Rheologische Eigenschaften und volumetrische isotherme Ausdehnung von Bambus-Kraft-Schwarzlauge mit hohem Feststoffgehalt und niedrigem Ligningehalt

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2400 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurde ein bestimmter Prozentsatz an Lignin in der ursprünglichen Bambus-Kraft-Schwarzlauge (BKBL) abgetrennt, und es wurde erwartet, dass das restliche BKBL mit niedrigem Ligningehalt in den Alkalirückgewinnungskessel eingespeist wird, um die Wärmeübertragungslast des Alkalirückgewinnungskessels zu reduzieren . Mit der Abnahme des Ligningehalts ändern sich die rheologischen Eigenschaften/volumetrischen isothermen Expansivität (VIE) von BKBL. Wenn der Ligningehalt im ursprünglichen BKBL noch 70 % betrug, liegt die Viskosität von BKBL mit niedrigem Ligningehalt nahe an der des passivierten BKBL bei gleichem Feststoffgehalt, die dynamische Viskoelastizität ist besser und der VIE sinkt um 57,2 %. Wenn die Menge des Desilierungsmittels 1,5 % beträgt, änderte sich die Viskosität von BKBL mit niedrigem Ligningehalt nicht wesentlich, und der VIE stieg stark an und war 62,7 % höher als der des passivierten BKBL. Daher kann die Kombination aus einem Prozess zur teilweisen Lignintrennung und einem Natriumaluminat-Desilizierungsprozess die Fähigkeit des Alkalirückgewinnungskessels, mit BKBL umzugehen, effektiv verbessern und den Einfluss von „Siliziuminterferenzen“ reduzieren.

Die aktuelle Situation in der chinesischen Zellstoff- und Papierindustrie ist herausfordernd, da die CO2-Emissionen das Ziel überschreiten, was es schwierig macht, das Ziel eines CO2-Höhepunkts und eines CO2-Netto-Null-Werts zu erreichen1,2,3. Daher ist es zwingend erforderlich, die „Integration von Wald und Zellstoff“ zu verwirklichen. Allerdings schränken die „Siliziuminterferenz“ der Nichtholzzellstoffherstellung und der Widerspruch zwischen der steigenden Zellstoffnachfrage und der unzureichenden Kapazität des bestehenden Alkalirückgewinnungssystems die Entwicklung der Zellstoffpapierintegration ein. Die Verbesserung der Zellstoffproduktionskapazität ist der Schlüssel zur Erweiterung der Behandlungskapazität des Alkalirückgewinnungssystems und zur Verringerung der Auswirkungen von „Siliziuminterferenzen“4,5,6,7,8. Der Bau eines neuen Alkalirückgewinnungssystems ist die direkteste und effektivste Methode, wird jedoch zwangsläufig die Produktionskosten der Zellstofffabrik erhöhen. Wenn die Schwarzlauge aus einer neuen Zellstoffproduktionslinie das ursprüngliche Alkalirückgewinnungssystem mit der Schwarzlauge aus den bestehenden Produktionslinien teilt, könnte die Erweiterung der Zellstoffproduktionskapazität Realität werden. Im Bambusmaterial sind etwa 25 % des Lignins enthalten, das beim Kochen in die Bambus-Kraft-Schwarzlauge (BKBL) gelangt. Insbesondere Lignin (0,5 Tonnen) wird bei der Produktion von 1 Tonne Bambuszellstoff in die BKBL gelangen. Lignin ist ein hochwertiger nachwachsender Rohstoff, der als Ersatz für viele erdölbasierte Produkte verwendet werden kann. Daher ist es sinnvoll, einen bestimmten Prozentsatz an Lignin als Nebenprodukt vom BKBL abzutrennen9,10,11,12,13,14. Die Einnahmen aus dem Verkauf von Lignin bringen der Zellstofffabrik zusätzliche wirtschaftliche Vorteile, die zur Deckung der Vorabinvestitionen in den Bau einer Lignin-Trennanlage genutzt werden können. In der Zwischenzeit könnte die restliche Schwarzlauge noch zum Alkalirückgewinnungssystem gepumpt werden. Dies kann die Wärmeaustauschbelastung des Alkalirückgewinnungskessels reduzieren und die Aufbereitungskapazität von Schwarzlauge verbessern15,16,17,18. Darüber hinaus hat es bei der Ligninabtrennung aufgrund der Adsorption von Silizium durch Lignin eine gewisse Desilizierungswirkung, was zur Überwindung der „Siliziuminterferenz“19,20 hilfreich ist.

