(yīng)，形成了木質(zhì)素-尿醛交聯(lián)產(chǎn)物，并在其中添加了固化劑，可以在自然條件下固結(jié)，同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列多種有益效果(1)可迅速有效地在流動(dòng)沙丘表面與沙粒形成固結(jié)層，并具有良好的抗風(fēng)蝕和抗雨蝕性能；(2)對(duì)動(dòng)植物和環(huán)境無毒無害，可被自然界微生物降解；(3)固沙材料中的木質(zhì)素為腐殖質(zhì)的原生體，噴施后可提高沙土中有機(jī)質(zhì)的含量，可改良土壤；(4)具有較好的吸濕、保水功能，可減少地表水分的蒸發(fā)；
(5)固沙材料中含有木質(zhì)素酸鈉植物生長調(diào)節(jié)劑和氮、鉀及其它利于植物生長的微量元素，可有效促進(jìn)植物的生長；(6)廢棄物資源化利用，固沙成本低；(7)固沙-綠化一次成型，為造紙企業(yè)營建新的原料基地。
圖1是本發(fā)明固沙材料制備方法的流程示意圖；圖2是本發(fā)明固沙材料生產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明生產(chǎn)裝置中涉及濃縮裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式參見圖1，本發(fā)明固沙材料的制備方法主要以植物纖維(草類原料、竹、木材)制漿廢液為原料，經(jīng)過濾、蒸發(fā)濃縮后進(jìn)行化學(xué)改性，改性產(chǎn)物經(jīng)噴霧干燥后制備木質(zhì)素固沙材料。濃縮的制漿廢液送至反應(yīng)釜內(nèi)，根據(jù)工藝要求添加改性所需的交聯(lián)劑、固化劑等化學(xué)藥品與濃縮液混合均勻，按常規(guī)方法調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，加熱至規(guī)定溫度并保溫一定時(shí)間，即可完成木質(zhì)素的交聯(lián)改性，制成木質(zhì)素固沙材料。如在沙化地區(qū)就近制作木質(zhì)素固沙新材料，無需噴霧干燥，直接運(yùn)輸至治沙現(xiàn)場加水稀釋后即可噴灑。如需遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，則需經(jīng)噴霧干燥制成干粉后運(yùn)至治沙現(xiàn)場，如此可節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用，延長產(chǎn)品使用期限。具體操作為首先，來自造紙蒸煮車間的漿料經(jīng)提取洗滌后，提取廢液經(jīng)纖維過濾機(jī)除去纖維性物質(zhì)后進(jìn)入稀液槽，再用進(jìn)料泵送入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，這就是所述的步驟(1)。由于廢液的粘度特性與制漿原料(稻草、麥草制漿廢液粘度較高，蘆葦、蔗渣、竹子等的制漿廢液粘度居中，木材制漿廢液粘度相對(duì)較低)和蒸煮方法(亞硫酸鹽法制漿廢液粘度低于堿法制漿廢液)有關(guān)，因此出蒸發(fā)裝置的廢液濃度應(yīng)根據(jù)不同制漿原料廢液的粘度特性而定，以反應(yīng)條件下反應(yīng)釜內(nèi)物料流動(dòng)性良好為宜。利用非木材原料(如禾草、竹子等)制漿廢液制備木質(zhì)素固沙材料的成本較低，但廢液中含有較多的二氧化硅和碳水化合物降解產(chǎn)物，蒸發(fā)時(shí)容易結(jié)垢，為保證蒸發(fā)效率和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)采取經(jīng)常除垢措施。
經(jīng)過濃縮后，制漿廢液和醛類化合物投入反應(yīng)釜中進(jìn)行步驟(2)的反應(yīng)，主要是制漿廢液與醛類化合物進(jìn)行的木質(zhì)素改性反應(yīng)，其反應(yīng)的本質(zhì)是木質(zhì)素的羥甲基化和/或羥乙基化?？紤]到反應(yīng)活性，所述步驟(2)和步驟(3)中的醛類化合物主要采用甲醛、或乙醛、或甲醛和乙醛任意比例的混合物。反應(yīng)可在常壓反應(yīng)釜中進(jìn)行，所述反應(yīng)釜應(yīng)帶冷凝系統(tǒng)、溫度控制、物料進(jìn)出口和攪拌機(jī)構(gòu)等，以便提供投料、溫度控制和攪拌等各種條件。