废纸制备羧甲基纤维素钠及其在抑尘剂中应用的研究

赵开楼,徐海云,秦诗雨,刘梦怡

(河南应用技术职业学院 河南省绿色化工工程技术研究中心,河南 郑州 450042)

废纸中含有大量的膳食纤维素,保存了大部分天然纤维结构和功能性,经济效益高,应用广泛[1-3]。对废纸中二次纤维回收使用,不但环保,而且减少了能耗。对保持地球生态平衡有益,还可以产生很大的经济效益和社会效益。王新平等[4]以废纸为原材料生产羧甲基纤维素(CMC),试验结果:当废纸、氢氧化钠溶液与醚化剂的质量比为1.2∶0.9∶1.2时,得到了有效成分大于85%的产物。傅丹宁等[5]根据高温常压碱蒸煮法获得精制纤维素,随后以甲醇为溶液制备高取代性羧甲基纤维素(CMC),优化了CMC的制备工艺。但是目前从废纸中提取纤维素的方法普遍反应时间长,效率较低[6]。大气污染是由多种因素造成的。其中,粉尘为首要因素,如果扬尘中的微粒在空气中停留过久,不仅有碍于动植物的健康,而且当粉尘聚集到一定浓度会发生爆炸;或者对一部分精密机械设备造成损伤等等[7-8]。因此,怎样减少粉尘产生的问题已经引起相关学者们地高度重视。目前粉尘治理的方法有很多种,其中抑尘剂使用较为普遍,但是目前市场上抑尘剂多为化学物质复配而成,在使用过程中常会导致对环境的二次污染。本文采用高压反应釜从废纸中提取羧甲基纤维素钠,然后再以羧甲基纤维素钠为基质,辅以天然植物胶和硅酸钠等制备出可降解、低成本、无毒无害的高效抑尘剂。

1 实验部分

1.1 实验设备和试剂

氯乙酸,AR,上海麦克林生化科技有限公司;十二烷基磺酸钠,AR,上海麦克林生化科技有限公司;聚乙烯醇,AR,上海麦克林生化科技有限公司;黏度计,上海方瑞仪器有限公司;BYZ系列表面张力仪,上海方瑞仪器有限公司。

1.2 实验部分

1.2.1 纤维素的制备

称取废报纸197.74 g彻底粉碎,用稳定性二氧化氯溶液进行脱色处理。称取脱色干燥后的废报纸70.42 g彻底粉碎,在水中煮沸2 h,配制4%的NaOH溶液(准备76.24 g固体氢氧化钠放在干燥洁净的烧杯里,加入少量水搅拌,溶解后加入一定量的水)然后,将全部纸浆在4%的氢氧化钠溶液中煮沸3 h。用稀盐酸来调节pH值(6～7)。最后,用无水乙醇在砂心漏斗中清洗和过滤纸张,干燥。

1.2.2 羧甲基纤维素钠的制备

取10 g精制纤维素,在250 mL 95%乙醇溶液中加热;加入10 g氢氧化钠,在恒温35 ℃的水浴中反应1 h(10∶10～11∶10),在碱化溶液中加入15 g氯乙酸和50 mL无水乙醇的混合溶液,温度升高至70 ℃,恒温搅拌1 h(15∶23～16∶23左右),用稀盐酸中和反应pH值(6～7)。盐酸中和后的中性产品在37 μm(400目)的滤网袋中用无水乙醇过滤,干燥得到CMC。将装有300 mL水的烧杯放入水浴中,温度调整至85 ℃,从废纸中提取的CMC缓慢均匀地分散到水中。

1.2.3 抑尘剂复配

将上述过程制备的CMC在恒温60 ℃以上,按表1所列配方分别配置成不同浓度的抑尘剂。

表1 实验配方 单位:g

配方一的实验浓度:1%,2%,3%,4%;配方二的实验浓度:0.5%,1%,1.5%,2%;配方三的实验浓度:1%,2%,3%,4%。

1.2.4 抑尘剂的性能表征

1.2.4.1 渗透性能测试

提前准备10个玻璃管,并分别在玻璃管内添加提前过筛后的适量的土样,振动夯实后保持土样在玻璃管内高度相同;之后在对应的玻璃管中分别加入不同质量浓度的抑尘剂2 mL,然后沿管壁将胶头滴管内的抑尘剂慢慢滴加至土样玻璃管中,从抑尘剂开始滴入时计时,设定时间为20 min。在渗透时间和加入抑尘剂剂量都相同的情况下,渗透深度越深,则表示抑尘剂渗透性能越好。