Das Problem der „Siliziuminterferenz“ bei der Zellstoffherstellung außerhalb von Holz ist sehr ernst und kann durch die Extraktion einiger Lignine nicht vollständig gelöst werden. Angesichts dieser Situation schlug unsere Forschungsgruppe den Prozess der „Desilizierung aus Grünlauge durch BKBL-Verbrennung“ vor. Bevor das BKBL in den Rückgewinnungskessel gelangt, wird Entsilizierungsmittel zugesetzt, und in der Verbrennungsstufe wird die in Grünlauge siliziumunlösliche Substanz (GLSI) gebildet. Der Zweck der Entsilizierung der Grünlauge kann durch Filterung der GLSI-Substanz erreicht werden, und der Weißschlamm mit niedrigem Siliziumgehalt kann recycelt werden. Das Alkalirückgewinnungskreislaufsystem kann einen geschlossenen Kreislauf bilden. Daher muss auch der Einfluss des Desilikationsmittels auf die rheologischen und isothermen Expansionseigenschaften von BKBL berücksichtigt werden. Das extrahierte Lignin wirkt sich positiv auf den Fluss aus und kann die isothermen Expansionseigenschaften (VIE) von Schwarzlauge beeinträchtigen21,22,23,24. Daher ist der Anteil des extrahierten Lignins sehr wichtig und muss ein Gleichgewicht zwischen den rheologischen und isothermen Expansionseigenschaften erreichen. Spezifische experimentelle Daten müssen bereitgestellt werden, um zu belegen, ob es den Hochtemperatur-Passivierungsabschnitt ersetzen oder die Passivierungsbehandlungszeit aufgrund des sinkenden Viskositätsgrads verkürzen kann und ob die nachteilige Auswirkung auf die Expansionsleistung im tatsächlichen Produktionsprozess toleriert werden kann.

Die Rheologie und VIE von BKBL mit niedrigem Ligningehalt und hohem Feststoffgehalt wurden systematisch untersucht. Wir analysierten die rheologischen Parameter, die Änderungen der scheinbaren Viskosität ηa, des Speichermoduls G‘, des Dissipationsmoduls G‘‘ und der dynamischen Viskosität η‘ von BKBL mit hohem Feststoffgehalt. Der VIE-Wert von BKBL wurde gemessen und sein Variationsmuster analysiert. Es wurde die fördernde oder hemmende Wirkung von extrahiertem Lignin auf rheologische Parameter untersucht und auch die verbessernde oder hemmende Wirkung der Zugabe von Desilikationsmittel auf die isothermen Expansionseigenschaften diskutiert.

Das BKBL aus der Kraftzellstoffaufbereitung im kontinuierlichen G2-Turmkocher wurde von Guizhou Chitianhua Co., Ltd, China, bereitgestellt. Die relative Dichte betrug 1,21 g/cm3, der Gesamtfeststoffgehalt betrug 475,00 g/L, der organische Gehalt betrug 270,88 g/L und der anorganische Gehalt betrug 204,12 g/L. Zu den organischen Bestandteilen von BKBL gehören hauptsächlich Lignin und Hemizellulose, während zu den anorganischen Bestandteilen Na2SO4, Na2SiO3, SiO2 und Si (OH)4 gehören. Schwefelsäure (H2SO4, AR, 98 %) wurde von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. gekauft. Aluminiumsulfat (Al2(SO4)3, AR, 99,8 %) wurde von Damao Chemical Reagent Factory Co., Ltd. bereitgestellt. Teilweise Natriumaluminat ( NaAlO2, AR, 99,8 % wurde von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. bezogen.