常用的工藝參數(shù)為木質(zhì)素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.2～2)，例如1∶0.2、1∶0.5、1∶0.7、1∶1、1∶2，溫度40～100℃，時(shí)間1.5～5小時(shí)，pH值8～12，反應(yīng)濃度15～50％(由于尿素、甲醛和/或乙醛對(duì)反應(yīng)體系粘度影響很小，可忽略不計(jì)，實(shí)踐中該濃度就是濃縮后的制漿廢液濃度)，優(yōu)選的工藝參數(shù)為木質(zhì)素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.5～1)，溫度在50～60℃，時(shí)間3～5小時(shí)，pH值8～10，反應(yīng)濃度25～35％。對(duì)于反應(yīng)濃度的選擇，應(yīng)考慮各工序的總成本以及實(shí)際操作的可能性，更高或更低的濃度在理論上是可行的，但可能會(huì)造成操作上的不便或過高的生產(chǎn)成本。
所述步驟(3)主要是將羥甲基化和/或羥乙基化木質(zhì)素再與尿素、醛類化合物進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，該交聯(lián)反應(yīng)需控制的工藝參數(shù)包括反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物摩爾比、溫度、時(shí)間及pH值，各工藝參數(shù)的控制范圍為羥甲(乙)基化木質(zhì)素、尿素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.2～4)∶(0.2～4)，例如1∶0.2∶0.2、1∶0.7∶0.7、1∶1∶1、1∶0.2∶0.2、1∶2∶2、1∶4∶4，反應(yīng)溫度為60～120℃，反應(yīng)時(shí)間1～8小時(shí)，反應(yīng)初始pH值5～9。優(yōu)選的工藝范圍為羥甲基化木質(zhì)素或羥乙基化木質(zhì)素與尿素、甲醛(或乙醛)的摩爾比為1∶(0.5～1)∶(0.5～1)，反應(yīng)溫度為80～100℃，反應(yīng)時(shí)間2～4小時(shí)，反應(yīng)初始pH值6～8，最終生成木質(zhì)素-尿醛的交聯(lián)產(chǎn)物。
上述步驟(3)的反應(yīng)原理上類似于木質(zhì)素磺酸鹽制備膠粘劑，但所采用的木質(zhì)素是經(jīng)過預(yù)先羥甲(乙)基化改性的，與交聯(lián)劑更容易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。并且，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物摩爾比、反應(yīng)溫度和時(shí)間等即可對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的分子量和固結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行合理調(diào)控，適用于目前常用的全部化學(xué)制漿(亞硫酸鹽法制漿和堿法制漿)廢液的改性。
未經(jīng)羥甲(乙)基化的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)為
經(jīng)過羥甲(乙)基化的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)為 與尿素相比，木質(zhì)素與醛類物質(zhì)的聚合較慢。因此，所述步驟(3)的反應(yīng)更多的是尿素與醛類物質(zhì)反應(yīng)形成尿醛樹脂，但尿醛能進(jìn)一步與羥甲基化的木質(zhì)素發(fā)生脫水交聯(lián)。因此合成產(chǎn)物中具有較多“木質(zhì)素-尿醛-木質(zhì)素”結(jié)構(gòu)的交聯(lián)產(chǎn)物。再加入0.5～2％(以固沙材料為基準(zhǔn))的固化劑(例如氯化銨、無水乙二胺、對(duì)甲苯磺酸、順丁烯二酸酐、雙氰胺、乙二醇二乙酯等)，即制成了水溶性、自然條件下可以固結(jié)的聚合物。將這種固沙材料噴施于沙丘表面，在6～24小時(shí)內(nèi)即可與沙粒粘合，在沙丘表面形成固結(jié)層。這一固結(jié)層可有效地抵御風(fēng)蝕，為植物創(chuàng)造穩(wěn)定的生長環(huán)境，并有一定的吸水和保水功能，有利于沙生植物的生根、發(fā)芽和生物量積累。因此利用制漿廢液制備的木質(zhì)素固沙材料的一個(gè)重要功能是可與植被恢復(fù)相結(jié)合，可用于沙漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。
