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近红外光谱技术在制浆造纸工业中的应用

1 近红外光谱的发展现状

  近年来,近红外光谱(Near-InfraredSpectroscopy―NIR)作为迅速崛起的光谱分析技术在分析测试领域中所起的作用越来越引起人们的关注。在1997年分析化学与应用光谱学匹兹堡会议(Pittcon’97)上,关于近红外光谱方面的文章有178篇,NIR反射光谱仍然是这次会议的重要话题。由此可见,由于在样品分析时基本不需处理,且不破坏和消耗样品,自身又无环境污染,所以近红外光谱作为一种快速分析测试仪器正在被越来越多的分析工作者认识和使用,同时也受到工业控制领域的关注。在1998年分析化学与应用光谱学匹兹堡会议(Pittcon’98)上,推出的声光可调滤光片(AOTF)和近红外探头已成功地用于近红外在线过程监控仪器中,用以监测聚合物粘度、酸数、添加剂、聚合度等。进入90年代以来,NIR作为一门现代测试技术已基本成熟,其应用领域迅速扩大,从蕞初的食品行业,迅速渗透到石油、化工、环境和生化等行业,在工艺控制、产品质量分析检测方面发挥了突出的作用,并创造了巨大的经济效益,在过程控制方面获得了广泛的成功。

2 近红外光谱技术在制浆造纸工业中的应用

  目前世界范围内浆和纸的产量和质量正不断增长,若仅仅依靠提供优质的纤维原料和改进制浆造纸工艺来促进生产是不够的,还必须研制和使用一些新型的过程分析仪器和传感器。随着近红外光谱技术和光谱数据处理软件的进展,为开发新型的过程分析仪器提供了新的途径。下面介绍的NIR在制浆造纸过程中的应用,虽然绝大部分应用情况目前仍然局限于实验室内,但将来的发展趋势必定为现场分析和测控,实现从实验室走向生产现场的转变。

2.1 检测纸页涂料中的水分含量
  在400~1100nm的范围内,采用透过模式,分析涂料混合物中的水分含量。虽然,由于涂料中悬浮颗粒的存在使测量的重现性受影响,但是对于连续流动的涂料,却可以避免这个问题,从而实现在线测量。

2.2 确定纸浆中针叶木的含量
  在1100~2500nm的范围内,采用反射模式,取两个样品分别用于校准实验室测量值和在线测量值。虽然在线测量值的误差比预期的要大,但是测量结果仍然表明NIR可以用于确定纸浆中的针叶木含量。

2.3 测量混合木浆的卡伯值
  采用反射模式,取27个样品在2180nm处用于标定曲线,9个样品作为测试集,测量误差为5.6%。虽然测量结果表明NIR可能用于测量混合木浆的卡伯值,但是测量误差能否被工业过程所接受,还有待考究。

2.4 测量蒸煮锅喷放管线中纸浆的Kno(卡伯值的对数)
  在1100~2500nm的范围内,采用反射模式,测量纸浆的Kno。在1672nm处进行一元线性回归,测量误差为1.0%;由于波长波动的影响,再引入1436nm进行多元线性回归,使测量误差下降为0.5%。

2.5 测量纸页的水分和纸板的重量
  采用反射模式,利用水在1940nm处的特征吸收测量纸页中的水分;纸板重量的变化在2100~2500nm的范围内表现明显,在2346nm处进行一元线性回归。结果表明,NIR对纸页的水分和纸板的重量均很敏感。由于样品本身的不均匀性,所以测量扫描时样品的面积应该较大,以取平均值。

2.6 监测纸页的树脂层
  采用反射模式,在1100~2500nm的范围内分析样品,结果发现,由于未经涂布的纸在1688nm、1766nm和2160nm无特征吸收,所以可以避开纸页的影响。在2160nm标定曲线,误差为0.7%。

2.7 监测纸浆棉短绒混合物的卡伯值
  采用反射模式,在1100~2500nm的范围内分析样品,在1680nm进行一元线性回归,误差为1.2个卡伯值,标定的有效范围为3.4~33.9个卡伯值。此结果对干、湿纸浆棉短绒混合物均适用。

2.8 检测薄页纸上的聚硅酮层含量
  对8个聚硅酮浓度为0.69%~5.67%的薄纸页样品在1100~2500nm的范围内进行扫描,在1744nm进行一元线性回归,误差为0.2%。

2.9 检测木纤维中的蜡和苯酚树脂含量
  采用反射模式,在1100~2500nm的范围内,分别对蜡的浓度为0.3%~2.4%的木纤维样品和苯酚树脂的浓度为1.3%~4.3%的木纤维样品进行扫描。在2158nm处标定苯酚树脂,误差为0.4%;在1728nm处标定蜡,误差为0.1%。

2.10 检测干木浆中的木素含量
  采用反射模式,在1100~2500nm的范围内,对木素浓度为5.7%~33.6%的木浆进行扫描。在2172nm和1556nm处进行多元线性回归,误差为1%。

2.11 检测木纤维中的蜡和苯酚甲醛树脂含量
  采用反射模式,在1100~2500nm的范围内,扫描木纤维、纯蜡、经冷冻干燥的苯酚甲醛树脂及含有蜡和苯酚甲醛树脂的木纤维,发现纤维中的蜡在2250nm、2310nm和1725nm均有特征吸收,而树脂则在1980nm处有特征吸收。

2.12 检测绒毛浆中的吸水剂含量
  采用反射模式,在1100~2500nm的范围内,对吸水剂浓度为0.00%~44.9%的绒毛浆样品进行扫描,在1752nm处标定,误差为6%。

2.13 检测涂布纸的涂布层
  在1100~2500nm的范围内,对涂料浓度为0~12%的涂布纸,利用光纤测量NIR反射光谱,在2316nm处标定,误差为0.1%。但是还不能排除纸页中无机物的影响。

3 展 望

  由上述可见,近红外光谱在制浆造纸行业应用广泛,具有很好的应用前景。特别是将近红外光谱用于测定纸浆中木素含量或步伯值,近年来已成为国际上制浆造纸行业分析测试领域的热门话题。但是,其中要注意的问题有:(1)对于不同的浆种,必须重新标定曲线和方程;(2)纸浆主要成分是碳水化合物,具有吸湿性,所以在测定其光谱时应该在同一周围环境下进行,减少水分干扰,从而减少误差;(3)考虑到纸浆成分的复杂性,用近红外光谱进行纸浆的定量分析,蕞好采用导数光谱,多特征吸收峰的多元回归方法,来测定纸浆中的木素含量。
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