Der Herstellungsprozess von BKBL mit niedrigem Lignin- und hohem Feststoffgehalt ist in Abb. 1 dargestellt. Das ursprüngliche BKBL (200 ml) wurde in ein Becherglas gegeben, H2SO4 wurde in das Becherglas gegeben und kontinuierlich angepasst, bis der pH-Wert 2 erreichte. Das angesäuerte BKBL wurde 1 Stunde lang bei 80 °C belassen und ausgefällt, und das gesamte ausgefällte Lignin wurde herausfiltriert. Das gefilterte Lignin wurde mit destilliertem Wasser gewaschen und in einem Ofen bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und der Ligningehalt des ursprünglichen BKBL berechnet. Gemäß der oben genannten Methode wurde der pH-Wert des ursprünglichen BKBL leicht mit Schwefelsäure angepasst, um 10 %, 20 % bzw. 30 % Lignin (entspricht dem Prozentsatz des gesamten Lignins) vom BKBL abzutrennen. Daher hat das restliche BKBL einen niedrigen Ligningehalt mit 70 %, 80 % bzw. 90 % Lignin im Vergleich zum ursprünglichen BKBL. Anschließend wurden alle BKBL-Proben bei 80 °C in einem Vakuumtrockenofen auf 80 Gew.-% konzentriert und als BKBLx bezeichnet (z. B. BKBL70 bedeutet, dass der Ligningehalt 70 % beträgt, bezogen auf das Gesamtlignin im ursprünglichen BKBL). Darüber hinaus wurde der Einfluss der Zugabe von Desilikationsmittel auf die rheologischen Eigenschaften untersucht. BKBL70 wurde in drei Abschnitte unterteilt, wobei den drei Abschnitten jeweils 0 %, 0,5 % und 1,5 % des Desilierungsmittels NaAlO2 zugesetzt wurden.

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von BKBLX.

Die rheologischen Parameter von BKBL wurden mit einem dynamischen Rheometer (AR2000ex, TA, American) getestet. Der Test wurde mit einer Parallelplattenhalterung aus Kupfer mit 25 mm Durchmesser und einem Abstand von 700 µm zwischen Ober- und Unterteil der Halterung durchgeführt. Der Bereich der Schergeschwindigkeit wurde im scheinbaren Viskositätstest von 0 bis 100 s−1 variiert, und die Vibrationsfrequenz wurde im dynamischen Viskoelastizitätstest auf 0–105 rad/s eingestellt.

Der VIE von BKBL wurde in einem Muffelofen (KSY15-16, Yifeng Electric Furnace Co., Shanghai, China) getestet. 2,5 g BKBL wurden mit einem Korundtiegel beschwert und in einen Muffelofen gegeben, und der Muffelofen wurde dann von Raumtemperatur auf 300 °C erhitzt und 1 Stunde lang gehalten, damit die Schwarzlauge verkohlt wurde und sich vollständig ausdehnte. Das Volumen der karbonisierten Schwarzlauge in einem Korundtiegel mit trockenen Partikeln wurde gemessen. Das Verhältnis von Volumen zu Masse wurde als VIE von BKBL ermittelt.

Zamanet al. Die gefundene Schwarzlauge mit hohem Feststoffgehalt ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeit. Seine Viskosität und Viskoelastizität nehmen mit zunehmendem Feststoffgehalt zu. Darüber hinaus nutzte er das „Potenzgesetz“, um die Viskositätsänderungen innerhalb des Testbereichs anzupassen, und schätzte anhand dieser Modelle den Viskositätswert und den Viskoelastizitätsmodulwert von Schwarzlauge bei höherem Feststoffgehalt und höherer Temperatur25,26,27. Sinquefield stellte fest, dass die Viskosität von Zellstoffschwarzlauge mit einem Feststoffgehalt von 10–30 % mit zunehmendem Feststoffgehalt zunahm28. Jawaid et al. fanden heraus, dass die Viskosität von Holzzellstoff-Schwarzlauge mittlerer Konzentration (Anmerkung: Feststoffgehalt 37–47 %) mit zunehmendem Feststoffgehalt zunahm29. Wallmo fand heraus, dass bei einer Extraktionsmenge von Lignin von 60 % die Viskosität der Schwarzlauge um 75 % abnahm (Anmerkung: Feststoffgehalt 50 %)30. Moosavifar et al. fanden heraus, dass nach der Entfernung von Lignin die Viskosität um höchstens eine Größenordnung verringert werden kann und auch der Siedepunkt der Schwarzlauge entsprechend sinkt31. In den oben genannten Studien handelt es sich bei der Objektbasis um Holzzellstoffschwarzlauge. Daher ist es notwendig, die Schwarzlauge von Nichtholzzellstoff zu untersuchen. Zhang und Sun untersuchten die dynamischen viskoelastischen Eigenschaften von BKBL bei mittlerer Konzentration und die Wirkung des Desilikationsmittels32,33. Um die Aufbereitungskapazität von Schwarzlauge zu verbessern, kamen sie zu dem Schluss, dass der zukünftige Trend darin besteht, einen Teil des Lignins aus der Schwarzlauge abzutrennen, bevor es zur Verbrennung in einen Alkalirückgewinnungskessel geleitet wird. Allerdings sollte auf die dynamische Viskoelastizität von BKBLX bei niedrigem Ligningehalt und hohem Feststoffgehalt geachtet werden.