參見圖2和圖3，本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述方法的生產(chǎn)裝置，該生產(chǎn)裝置主要由依次連接的預(yù)熱器2、濃縮裝置15、濃黑液槽14、反應(yīng)釜13和成品液槽12和噴霧干燥機(jī)6構(gòu)成，所述預(yù)熱器連接廢液管道1，廢液經(jīng)過廢液管道進(jìn)入預(yù)熱器預(yù)熱，經(jīng)過濃縮裝置濃縮后進(jìn)入濃黑液槽，然后按所需量送入反應(yīng)釜，在反應(yīng)釜內(nèi)與按比例送入的醛類化合物(甲醛和/或乙醛)以及尿素進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)，最終形成本發(fā)明固沙材料的溶液進(jìn)入成品液槽，經(jīng)噴霧干燥后成為固體產(chǎn)品。
所述濃縮裝置15可以由單效或多效蒸發(fā)器相互串聯(lián)而成。例如圖3給出了一種由4效蒸發(fā)器1501、1502、1503和1504相互串聯(lián)而成的濃縮裝置，以提高濃縮效果。
所述各蒸發(fā)器可以設(shè)有循環(huán)管道1511和循環(huán)泵1512，用于為物料的流動(dòng)提供動(dòng)力和通道。
所述單效或多效蒸發(fā)器(圖3以4效蒸發(fā)器為例)中的末效蒸發(fā)器蒸汽出口連接有冷凝器1520，所述冷凝器設(shè)有冷卻水的進(jìn)、出管道1521、1523，其凝結(jié)水出口連接凝結(jié)水泵1522，用于進(jìn)行蒸汽的冷凝處理和回收利用。
所述反應(yīng)釜13設(shè)有藥劑投料口或投料管道4，用于甲醛、乙醛和尿素等的投料，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)構(gòu)，用于對(duì)物料進(jìn)行攪拌，以達(dá)到良好的混合狀態(tài)。
所述成品液槽12后面可以連接有噴霧干燥機(jī)6，所述噴霧干燥機(jī)設(shè)有熱風(fēng)管道，所述熱風(fēng)管道和所述成品液槽的輸出管道連接后，接入噴霧干燥機(jī)的進(jìn)口，在干燥機(jī)內(nèi)進(jìn)行噴霧，把液態(tài)產(chǎn)品干燥成固體，形成固體產(chǎn)品，以便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)。
所述噴霧干燥機(jī)6設(shè)有旋風(fēng)分離器10，實(shí)現(xiàn)噴霧干燥后的固氣分離，其固體產(chǎn)品出口連接料倉9，尾氣出口連接尾氣凈化器7，所述尾氣凈化器通?？梢圆捎孟礈靸艋鳎⒃O(shè)有用于排放凈化后尾氣的排放管8。
所述各設(shè)備之間的連接均可以通過管道3連接，前一設(shè)備的出料口連接后一設(shè)備的進(jìn)料口，以實(shí)現(xiàn)物料的傳輸。管道上可以設(shè)有若干泵11和若干閥門，以提供動(dòng)力和進(jìn)行調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，包括順序進(jìn)行的下列步驟(1)含有木質(zhì)素的制漿廢液的濃縮；(2)將濃縮后的制漿廢液和醛類化合物投入反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)；(3)在反應(yīng)釜中加入尿素和醛類化合物進(jìn)行反應(yīng)；(4)在反應(yīng)釜中加入固化劑并混合。
2.如權(quán)利要求
1所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，其特征在于所述制漿廢液是以植物纖維為原料、采用堿法制漿或亞硫酸鹽制漿產(chǎn)生的廢液，所述步驟(1)對(duì)制漿廢液的濃縮主要采用蒸發(fā)方法，濃縮后的廢液濃度為15～50％。
3.如權(quán)利要求
2所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，其特征在于所述反應(yīng)釜采用帶有攪拌機(jī)構(gòu)的常壓反應(yīng)釜，所述醛類化合物采用甲醛、或乙醛、或甲醛和乙醛任意比例的混合物，所述固化劑采用氯化銨、無水乙二胺、對(duì)甲苯磺酸、順丁烯二酸酐、雙氰胺或乙二醇二乙酯，所述固化劑的添加量是固體固沙材料總重的0.5～2％。
4.如權(quán)利要求
1、2或3所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)的工藝參數(shù)范圍控制在木質(zhì)素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.2～2)，溫度為40～100℃，時(shí)間為1.5～5小時(shí)，初始pH值為8～12。
5.如權(quán)利要求