1.2.4.2 保水效果测试

首先准确称取已经过筛后的土样[74 μm(200目)]70 g左右,将其置于圆形玻璃培养皿上,轻轻振动夯实后,平铺成厚度约为20～30 mm的圆形土体;然后再用电子天平精准称量土体和玻璃培养皿的质量;最后,分别均匀喷洒相同质量抑尘剂在土样表面,将土体置于干燥通风的环境中,隔6或者24 h,称量土体质量共10组,再计算该测试的保水率。

式中:WII——6 h/24 h后土体质量+圆形玻璃培养皿;W0——土体初始质量+圆形玻璃培养皿;WI——土体喷洒抑尘剂后的质量+圆形玻璃培养皿。

1.2.4.3 抗风蚀效果测试

抗风蚀效果测试是以风蚀后的样品质量与其原质量的差再比上其原质量的结果为指标来反映抑尘剂的抗风蚀成效;这是抑尘剂的性能表征中最直观的方式。首先称取60 g左右已经过筛后的土样[74 μm(200目)],将其置于圆形玻璃培养皿(D=90 mm)中,铺垫均匀平整,再往上面喷洒25 g左右的抑尘剂,置于通风干燥的环境下让其自然晾干。直至土样表面形成固化层,再进行称重。使用一台鼓风机模拟分别自然风和强风两种情况下,对土样分别进行测试。用风速仪测定的风速分别设定为6～7 m/s和12～13 m/s,每个土样每次风蚀5 min后称重,每个风速称量四次,最后按下式计算质量损失率。

式中:m1是固化后土体的质量,g;m2为5,10,15,20 min后土体的质量,g。

1.2.4.4 黏度测试

首先,根据被测液体大概的黏度范围选择合适的转子和转速,然后再使用适合的转子和转速分别测出不同配比、不同质量浓度抑尘剂的黏度。

1.2.4.5 表面张力测试

首先,将表面张力仪调平衡,选择适宜长度的挂钩进行连接,然后利用BYZ系列表面张力仪按照质量浓度从小到大依次测出不同配比抑尘剂的表面张力。

1.2.4.6 硬度测试

利用硬度计测出加入不同配比、不同质量浓度的抑尘剂土体固化后的硬度。

2 结果与讨论

2.1 提取方法对CMC制备的影响

图1左侧是恒温水浴法制备的CMC,图1右侧是高压反应釜法制备的CMC,两者比较来看:左侧加水成胶后颜色较暗,溶解后有少量沉淀;右侧可以在水中均匀分散形成胶状物质,且静置一段时间后,未发现沉淀产生。因此,选择高压反应釜法制备CMC,产率更高,提取率更高,成胶性能更好。

图1 CMC产品

2.2 不同质量浓度、配方的抑尘剂对黏度的影响

不同配方和浓度对抑尘剂溶液黏度的影响如图2所示。由图2可知,同一配方的抑尘剂质量浓度越大,黏度也越大。在相同浓度下,配方不同溶液黏度也不同。其中,配方二的黏度较小,但比水稍大;配方一和配方三的黏度较大。质量浓度为1%,2%,3%的配方三的黏度都大于配方一,但配方三4%的浓度小于配方一4%。溶液黏度越高,喷洒阻力会越大,会造成喷射设备管路堵塞,破坏设备;在黏度愈低,溶液的喷洒阻力越小,且抑尘剂更易分散,雾化程度高,但是,浓度太小,成膜性能及抗风蚀性能都会随之降低,因此,要选择合适的浓度以使其不但具有合适的黏度同时还具有良好的使用效果,通过分析可知,配方三的1%,2%,3%以及配方一的1%,2%的抑尘剂溶液黏度较好。

2.3 不同质量浓度、配方的抑尘剂对表面张力的影响

不同配方和浓度对抑尘剂溶液表面张力的影响如图3所示。表面张力越小,湿润性越好。由图3可知,水和硅酸钠的黏度较高。配方一和配方三的抑尘剂溶液黏度较小时,溶液的黏结性较小,表面张力随着黏度的增大而减小;在黏度大于一定值时,配方一和配方三的质量浓度在2%～4%以及配方二的质量浓度在1.5%～2%时,表面张力逐渐增大,润湿性减小。因此,当抑尘剂溶液的质量浓度在1.5%～3%时表面张力有下降的趋势,湿润性较好。

2.4 不同质量浓度、配方的抑尘剂对渗透性的影响

本实验在渗透时间和加入抑尘剂剂量都相同的情况下,渗透深度越深,则表示抑尘剂渗透性能越好。

不同配方和浓度对抑尘剂溶液渗透性的影响如图4所示。在相同的时间下、实验所用土体来源相同,加入的抑尘剂渗透深度的大小凸显渗透深度受抑尘剂配比和质量浓度的影响。黏度随溶液浓度的增大而逐渐增大,黏度越大,溶液的渗透性越小,所以溶液的渗透性会随着浓度的增大而逐渐减小。由图4可知,配方二的渗透性要优于配方一和配方三。

图4 渗透性变化曲线

2.5 不同质量浓度、配方的抑尘剂对硬度的影响

不同配方和浓度对抑尘剂溶液表面张力的影响如图5所示。由图5可知,加入配方二的土体的硬度随着其加入抑尘剂的质量浓度的增大而增大;而加入配方一、三的土体的硬度在其加入抑尘剂质量浓度为1%,2%时呈上升趋势,由于其加入抑尘剂质量浓度为3%,4%时,该浓度的抑尘剂渗透性能较差,它土体表面到往下40～60 mm胶化,然后成膜,膜表面较软,且胶化层以下的土体不含有抑尘剂,故不会固化。所以会出现上图配方一、三这样的硬度曲线图。因此可得:当加入的抑尘剂的浓度大于一定值时,土体硬度会下降。

图5 硬度变化曲线

2.6 不同质量浓度、配方的抑尘剂对抗风蚀性的影响

不同配方和浓度对抑尘剂溶液抗风蚀性的影响,配方一的3%,4%和配方三的4%以及硅酸钠、空土在风速6～7 m/s时的质量损失率都有较大的上升趋势。其余抑尘剂配方的质量损失率都近乎0。由实验1.2.4.3可知配方一的3%,4%和配方三的4%都出现不同程度的固化层成膜翘起,进而导致在风速6～7 m/s下,固化层成膜被吹掉,从而导致上述三种抑尘剂出现质量损失率呈上升趋势的现象。空土的质量损失率远大于其他。而在上述三种抑尘剂的固化层成膜被吹掉后,不会再出现质量损失率呈大势上升的现象,则证明了加入抑尘剂后,土体的质量损失率明显下降且在不同风速下没有较为明显波动。

2.7 不同质量浓度、配方的抑尘剂对保水性的影响

不同配方和浓度对抑尘剂溶液保水率的影响,配方二的保水性较差,随土样静止时间的增加,其保水率也随着下降。在6,24 h后,都出现了大幅度失水的情况,但45 h后又逐渐趋于平缓;在51 h后,硅酸钠的保水性能最好,其次是配方三的1%。说明配方三1%的抑尘剂在上述所有的配方中的保水性能较好。

3 结论

以废纸为原料,以羧甲基纤维素钠为基质,辅以天然植物胶和硅酸钠等进行复配制备出可降解、低成本、无毒无害的高效抑尘剂,实现了废纸的资源化。同时,优化复配后的抑尘剂在黏度和保水性以及渗透性等性能上都表现出了更优良的抑尘性能。实验结果表明,与传统的恒温水浴法相比较,采用高压反应釜法从废纸提取羧甲基纤维素钠,产率更高,提取率更高,成胶性能更好。高压反应釜法制备的CMC为基质复配了三种配方的抑尘剂,实验研究了不同配方、不同浓度对抑尘剂溶液黏度、表面张力、渗透性的影响,还研究了它们使用后保水性、抗风蚀性以及结壳性能的影响。经过实验证明:配方三的1%,2%,3%以及配方一的1%,2%的抑尘剂与纯水和纯硅酸钠溶液相比有更优的保水性、润湿性和渗透性等。同时该抑尘剂的抗风蚀性能与纯水和硅酸钠以及空土相比,效果格外显著;即分别在6～7和12～13 m/s的风速条件下能保持近乎百分百的抑尘效果。