Die Viskosität von BKBL beeinflusst den Pumptransport und die Verdampfungseffizienz. Die Ergebnisse der scheinbaren Viskosität von BKBLx sind in Abb. 2 dargestellt. Die scheinbare Viskosität von Original-BKBL und BKBLx nimmt mit zunehmender Scherrate bei 98 °C deutlich ab. Die Kurve von BKBL90 und BKBL80 ähnelt der des ursprünglichen BKBL, jedoch nahmen die Viskosität und die Verdickungsrate mit der Abnahme des Ligningehalts ab. Die scheinbare Viskosität von BKBL70 bleibt innerhalb des Testbereichs im Abwärtstrend und es wird keine Scherverdickung beobachtet. Der Hauptgrund ist die Abnahme der Festigkeit der in BKBL70 gebildeten Netzwerkstruktur aufgrund der deutlichen Verringerung des Ligningehalts in BKBL70, der ohne hohe Scherkräfte zerstört werden könnte. Im Vergleich zu früheren Arbeiten in unserer Gruppe wurde festgestellt, dass die scheinbare Viskosität von BKBL70 ungefähr der des passivierten BKBL bei einer Schergeschwindigkeit von 100 s−1 entspricht, wenn sie den gleichen Feststoffgehalt haben. Daher kann der Zweck der Viskositätsreduzierung durch die Extraktion von etwas Lignin im kommerziellen Produktionsprozess erreicht werden, und der Passivierungsabschnitt kann im Alkalirückgewinnungssystem eliminiert oder die Passivierungszeit verkürzt werden, um so den Energieverbrauch bei der Alkalirückgewinnung wirksam zu reduzieren System.

ηa versus γ für BKBLX (Hinweis: 80 Gew.-%, 98 °C).

Der Grund dafür, dass die Reduzierung des Ligningehalts dazu beiträgt, die Viskosität der Schwarzlauge zu verringern, liegt darin, dass bei der Säurefällung Lignin schrittweise abgetrennt wird. Zunächst wurde das Lignin mit dem größten Molekulargewicht abgetrennt. Die Stärke der durch Lignin gebildeten Netzwerkstruktur nimmt ab, wenn der Ligningehalt abnimmt, was sich in einer Abnahme der Viskosität der Schwarzlauge äußert.

Die Scherverdünnung der scheinbaren BKBL-Viskosität kann durch die „Theorie der Polymerkonformationsänderung“ erklärt werden. BKBL mit hohem Feststoffgehalt enthält nur eine geringe Menge Wasser und es liegen organische Makromoleküle einschließlich Lignin in Form langer linearer Ketten vor. Solange die Länge einiger Molekülketten einen bestimmten Wert überschreitet, verschränken sich die Molekülketten miteinander und bilden irgendwo in der Schwarzlauge verwickelte Flocken. Die Anzahl der verwickelten Flocken befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht, und wenn das Gleichgewicht gestört wird, kann sich mit den Polymeren in der Schwarzlauge eine Netzwerkstruktur bilden. Während des BKBL-Flusses wird ein Teil der Energie im internen Netzwerk gespeichert, und die externe Leistung besteht darin, dass BKBL eine hohe Viskosität aufweist und schwer zu fließen ist. Da BKBL einer kontinuierlichen Scherung ausgesetzt ist, stimmt die Richtung seiner inneren ungeordneten Molekülketten allmählich mit der Scherkraft überein (wie in Abb. 3 dargestellt). Zu diesem Zeitpunkt wird der Schereffekt direkt für den Fluss von BKBL genutzt, und die äußere Leistung ist ein starker Rückgang der scheinbaren Viskosität von BKBL.

Orientierungsänderung von Lignin in BKBLx unter dem Scherströmungsfeld.

Zuvor untersuchten einige Forscher die Desilifizierungswirkung von Aluminium-Desilifizierungsmittel, Magnesium-Desilifizierungsmittel, Bor-Desilifizierungsmittel und Verbund-Desilifizierungsmittel auf Weizenstrohzellstoff BKBL. Die Forschung konzentrierte sich hauptsächlich auf die Desilizierungseffizienz des Desilierungsmittels, und die rheologischen Eigenschaften des ursprünglichen BKBL und des desilizierten BKBL wurden nicht untersucht. Unser Forschungsteam untersuchte die Wirkung des Desilierungsmittels auf die scheinbare Viskosität von BKBL mit hohem Feststoffgehalt. Als Objekt zur Untersuchung des Einflusses des Desilizierungsmittels wurde BKBL70 ausgewählt. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt.