1、2或3所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，其特征在于所述步驟(3)的工藝參數(shù)范圍控制在改性木質(zhì)素、尿素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.2～4)∶(0.2～4)，溫度為60～120℃，時(shí)間為1～8小時(shí)，初始pH值為5～9。
6.如權(quán)利要求
1、2或3所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)濃縮的制漿廢液濃度為25～35％，所述步驟(2)的工藝參數(shù)范圍是木質(zhì)素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.5～1)，溫度為50～60℃，時(shí)間為3～5小時(shí)，初始pH值為8～10，所述步驟(3)的工藝參數(shù)范圍是改性木質(zhì)素、尿素和醛類化合物的摩爾比為1∶(0.5～1)∶(0.5～1)，溫度80～100℃，時(shí)間2～4小時(shí)，初始pH值6～8。
7.一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的生產(chǎn)裝置，其特征在于主要由依次連接的預(yù)熱器、濃縮裝置、濃黑液槽、反應(yīng)釜、成品液槽和噴霧干燥機(jī)構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求
7所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述預(yù)熱器連接廢液管道，所述濃縮裝置由單效或多效蒸發(fā)器相互串聯(lián)而成，所述各蒸發(fā)器設(shè)有循環(huán)管道和循環(huán)泵，其中的末效蒸發(fā)器的蒸汽出口連接有冷凝器，所述冷凝器設(shè)有冷卻水的進(jìn)、出管道，其凝結(jié)水出口連接凝結(jié)水泵。
9.如權(quán)利要求
8所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述反應(yīng)釜設(shè)有藥劑投料口或投料管道，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有攪拌機(jī)構(gòu)，所述噴霧干燥機(jī)設(shè)有熱風(fēng)管道，所述熱風(fēng)管道和成品液槽的輸出管道連接后接入設(shè)有旋風(fēng)分離器的噴霧干燥機(jī)的進(jìn)口，所述旋風(fēng)分離器的固體產(chǎn)品出口連接料倉。
10.如權(quán)利要求
9所述的造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的生產(chǎn)裝置，其特征在于所述旋風(fēng)分離器尾氣出口連接洗滌凈化器，所述洗滌凈化器，設(shè)有排放凈化后尾氣的排放管。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種造紙制漿廢液木質(zhì)素改性固沙材料的制備方法及生產(chǎn)裝置。該方法包括順序進(jìn)行的下列步驟(1)含有木質(zhì)素的制漿廢液的濃縮；(2)將濃縮后的制漿廢液和醛類化合物投入反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)；(3)在反應(yīng)釜中加入尿素和醛類化合物進(jìn)行反應(yīng)；(4)在反應(yīng)釜中加入固化劑并混合。通過上述步驟，生成具有較多“木質(zhì)素－尿醛－木質(zhì)素”結(jié)構(gòu)的交聯(lián)產(chǎn)物，經(jīng)過噴霧干燥后可形成固體產(chǎn)品。該生成設(shè)備主要由依次連接的預(yù)熱器、濃縮裝置、濃黑液槽、反應(yīng)釜、成品液槽和噴霧干燥機(jī)構(gòu)成。本發(fā)明的固沙材料變廢為寶，生產(chǎn)成本低，噴施于沙丘表面后6～24小時(shí)即可在沙丘表面形成固結(jié)層，并可生物降解，適于與植被恢復(fù)相結(jié)合用于大面積沙漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)。
文檔編號(hào)C09K101/00GK1995280SQ200610165377
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月19日
發(fā)明者金永燦, 李忠正, 王漢杰, 楊益琴 申請(qǐng)人:金永燦, 王漢杰導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan