废纸浆料中纤维细小组分和无机物组分的分离技术

废纸浆料中纤维细小组分和无机物组分的分离技术

当今，废纸已成为纸张生产中纤维原料的最重要来源。与化学浆和机械浆相比，废纸具有诸多优点，如浆料制备的能耗更低，原料成本更加低廉。但是废纸本身也存在许多缺点，如杂质（非纤维类物质）含量较高等。其中，填料和颜料的存在已经成为影响废纸利用的主要因素。由于填料在纸张生产中的应用比例不断增加以及白水循环程度不断提高，废纸中无机物组分的含量也逐渐增加。废纸中无机物组分的增加导致在使用无机物组分含量高的废纸生产高档纸张时，经常会带来诸多的问题。例如，在使用废纸作为原料时，包装纸生产厂商不得不采取措施以保证纸张的强度性能，因为原料中无机物组分（填料）含量的增加会对纸和纸板的强度产生负面影响；绘图纸厂商在使用废纸进行生产时，需要时刻关注废纸原料的引入所导致的浆料质量波动问题，并被动地采取措施以保证纸机运行稳定性；对于卫生纸厂商来说，他们在利用废纸之前首先需要去除其中大部分的无机物组分，但这又导致了原料的浪费。因此，纸厂在利用废纸作为原料时，希望能够选择性地去除其中的无机物组分。

为了去除废纸中的杂质，其浆料制备过程中需采用相应的分离和清洗技术。纸厂常用的分离设备包括浮选机、网筛以及旋风分离器。上述设备都能用来去除浆料中的无机物组分，但是均存在选择性较差的问题，即在分离出无机物组分的同时又将大量的纤维带走。另外，使用这些设备分离所得的渣料中含有45%～65%的有机物质（纤维组分）。因此，采用这些常规技术来去除废纸中的无机物组分无疑会导致纤维原料的严重流失且带来较大的处理难度。所以，研究具有较佳的分离技术以实现选择性地分离废纸中的无机物组分是很有必要的。

本研究采用了新的分离技术用于废纸中无机物组分（填料和颜料）的分离。该技术基于筛分和沉降技术，包含了2个分离步骤。

1 研究目标

本研究旨在开发出适用于去除废纸浆料中无机物组分的新型选择性分离技术，以期达到提高废纸浆料中无机物组分的分离效率和改善废纸原料利用率的目的。新型选择性分离技术包含了2个核心步骤。首先，通过筛分技术将废纸浆料中的长纤维组分分离出来，然后再采用基于沉降原理并能够将纤维细小组分和无机物粒子分离的新设备来处理含细小组分（由细小纤维和无机物组分组成）的废纸浆料悬浮液。采用合适的沉降工艺可以解决前面提到的废纸中各组分选择分离效果较差的问题。

2 实验

实验首先准备了纤维原料和无机物原料，这些原料未经过造纸生产工序的处理。采用逆流沉降槽对上述原料所组成的浆料进行分离。实验结果证明该装置具有很好的分离效果。

因为本研究的目的是要对废纸浆料进行有效的分离处理，所以在接下来的实验中设计了2种纸种：未涂布纸和涂布纸。未涂布纸作为涂布原纸，其只含有碳酸钙填料。涂布纸采用未涂布纸经过2次涂布获得，第1涂层只含有碳酸钙涂料，第2涂层则含有50%的碳酸钙和50%的白土。然后，分别将上述2种纸种制备成浆料。利用碎浆机在4%的浓度下对上述纸种进行制浆处理。将所制备的浆料在孔径为150 μm的筛网上过滤，进而分离去除长纤维组分。过筛网的细小组分浆料用于粒子实验和分离试验。未涂布纸的细小组分浆料由45%的细小纤维和55%的无机物粒子组成；涂布纸的细小组分浆料则由24%的细小纤维和76%的无机物粒子组成。在下文中，未涂布纸的细小组分浆料和涂布纸的细小组分浆料分别简称为“未涂布纸”和“涂布纸”。

粒子实验使用的仪器为压力离心机和沉降盘。在分离试验中，细小组分浆料分批进入逆流沉降槽并形成楔形形状，然后继续在锥形逆流沉降槽中处理。鉴于实验所涉及浆料均具有较高的碳酸钙含量，所以分离效果是按照ISO-1762标准，通过测量细小组分浆料在进入逆流沉降槽前和最终产物的灼烧灰分（灼烧温度为525℃）来评价。为了比较本次实验的效果，同时也进行了PTS浮选槽实验，所用浮选剂按照Ingeda Method 11中的标准方法来选配。