Beziehung zwischen ηa und γ für BKBL70 mit der Beladung mit Natriumaluminat (Hinweis: 80 Gew.-%, 98 °C).

In Abb. 4 war zu erkennen, dass das Desilierungsmittel einen gewissen positiven Einfluss auf die Viskositätsreduzierung hatte. Das Desilierungsmittel NaAlO2 enthält Na+ und Na+ kann sich mit den Lignin-Makromolekülen in der Schwarzlauge verbinden, was die elektrostatische Abstoßungskraft zwischen den Lignin-Makromolekülen erhöht. Darüber hinaus ist NaAlO2 alkalisch. Unter Einwirkung von OH− zerfällt langkettiges Lignin in kurzkettiges Lignin. Die Stärke der durch die lange Ligninkette gebildeten Molekülstruktur nimmt ab und die Viskosität der Schwarzlauge nimmt ab.

Die Beziehung zwischen ηa und. γ wurde in Abb. 5 dargestellt. Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass BKBL70-Proben mit Desilikationsmittel bei 80 °C eine Scherverdickung zeigen, bei 98 °C jedoch nicht. Kombiniert mit Abb. Aus den Abbildungen 2 und 3 lässt sich schließen, dass nicht nur der Ligningehalt, sondern auch die Temperatur die Scherverdickung beeinflusst und dass die Scherverdickung durch die lange Verflechtung der Ligninmolekülketten verursacht wird. Unserer Meinung nach ist die einheitliche Ausrichtung der Lignin-Molekülketten unter Scherkraft nicht die einzige Erklärung für die Scherverdünnung von BKBL; die Theorie der kautschukähnlichen Flüssigkeit ist auch anwendbar, um das Phänomen der Scherverdünnung von BKBL zu erklären. Der Theorie zufolge könnten die Molekülketten in Schwarzlauge das Verschränkungsverhalten erzeugen, das hauptsächlich durch die thermische Bewegung der Moleküle gesteuert wird. Die Geschwindigkeit, mit der Verflechtungsflocken durch Scherung oder Erhitzen zerstört werden, ist größer als die Geschwindigkeit, mit der sie erzeugt werden.

ηa versus γ für BKBL70 bei verschiedenen Temperaturen (Hinweis: 80 Gew.-%, BKBL70).

Tatsächlich ist es unmöglich, die Temperatur von Schwarzlauge unbegrenzt zu erhöhen. Wenn der Feststoffgehalt eine bestimmte Grenze erreicht, ist der Einfluss der Temperatur auf die Viskosität nicht der Hauptfaktor. Daher kann die Viskosität nur durch die Abtrennung eines Teils des Lignins weiter gesenkt werden. Das Wichtigste ist, dass die Abtrennung eines Teils des Lignins die Fähigkeit zur Behandlung von Schwarzlauge verbessern kann, indem die Wärmebelastung des Alkalirückgewinnungskessels verringert wird.

Der Speichermodul G′, auch Elastizitätsmodul genannt, bezieht sich auf die Energie, die aufgrund der elastischen (reversiblen) Verformung der Materialien während der Verformung gespeichert wird, und spiegelt die elastisch-feste Eigenschaft der Materialien wider. Der Verlustmodul G'', also der Viskositätsmodul, bezieht sich auf den Energieverlust aufgrund der viskosen Verformung (irreversibel) von Materialien während der Verformung und spiegelt den viskosen Fluss der Materialien wider.

Wie aus Abb. 6 ersichtlich ist, nehmen G'' und G'' von BKBLx zunächst leicht ab und nehmen dann mit zunehmender Schwingungsfrequenz zu. Darüber hinaus ist G'' immer höher als G'', was darauf hinweist, dass die reversible Verformung größer ist als die irreversible Verformung für BKBLx. Die Abnahme des Ligningehalts ist für die Abnahme von G′ und G″ verantwortlich, was darauf hindeutet, dass die Viskoelastizität abnimmt. Selbst wenn BKBLx beim Pumpvorgang auf Bögen, Ventile, Düsen und andere Strukturen trifft, sind die Bewegungshindernisse, auf die BKBLx stößt, weitaus geringer als die, auf die das ursprüngliche BKBL beim normalen geraden Rohrtransport stößt.

