《武汉工程大学学报》 2010年05期
19-21
出版日期：2010-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
造纸废渣中木质素的接枝改性
0引言制浆造纸废液废渣中含有大量的木质素，如不加以回收利用，不仅浪费资源，而且造成严重的环境污染危害［1］.国内对造纸废液的污染治理技术研究得较多，对造纸废渣大部分只采取简单的堆放、填埋或焚烧［2］.因此，如何利用造纸废渣中大量的木质素资源生产高附加值产品，实现资源的循环利用具有非常重要的意义. 木质素的基本结构单元为苯丙烷基，具有较好的表面活性和分散性［3］，但若直接作为减水剂使用，因减水率低、分散性不足而不能达到减水剂的国家标准. 因此，按照减水剂的作用机理，以湖北省某造纸厂的造纸废渣为研究对象，对提取的木质素进行接枝改性［4］，增加侧链以及极性基团的数量，使其具有更好的位阻作用和静电作用，从而改善木质素的性能.1实验部分1.1仪器与试剂NJ160水泥净浆搅拌机,无锡市锡鼎建工仪器厂生产.所用试剂均为分析纯，由上海化学试剂有限公司生产；湖北省某造纸厂造纸废渣；市售华新水泥；SP010聚羧酸高性能减水剂,武汉格瑞林建材科技股份有限公司生产.1.2实验方法
1.2.1木质素的提取按文献［5］进行.
1.2.2木质素与丙烯酰胺接枝共聚反应按一定比例将木质素、蒸馏水和适量1.0 mol/L NaOH溶液加入三口瓶中，搅拌使木质素溶解，然后加入定量配比的丙烯酰胺单体，在氮气保护下搅拌使木质素与单体匀化，之后加入一定量的过硫酸钾，继续在氮气保护下进行搅拌反应，反应结束后测定固含量，按照固含量计算减水剂掺量，进行混凝土性能测试.
1.2.3性能测试净浆流动度测试按GB 80772000《混凝土外加剂匀质性试验方法》对产品进行净浆流动度测试；混凝土性能试验按GB 80762008《混凝土外加剂》标准对产品进行混凝土性能测试.2结果与讨论以木质素与水的质量比为1∶30、单体浓度为1.5 mol·L-1、过硫酸钾引发剂用量为2.0×10-2 mol·L-1、反应温度为70 ℃、反应时间3 h为条件，研究丙烯酰胺与木质素接枝反应中各因素对净浆流动度的影响.净浆流动度测试条件为：掺量为04%（折固）、水灰比为29%、华新水泥.2.1影响净浆流动度的因素
2.1.1单体浓度对净浆流动度的影响单体浓度对净浆流动度的影响结果如图1所示.单体浓度在0.5至1.5 mol·L-1范围内，木质素接枝产物净浆流动度呈上升趋势，其后继续增加单体用量，净浆流动度呈现下降趋势.这是因为在一定范围内，单体浓度逐步增大时，增加了反应过程中木质素自由基与丙烯酰胺碰撞机会，生成具有较长支链的木质素接枝产品，增加了水泥颗粒之间的空间位阻作用，进而增大了净浆流动度;当单体浓度继续增大到一定值以后，由于单体均聚，生成的聚丙烯酰胺起到了增稠作用导致净浆流动度减小.研究结果表明，单体用量以1.5 mol·L-1为宜.
图1单体浓度对净浆流动度的影响
Fig.1Influence of monomer dose on fluidity
of the cement slurry 第5期奚强，等：造纸废渣中木质素的接枝改性
武汉工程大学学报第32卷
2.1.2引发剂用量对净浆流动度的影响 图2表明，当引发剂浓度小于1.5 ×10-2 mol·L-1时，净浆流动度增幅不大，而后随引发剂浓度增加，净浆流动度大幅增加，当引发剂浓度增至20×10-2mol·L-1后，净浆流动度趋于平稳.这是因为，引发剂浓度增加会产生更多的自由基，木质素较容易与丙烯酰胺发生接枝反应，但是当引发剂增至一定浓度后，可能使丙烯酰胺自聚速度加快，进而影响接枝效率.研究结果表表明，引发剂浓度以2.0×10-2 mol·L-1为宜.
图2引发剂浓度对净浆流动度的影响
Fig.2Influence of initiator dose on fluidity of the cement slurry 2.1.3反应温度对净浆流动度的影响由图3可知，在较低温度范围内，净浆流动度增加比较缓慢，随着温度升高，反应体系内的活化能增大，使接枝反应进行，净浆流动度增大，进一步提高反应温度，净浆流动度值呈现下降趋势.由此可见，提高反应温度可使自由基向单体转移，对接枝反应不利.研究表明，70 ℃左右为最佳反应温度.
2.1.4反应时间对净浆流动度的影响从图4可知，随着反应时间的延长，净浆流动度呈现迅速增加的趋势，至3 h以后趋于稳定.所以反应时间选择3 h.图3反应温度对净浆流动度的影响
Fig.3Influence of reaction temperature on fluidity of the cement slurry 图4反应时间对净浆流动度的影响
Fig.4Influence of reaction time on fluidity of the cement slurry 2.5混凝土性能测试参照GB80762008《混凝土外加剂》标准对产品进行混凝土性能测试.结果如表1、2所示.表1减水剂主要指标测试结果
Table1Results of performance tests for modified lignin
检测项目/单位测试结果净浆流动度/cm掺量0 min30 min60 min0.4%180175175减水率/%16.7抗压强度比/%3d1457d11028d105对钢筋的锈蚀作用对钢筋无锈蚀作用氯离子含量/%0.1碱含量/%2.3常压泌水率/%10由表1、2测试结果可知，木质素改性减水剂能够达到普通减水剂的国家标准；并且在与聚羧酸减水剂（表中SP010，武汉格瑞林公司提供）配合应用于C30商砼时，不仅能够减少SP010的使用量，而且起到了增加减水率以及缓凝的作用.
表2改性木质素减水剂与聚羧酸高性能减水剂在C30商砼中的复配使用性能
Table 2Lignin grafted superplasticizer and high range water reducer in concrete C30 in compound business performance
配合比材料水泥矿粉煤灰黃砂石子
5~25 cm水配比33000710289866203.5称量4.950.000.0010.654.3412.993.05相关测试数据试验
编号外加剂组成掺量/%减水率/
%含气量/
%抗压强度/MPa
抗压强度比/%1 d3 d7 d凝结时间/min初凝终凝1基准00.02.09.1114.419.51001001003203802SP01015%1.0021.62.614.8525.232.71631751684105003SP010∶LAG=15∶101.0023.54.015.3028.932.91682011694805904SP010∶LAG=15∶201.0024.34.116.3.28.9.433.71792011735856405SP010∶LAG=15∶251.0024.14.616.4029.134.51802021775906806SP010∶LAG=15∶301.0024.54.717.130.335.1187210180670700注：1.高性能聚羧酸减水剂(SP010)由武汉格瑞林建材科技股份有限公司提供;2.LAG为实验中制备的木质素丙烯酰胺接枝产品．
3结语通过对造纸废渣的处理，以及对提取的木质素进行接枝改性，产品的减水性能比一般磺化产品的减水性能优越，且能与聚羧酸减水剂进行有效复配，在低等级混凝土中，可以降低聚羧酸减水剂的成本，经检测各项主要指标达到普通减水剂的国家标准.此工艺简单，操作方便，易于工业化生产，不但可以解决造纸废渣的二次污染问题，变废为宝，同时又能够为企业创造效益，一举两得.