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微晶纤维素(MCC)是一种结构类似海绵状的多孔、有塑性的纤维素,呈白色细小结晶性粉末,无臭、无味、不溶于水,在水中可以分散。其在医药食品工业中具有先天的优势和独特的性质,已成为多功能助剂。目前国内的MCC生产主要以棉、木浆粕为原料,生产成本较高、污染严重,因此需要开发新的经济实用的原料。蔗渣含有90％以上的总膳食纤维干基,来源广泛,成本较低,对环境的影响较小,是一种很好的天然膳食源,用蔗渣制备微晶纤维素具有很好的经济效应,是未来发展的方向。但是蔗渣白度低,用常规方法制备微晶纤维素,其产品质量不符合要求,必须要进行增白预处理。本研究依据现代新漂白技术,应用二氧化氯漂白(D),对其漂白因素进行了优化处理;同时应用氧脱木素漂白(O)蔗渣,对其各影响因素进行了分析,并研究了提高氧脱木素效果的方法;进而对分别进行D漂和O漂的蔗渣进行过氧化氢漂白(P)处理,以达到MCC制备所需白度;而且对各漂白后的浆进行了红外吸收光谱分析,以研究其各段漂白机理;最后制备了蔗渣浆MCC和棉花MCC,通过电镜、X-射线衍射分析蔗渣微晶纤维素的可应用性。其主要研究内容和结果如下:
(1)利用单因素研究了蔗渣二氧化氯漂白(D)的主要影响因素,并对各因素进行了正交分析。结果表明:单因素ClO2漂白较适条件为ClO2用量2.4％、漂白时间60min、漂白温度60℃、浆浓8％、pH3.5。此时浆料卡伯值(Kappa)为5.15,下降了76.47％;白度为55.9％ISO,升高了13.5％ISO。正交优化漂白条件为时间60min、ClO2量4.0％、温度60℃、浆浓10％、pH3.0。
(2)通过研究影响蔗渣氧脱木素漂白(O)工艺的主要因素,得出了氧脱木素的较适条件为:用碱量2.5％、温度100℃、反应时间50min、氧压0.5MPa、MgSO4用量0.3％、浆浓12％。该条件下,蔗渣浆的性能变化为Kappa值13.0,下降了36.9％;白度为52.6％ISO,升高了6.8％ISO;粘度为764.7 mL/g,下降了5.9％。
(3)在蔗渣氧脱木素(O)的较适工艺基础上,研究了改善氧脱木素选择性的五种方法。结果表明:氧脱木素过程中分别采用硝酸或木聚糖酶预处理方法,或分别用过氧化氢(H2O2)、甲醇或硫化钠强化方法,均可改善脱木素选择性。其中硝酸用量2％时最好;尽管0.6％的H2O2次之,但其改善漂白效果最好,白度增加了8.9％ISO;而一定量的木聚糖酶、甲醇或硫化钠的处理,虽然也可以提高脱木素选择性,但幅度不大。综合考虑,选用0.6％的H2O2强化氧脱木素处理。
(4)蔗渣浆经0.6％的H2O2强化氧脱木素处理后,研究了其后续H2O2漂白的主要影响因素。结果表明:较适的漂白条件为H2O2用量3.0％、漂白温度808℃、反应时间2h、碱量1.5％、浆浓10％;其中H2O2用量是最主要的影响因素,对氧脱木素白度具有显著影响。在此条件下,H2O2强化氧脱木素漂后浆(OpP)白度为72.6％ISO,白度较原浆增加值为26.8％ISO。并用该条件对ClO2正交优化漂白后蔗渣浆进行H2O2后续漂泊,漂后浆白度为82.1％,较原浆增加值39.7％ISO。
(5)进一步研究了提高OpP漂白效果的方法;同时考察了氧脱木素和ClO2两种新漂白方式的废水特性。采用分次H2O2漂白(Pp)和加氧压H2O2漂白(Po)两种后续漂白方式,均可以提高H2O2利用率,改善漂白效果。其中,分次H2O2后续漂白,使白度达到78.0％ISO,提高了5.4％ISO,但小于所需白度(80％ISO)要求;在压强为0.5MPa时的Po后续漂白,可以使白度达到80.1％ISO,比单纯P漂白度值增加了7.5％ISO。ClO2漂白和氧脱木素都可以降低废水污染负荷。ClO2漂白的废水AOX值为1.25mg/kg,低于国家少于1.5g/kg的要求;氧脱木素漂白的废水BOD值最高为14.1mg/L,最低为9.8mg/L,均低于国家标准(30mg/L～60mg/L)。
(6)采用红外光谱技术对两种新漂白方式处理的11份蔗渣浆进行分析。结果表明:经氧脱木素处理和ClO2漂白的浆具有相似的红外光谱谱图,与木素的反应过程以共扼羰基和苯环骨架被氧化降解为主,对纤维素的破坏较小。ClO2漂白更利于碳水化合物的保护。
(7)分析了棉花微晶纤维素和经二氧化氯和过氧化氢漂白(DP)蔗渣的微晶纤维素。结果表明:棉花的结晶度为68％,颗粒尺寸为5.99nm,满足棉花微晶纤维素的指标要求;蔗渣的结晶度为56％,颗粒尺寸为5.10nm,所以蔗渣制备MCC是可行的,说明ClO2和氧脱木素新漂白处理方式,用于制备蔗渣MCC的漂白预处理是可行的。