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，从最初的食品行业，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。