G′ und G″ versus ω für BKBLX (Hinweis: 80 Gew.-%, 98 °C).

Die dynamische Viskosität η′ bezieht sich auf die Änderungsrate des Verlustmoduls G″ mit der Kreisfrequenz ω. Die dynamische Viskosität kann den Messfehler der scheinbaren Viskosität beseitigen, der durch elastische Verformung während des Flusses einiger BKBL-Proben verursacht wird. Daher haben wir die dynamische Viskosität gemessen, um die Fließfähigkeit der Schwarzlauge zu bewerten. Abbildung 7 zeigt die Auswirkung des Ligningehalts auf die dynamische Viskosität η′ von BKBL. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass die η′-Kurven von BKBLx und Original-BKBL den Trend der Strukturviskosität zeigen, der dem Trend der scheinbaren Viskosität ηa ähnelt. Dies bewies weiter, dass die Abtrennung von etwas Lignin für das Pumpen und Transportieren von BKBLx von Vorteil ist.

Beziehung zwischen η′ und ω für BKBLX (Hinweis: 80 Gew.-%, 98 °C).

Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass G′ und G″ von BKBL70 zunahmen, wenn NaAlO2 bei einer Oszillationsfrequenz von Null hinzugefügt wurde. Mit zunehmender Schwingungsfrequenz nahmen G‘ und G‘‘ zunächst schnell ab und begannen dann anzusteigen, wenn die Schwingungsfrequenz größer als 10 rad/s war. Der Viskoelastizitätsmodul von BKBL70 mit Zusatz von Desilikatierungsmittel war geringer als der des ursprünglichen BKBL70. Das bedeutet, dass das Entsilizierungsmittel bei hoher Schwingungsfrequenz kaum negative Auswirkungen auf die Viskoelastizität von Schwarzlauge hat.

G′ und G″ versus ω für BKBL70 mit der Beladung mit Natriumaluminat (Hinweis: 80 Gew.-%, 98 °C).

Aus Abb. 9 ist ersichtlich, dass das Variationsmuster der dynamischen Viskosität η′ von BKBL70 mit der Kreisfrequenz dem der scheinbaren Viskosität ηa ähnlich ist und alle einen Trend zur Strukturviskosität aufweisen. Bei niedriger Schwingungsfrequenz führt das Desilierungsmittel zu einem Anstieg von ηa, was darauf hindeutet, dass der viskose kinetische Energieverlust von BKBL zu diesem Zeitpunkt zunimmt. Die scheinbare Viskosität von BKBL-Proben nimmt bei Zugabe von NaAlO2-Desilierungsmittel ab, was mit den vorherigen Ergebnissen übereinstimmt.

η′ versus ω für BKBL70 mit der Beladung mit Natriumaluminat (Hinweis: 80 Gew.-%, 98 °C).

Der Grund dafür, dass die dynamische Viskosität von BKBL70 bei 0,5 % NaAlO2 höher ist als bei 1,5 % NaAlO2, liegt darin, dass die Viskosität des ersteren höher ist als die des letzteren und der durch die hohe Viskosität verursachte kinetische Energieverlust ebenfalls größer ist. Wenn die Kreisfrequenz nahe bei 100 rad/s liegt, ist die dynamische Viskosität von BKBL70 mit 1,5 % Desilierungsmittel niedriger, da die dynamische Viskosität näher an der tatsächlichen Viskosität liegt als die scheinbare Viskosität bei hoher Oszillationsfrequenz. Dies zeigt, dass die Viskosität von BKBL70 mit zunehmender Menge an Desilizierungsmittel abnimmt.

Abbildung 10 zeigt den Einfluss der Temperatur auf die dynamische Viskosität. Bei niedriger Schwingungsfrequenz ist die dynamische Viskosität von BKBL70 bei 80 °C viel niedriger als bei 98 °C, was darauf hindeutet, dass BKBL70 bei 80 °C hauptsächlich elastisch-fest ist. Mit zunehmender Winkelfrequenz entspricht die dynamische Viskosität tendenziell der tatsächlichen Viskosität. Der Grund dafür ist, dass die Hauptaufgabe der Spannung darin besteht, BKBL70 einer elastischen Verformung zu unterziehen. Die dynamische Viskosität von BKBL70 nimmt bei 98 °C schnell ab und ist etwas niedriger als bei 80 °C, wenn die Schwingungsfrequenz nahe bei 100 rad/s liegt. Dies zeigt weiter, wie wichtig hohe Temperaturen für den BKBL-Transport sind.