3 结果和讨论

楔形沉降实验结果表明，纤维细小组分能够形成絮聚物，并且先于无机物粒子沉降下来。絮聚物的形成主要是由于纤维细小组分之间发生了定向移动和聚集。但是，上述絮聚物尺寸的增加不是无限制的。浆料中的纤维细小组分越多，所形成的絮聚物就越多，尽管其尺寸不是很大。即便是无机物粒子本身具有较高的密度，由于发生了絮聚，纤维细小组分才能先于无机物颗粒沉降下来。这就使得采用沉降方法分离纤维细小组分和无机物粒子成为可能。纤维细小组分和无机物粒子的分离需具备一个前提，即纤维细小组分上不能附着无机物粒子，但是这在废纸浆料中是无法避免的。废纸中含有的助留剂和胶粘剂会吸附到纤维、细小纤维、填料以及颜料上，并将上述组分聚集起来。即使在废纸再制浆过程中，上述各组分的聚集也很难充分解聚和分散，从而导致纤维细小组分上仍附着有无机物粒子。以往的研究也证实，“未涂布纸”和“涂布纸”中纤维细小组分和无机物粒子表现出了相同的沉降速率，从而不能通过沉降的方法将这2种组分分离。因此，如果不经过预处理，“未涂布纸”和“涂布纸”中纤维细小组分和无机物粒子的分离是实现不了的。

为将纤维细小组分和无机物粒子进行分离，“未涂布纸”和“涂布纸”需在捏合式搅拌机中进行热-机处理。热-机处理使得浆料各组分的平均沉降速率减缓，但却能使平均沉降速率的分布区域扩大，这说明絮聚物被破坏了。图1显示了在锥形逆流沉降槽进行楔形沉降分离前后，在捏合式搅拌机中采用和不采用热-机处理的“未涂布纸”和“涂布纸”的无机物含量的对比情况。

图1 在捏合式搅拌机中采用和不采用热-机处理的“未涂布纸”和“涂布纸”的无机物含量的对比

由图1可知，同楔形沉降的分离效果相比，在捏合式搅拌机中进行热-机处理能够破坏由纤维细小组分与无机物粒子所组成的絮聚物。由此可见，热-机处理使得纤维细小组分与无机物粒子的分离成为了可能。

在热-机预处理实验完成后，紧接着对影响分离的重要参数进行了考察。纤维细小组分的浓度是除浆料流体流动比率之外影响分离的最重要因素。纤维细小组分浓度太低会降低分离效率，这是因为在较低浓度下不能保证所有的纤维细小组分都形成絮聚物。相反，纤维细小组分浓度太高也会降低分离效率，这则是因为在较高浓度下，强烈的絮聚作用使得更多的无机物粒子吸附和嵌入到纤维细小组分中，所形成的絮聚物在沉降过程中产生了互相干扰。纤维细小组分含量与分离效果的关系如图2所示。

图2 纤维细小组分浓度对逆流沉降后所得有机物部分和无机物部分中无机物含量的影响

这种基本关系适用于所有的逆流沉降槽，但是图2中曲线的位置取决于沉降槽的几何形状以及其工作模式。

逆流沉降槽本身的形状（楔形）具有一定劣势，仅能分段操作。因此，实验中选用了可以连续操作的锥形逆流沉降槽，并采用该锥形逆流沉降槽对“未涂布纸”进行了实验。在锥形逆流沉降槽和浮选槽进行分离前，采用捏合式搅拌机对“未涂布纸”进行预处理。浮选实验在PTS浮选槽中进行，所用浮选剂按照Ingeda Method 11中的标准方法来选配。实验表明，浮选的选择性较差。图3显示的是在PTS浮选槽和锥形逆流沉降槽中“未涂布纸”的分离效果。

图3 分别经PTS浮选槽和锥形逆流沉降槽分离处理前、后的“未涂布纸”的无机物含量

由图3可见，在相同的条件下，锥形逆流沉降工序的分离效果要比浮选工序好。实验中，有机组分经过锥形逆流沉降槽的回收（第1次通过）并再次进入到锥形逆流沉降槽中（第2次通过）。第2次进入沉降槽可以将第1次吸附和嵌入在纤维细小组分絮聚物中的无机物粒子回收。

锥形逆流沉降工艺可以解决纤维细小组分和无机物组分分离的问题，但是该工序的处理量较小，因此其应用的经济性较差。如果能够借助离心作用实现纤维细小组分和无机物组分的分离，那对于工厂来说将是经济可行的办法。

（王亮 编译）