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电化学催化氧化漂白纸纤维浆

                                    电化学催化氧化漂白纸纤维浆
                                    唐艳茹,丁鹏,于婷婷,张敏
                           ( 长春师范大学化学学院,吉林长春130032)
    [摘要]纸纤维浆在漂白过程中存在漂白时间长、污染严重等缺陷。本文在氧化漂白纸浆基础上筛选出更环保的漂白方式———电化学催化氧化法,它以纸纤维为原材料,通过对不同催化剂的筛选,获得最优催化剂,达到生产原料丰富、催化剂能重复生产利用、易处理和副产物少的目的。此方法的技术关键是要控制适当的电压,选择合适的电解池中的阴阳电极以及适当的气流量,产生适量双氧水的浓度来对纸纤维浆进行漂白。实验证明此方式能使环境污染能降到最小。
    [关键词]催化氧化; 电化学; 纸纤维浆; 催化剂: 漂白
    [中图分类号]O646 [文献标识码]A [文章编号]2095 - 7602( 2014) 06 - 0068 - 03
    纸纤维浆是用机械方法或化学方法分离植物纤维制成的,而植物纤维的原料由纤维素、半纤维素、木素、淀粉、果胶以及树脂、丹宁等组成,这些组分除纤维素、半纤维素是白色外,其余均带有颜色。生产白纸的纸浆需要一定的白度,多数纸浆都需要漂白。漂白的目的是在不破坏或改变纤维素的前提下,除去或改变木质素,提高纸浆的白度。在不使纤维素遭到过分降解的情况下,化学制浆无法使残余木质素完全除去,而呈深色的未漂纸浆颜色主要由残余木质素而来,所以需要进行漂白[1]。纸浆漂白在纸浆造纸生产过程中占有重要地位,与纸浆和成纸的质量、料、能量消耗以及对环境的影响有密切的关系[2]。
    电化学催化氧化降解酚类化合物是通过产生强氧化性物质实现的。根据产生强氧化性物质的途径分类,电化学催化氧化可以分为直接氧化与间接氧化[3]。本实验通过借鉴电化学催化氧化法,以纸纤维作为原材料,通过对不同催化剂的筛选,获得最优良的催化剂,达到生产原料丰富、催化剂能重复进行使用、易进行处理和副产物少、特别是对环境污染最小的目的。
    1· 材料与方法
    1. 1 仪器和试剂
    直流稳压电源YB1713,接触调压器, IrO2 - RuO2涂层钛电极,气泵,活性炭纤维布[4],电解池。溶液: 3. 5% 的NaOH,3 . 0% 的Na2 SiO4,4. 2% 的NaClO,H2SO4,NaCO3,0. 05%的MgSO4; 可溶性淀粉。
    1. 2 实验装置( 如图1 所示)
                      
    1. 3 纸浆预处理
    将没有完全干燥的麦草放入60℃水浴中处理1. 5h,然后调节纸纤维浆的浓度为20%,并且将pH 值调节为8. 0 ~ 11. 0 以备用。
    1. 4 实验过程
    实验装置由电解池、直流稳压电源和气泵这三部分构成。电解池的底部是作为气体分配室来使用的,空气由气体分配室进入到电解池内部,我们通过气体流量剂来调节气流的大小[5]。作为电极的阴极和阳极分别位于电解池的两端,在实验正式开始之前,用盐酸或氢氧化钠溶液来调节电解池中水溶液的pH 值,然后打开气阀门。通入空气20min 之后,将电源进行接通,开始进行电解反应。注意要每隔相应的一段时间进行取样,运用一种分光光度法快速测定电解池中过氧化氢的浓度[6]。在电解的装置中通过对比试验及控制变量法,进行电极的选取、气流大小控制,探究最适宜的实验条件。
    2· 分析与讨论
    2. 1 不同电极电解性能
    通过实验分别探究不同阳极电解产生过氧化氢的动力学曲线以及初始电压对过氧化氢浓度的影响,同时探究气体流量对生成过氧化氢浓度的影响。通过控制相关原材料的运用及控制变量法的方式分别运用Ti 和Ir - Ru /Ti 作为阳极[7],采用ACFC 作为阴极,来进行产生过氧化氢的实验,实验结果绘制成图2。随着电解时间的增加,运用Ir - Ru /Ti 作为电极产生过氧化氢的浓度大,所以Ir - Ru /Ti 电极作为阳极电解产生过氧化氢的性能优于Ti 电极,是作阳极的最佳选择。

    2. 2 空气流量的影响
    通过探究空气流量对生成过氧化氢浓度的影响,制作出相应的图表( 图3) 。在室温下将电解反应时间控制在90min,空气流量达到80mL·min - 1 时,生成的过氧化氢浓度可以达到27. 8mg·L - 1,比在其它实验中所制得的过氧化氢浓度提高了将近85. 33%,这是一个很适宜做催化漂白实验的空气流量值,可以为漂白实验产生最适宜的过氧化氢浓度,以进行漂白的后续试验。

    据有关资料显示,电压的大小对产生过氧化氢的浓度有影响。所以,接下来我们探究产生过氧化氢浓度最适宜的电压[8],实验结果如图4 所示。可以看出在中性的条件下,空气流量为80mL·min - 1、电解反应90min,过氧化氢产生浓度的大小有个最高点。在电压为20V 时,过氧化氢的浓度最高。所以,在做漂白试验时可以直接将电压调节至20V。

    2. 3 不同电压电解效果比较
    通过上面实验得出做漂白实验的最佳条件: 以Ir_Ru /Ti 电极作为阳极、ACFC 为阴极所构成的电解池可以有效地电解产生过氧化氢,且稳定性比Ti 电极提高许多; 在中性及酸性条件下都能有效地产生过氧化氢;提高空气流量有利于过氧化氢的生成; 电解反应的电压对于过氧化氢的生成有着重要的影响,过高或过低的电压均不利于过氧化氢的生成。当pH 值为中性、不外加化学试剂、空气流量为80mL·min - 1、电压20V、电解反应90min 时,产生的过氧化氢浓度会达到29. 5mg·L - 1。
    根据上述的实验探究得到最适宜的实验条件,在此条件下进行效果验证。将事先预处理好备用的纸纤维浆放入电解池内,然后把溶液的pH 调节为中性环境。不添加化学试剂,首先将工作电压调节为20V,空气流量调节为80mL·min - 1、然后把所有的实验装置检查一遍,在没有错误的情况下,打开开关,电解反应为1. 5h,实验对纸纤维的漂白过程就是在反应制成双氧水的过程中进行着[9]。当反应时间到达1. 5h 时,在纸纤维浆中加入0. 05%的MgSO4和3. 0%的Na2 SiO4将它们搅拌均匀,然后使用功率为240W 的微波辐射2. 5min; 在静置的情况下进行微波辐射之后,将H2O2漂白处理后的纸浆浓度调节为10%,然后加入3. 5% 的NaOH 溶液,使pH 值调节为8. 0 ~ 11. 0,最后加入10ml 4. 2%的NaClO,再使用功率为240W 的微波辐射5. 0min后得到产物漂白纸浆[10],此纸浆符合生产要求。
    3 ·结论
    整个电化学催化氧化漂白纸纤维浆的实验分为两个步骤。首先探究漂白纸纤维浆的适宜实验条件,如工作电压、空气流量以及不同电极等,然后在找到合适的实验条件的基础上,在电解产生过氧化氢的同时对纤维浆进行漂白。整个实验的过程不仅操作简单、时间短,原材料丰富、副产物易处理,对环境的污染很小。目前实验研究热点主要致力于对环境的保护,所以这种漂白纤维浆的方法很有效。
[参考文献]
[1]陈元彩,肖锦,詹怀宇. 造纸漂白废水处理技术的研究进展[J]. 中国造纸学报, 2000( 1) : 103 - 108.
[2]黄文荣,陈中豪. 无污染漂白技术是造纸工业可持续发展的方向[J]. 西南造纸, 2003( 1) : 7 - 10.
[3]司银平,张震. 电化学催化氧化降解含酚废水的研究进展[J]. 化学研究, 2009, 20( 4) : 98 - 102.
[4]郑春燕,易芬云. 活性碳纤维电极法处理含酚废水的研究[J]. 功能材料, 2007,3
( 38) : 451 - 454.
[5]徐克峰,黎华亮. 采用环境友好电解法制备过氧化氢[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2007, 35( 5) : 122 - 124.
[6]张倩,付时雨,李海龙,等. 一种快速测定过氧化氢浓度的方法[J]. 光谱学与光谱分析, 2014, 34( 3) : 767 - 769.
[7]陈家越. 纳米Ir /IrOx 电极的制备及在过氧化氢检测中的应用[J]. 广州化学, 2013( 1) : 1 - 6.
[8]朱太云,章乔根. 水中脉冲放电产生过氧化氢及其影响因素[J]. 强激光与粒子束, 2010( 3) : 675 - 678.
[9]朱剑钊,陈让福. 常压电解空气制取过氧化氢及其在纸浆漂白方面的应用[J]. 林产化工通讯, 1994( 3) : 25 - 26.
[10]吴青五,赵国华,高耀庭. 电化学法水处理新技术———降解有机废水[J]. 环境科学学报, 2000( S1) .


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