η′ versus ω für BKBL70 bei verschiedenen Temperaturen (Hinweis: 80 Gew.-%, BKBL70).

Der Schereffekt und die Belastung des BKBL beim Pipelinetransport und der Düsenzerstäubung sind viel höher als beim Labortestprozess. Daher ist es berechtigt zu spekulieren, dass die Zugabe von NaAlO2-Desilizierungsmittel kaum nachteilige Auswirkungen auf die Viskosität, aber eine gewisse Viskositätsreduzierung hat, wenn BKBL70 in den Alkalirückgewinnungskessel gepumpt wird.

Papierhersteller können die Schwierigkeit der Konzentration und Trockenheit der Schwarzlauge im Kessel beurteilen und den Quellungsgrad der unteren Polsterschicht anhand des VIE der Schwarzlauge vorhersagen. Je größer der VIE-Wert ist, desto stärker ist das untere Bett angeschwollen und je leichter die Luft durch das Bett strömt, desto besser ist die tatsächliche Verbrennungswirkung. Der VIE von Strohzellstoff-Schwarzlauge ist aufgrund seines hohen Siliziumgehalts und seiner hohen Viskosität der kleinste unter den verschiedenen Rohstoffen der Schwarzlauge. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass der VIE von BKBLx größer ist als der von Strohzellstoff-Schwarzlauge, damit sich am Boden des Alkalirückgewinnungskessels ein gutes Bett bilden kann.

Es wurde darauf hingewiesen, dass die Auswirkung des Ligningehalts und des NaAlO2-VIE von BKBL anhand des VIE von BKBLx in Abb. 11 gemessen wurde. Ohne Zugabe von Desilikatierungsmittel nimmt der VIE von BKBLx mit der Abnahme des Ligningehalts ab und beträgt nahezu den VIE des ursprünglichen BKBL doppelt so hoch wie bei BKBL70, was darauf hinweist, dass der Ligningehalt einen großen Einfluss auf den VIE von BKBLx hat, was auf die Freisetzung von Gas während der thermischen Zersetzung von Lignin zurückzuführen ist. Es wird der Schluss gezogen, dass der Grund für den Rückgang von VIE der Rückgang der Gasemissionen aufgrund des Rückgangs des Ligningehalts in BKBLx34 ist. Obwohl die Verringerung des Ligningehalts direkt zu einer Verringerung des VIE von BKBLx führt, wird der Anstieg des VIE bei Vorhandensein fördernder Faktoren deutlicher. Der Einfluss des NaAlO2-Desilierungsmittels auf VIE kann durch die viskositätsreduzierende Wirkung von NaAlO2 verursacht werden. Aus früheren Untersuchungen geht hervor, dass die Zugabe von NaAlO2 die scheinbare Viskosität von BKBL bei einer Scherrate von Null effektiv reduzieren und den Elastizitätsmodul von BKBL bei einer Oszillationsfrequenz von Null verbessern kann. Daher kann die Zugabe einer kleinen Menge Desilizierungsmittel den VIE von BKBL deutlich steigern.

VIE von BKBLx mit der Beladung mit Entsilikungsmittel.

Die Veränderungen des VIE von passiviertem BKBL und BKBL70 mit unterschiedlichem Desilierungsmittel sind in Abb. 12 dargestellt. NaAlO2 hat aufgrund seiner Viskositätsreduzierung einen deutlich verbessernden Einfluss auf den VIE, und saures Desilierungsmittel Al2(SO4)3 hat keinen signifikanten Einfluss. Der Grund dafür ist, dass Al2(SO4)3 zu einer Erhöhung der Viskosität und der elastischen Feststoffeigenschaften von BKBL führt und die Verbesserung der elastischen Feststoffeigenschaften und die hemmende Wirkung für die Erhöhung der Viskosität einander ausgleichen können. Daher wird sich der VIE der BKBL nicht wesentlich ändern. Der VIE von BKBL70 mit zugesetztem alkalischem NaAlO2-Desilierungsmittel war 62,72 % höher als der von passiviertem BKBL. Darüber hinaus kann eine geringe Menge Desilierungsmittel den negativen Einfluss des extrahierten Lignins auf die Expansionsleistung von BKBL verringern. In dieser Arbeit ist die Desilifizierungsrate am höchsten und der VIE-Wert erreicht das Maximum, wenn die Menge an Desilifizierungsmittel 1,5 % beträgt.

Fördernde Wirkung des Desilikationsmittels auf den VIE von BKBL70. Die Menge an Desilierungsmittel (basierend auf dem Gesamtligningehalt in BKBL).

Kurz gesagt, die Abtrennung von etwas Lignin kann nicht nur die Viskosität von BKBL erheblich verringern, sondern durch Zugabe von Desilierungsmittel auch dessen nachteilige Auswirkung auf die Expansionsleistung verringern. Darüber hinaus kann der kombinierte Einsatz von „Partial Lignin Separation Process“ und „Desilication from Green Liquor through Black Liquor Combustion Process“ die Verarbeitungskapazität von BKBL verbessern und letztendlich dazu beitragen, die Produktionskapazität von Zellstoff zu verbessern.

Um die Fähigkeit des Alkalirückgewinnungskessels zur Behandlung von BKBL zu verbessern und die Auswirkungen von „Siliziuminterferenzen“ zu verringern, wurde ein bestimmter Prozentsatz des Lignins vom BKBL abgetrennt, und wir beabsichtigen, das verbleibende BKBL mit niedrigem Ligningehalt der bestehenden Alkalirückgewinnung zuzuführen Kessel. Daher untersuchten wir die Rheologie und VIE von BKBL mit hohem Feststoff- und niedrigem Ligningehalt sowie die Wirkung des Desilizierungsmittels darauf. Die Viskosität und der VIE von BKBL hängen eng mit dem Ligningehalt zusammen. Mit der Abnahme des Ligningehalts nehmen die scheinbare Viskosität und der VIE von BKBLX ab. Als 30 % Lignin vom ursprünglichen BKBL abgetrennt wurden, lag die scheinbare Viskosität der verbleibenden Schwarzlauge-BKBL70 nahe an der des passivierten BKBL mit dem gleichen Feststoffgehalt, und der Speichermodul und der Dissipationsmodul waren niedriger als die des ursprünglichen BKBL . Der VIE von BKBL70 ist um 57,2 % kleiner als der des passivierten BKBL mit dem gleichen Feststoffgehalt. Bei BKBL70 besteht die Tendenz des Übergangs von einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit zu einer Newtonschen Flüssigkeit, aber der VIE nimmt zu stark ab, was dazu führt, dass BKBL70 kein Polster bilden kann mit einer guten Intumeszenzleistung am Boden des Alkalirückgewinnungskessels. Der nachteilige Einfluss auf die Verringerung des Ligningehalts von VIE kann durch Zugabe von NaAlO2-Desilierungsmittel ausgeglichen werden, und der VIE von BKBL70 wird durch Zugabe von 1,5 % NaAlO2-Desilierungsmittel deutlich um 62,7 % höher als bei Passivierungsschwarzlauge erhöht. Darüber hinaus nimmt die scheinbare Viskosität von BKBL bei Zugabe einer kleinen Menge NaAlO2-Desilierungsmittel ab und die rheologischen Eigenschaften von BKBL70 werden nicht deutlich beeinflusst, was sich positiv auf das Pumpen und Transportieren von BKBL auswirkt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der National Natural Science Foundation of China (21978161), der finanziellen Unterstützung des Projekts der State Administration of Foreign Experts Affairs (GDT20186100425) und dem Academic Leader Team Fund Project der Shaanxi University of Science and Technology (2013XSD25). ).

College of Bioresources Chemical and Materials Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an, 710021, China

Shenglin Chen, Yongjian Xu, Kangkang Guo und Xiaoopeng Yue

Nationales Demonstrationszentrum für experimentelle Lichtchemie-Ingenieurausbildung, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an, 710021, China

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Shenglin Chen, Yongjian Xu, Kangkang Guo und Xiaoopeng Yue

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SC: Methodik, formale Analyse, Datenkuration, Visualisierung, Originalentwurf. YX: Konzeptualisierung, Überwachung, Überprüfung und Bearbeitung, Finanzierungsakquise. KG: Ressourcen, Untersuchung. XY: Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Yongjian Xu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chen, S., Xu, Y., Guo, K. et al. Rheologische Eigenschaften und volumetrische isotherme Ausdehnung von Bambus-Kraft-Schwarzlauge mit hohem Feststoffgehalt und niedrigem Ligningehalt. Sci Rep 13, 2400 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29350-0

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Eingegangen: 27. November 2022

Angenommen: 02. Februar 2023

Veröffentlicht: 10. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29350-0

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