采用定着剂控制旧报纸脱墨浆中的黏性物质

于海龙 高 扬, 张凤山 秦梦华

(1.山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室,山东济南,250353;2.华泰集团有限公司,山东广饶,257335)

采用定着剂控制旧报纸脱墨浆中的黏性物质

于海龙1高 扬1,2张凤山2秦梦华1

(1.山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室,山东济南,250353;2.华泰集团有限公司,山东广饶,257335)

以旧报纸脱墨浆生产线后段 3个部位 (后浮选后、D IP贮浆塔处、流浆箱前)取样的浆料为对象,采用两种胶黏物定着剂 (Hybrid 7655和 Hybrid 8185)进行控制胶黏物的研究。以铝箔法检测了胶黏物的沉积量,并通过检测溶解与胶体物质 (DCS)含量、滤液浊度、阳离子需求量和纤维表面 Zeta电位,评价了使用胶黏物定着剂后浆水体系的湿部化学特性,讨论了控制胶黏物的作用途径。结果表明,两种定着剂都能有效地控制旧报纸脱墨浆中的黏性物质,显著降低了铝箔法检测的胶黏物沉积量,并且降低了滤液的DCS含量和浊度以及阳离子需求量;Hybrid 7655比 Hybrid 8185的作用效果好;在D IP贮浆塔处的浆样中使用定着剂,胶黏物沉积量降低的幅度更大一些;定着剂对纸张的物理强度有一定的影响。

旧报纸脱墨浆;胶黏物定着剂;胶黏物控制

为了缓解造纸工业所面临的资源、环境和能源问题,废纸作为重要的造纸纤维来源日益受到重视。对于森林资源匮乏的我国,重视废纸纤维回用并解决关键技术问题具有更为重要的现实意义。废纸浆的构成远比原生纸浆复杂,不仅包括纤维、细小组分和填料,还包括大量黏性物质。以全废纸脱墨浆生产新闻纸为例,不仅需要提高细小组分和填料的留着,而且需要控制黏性物质引起的生产问题。此外,废纸浆中存在的溶解与胶体物质 (DCS),直接影响着抄造纸张过程中的湿部化学性质,如阳离子助剂需要量、体系 pH值和电导率等,增加了选择助剂体系并实现最佳效果的难度。造纸用水系统的封闭循环增加了有害物质的累积,加剧了黏性物质导致的问题,更凸显了控制胶黏物的要求[1]。因此,与采用木材制浆相比,废纸回用于造纸需要解决更为特殊的矛盾[2]。控制胶黏物有多种途径,可分为物理法和化学法。物理法是通过工艺设备实现的,包括通过筛选去除大胶黏物,通过浮选去除微细胶黏物,通过热分散将胶黏物分散成为易于浮选去除的微粒等[3]。化学法的作用对象主要是物理法难以去除的杂质,包括具有生成次生胶黏物趋向的成分等,这类杂质的粒度细微,属于胶体范畴。选取化学定着剂需要根据浆料体系特性而定,使用条件的控制也直接影响着化学定着剂的使用效果。控制胶黏物的方式可归为以下类型:①固定和留着,即通过使用湿部化学品使黏性物质吸附并固着在浆料纤维上,随同抄造的纸张带出系统。定着剂和助留剂的使用属于此类,多为用水封闭循环的造纸系统所采用。②使用无机填料,如滑石粉,使得胶黏物附着于其上而降低黏性,通过加填作用留存在纸张中。③使用胶黏物钝化剂,改变黏性微粒的表面性质而降低其黏性,或者控制电导率、电荷正负以及体系pH值,降低胶黏物的沉积趋势。脱黏剂和分散剂的使用属于此类,适用于浆料洗涤工段和造纸用水开放系统。④改变设备表面的物理化学性质,防止黏性物质的沉积。此方法虽未减少系统中的杂质,但可在一定程度上防止沉积物的形成,常在纸机压榨部和干燥部采用[4]。

在上述方法中,将胶黏物吸附并固着于浆料纤维表面,随同抄造的纸张带出系统,是减少造纸系统中黏性物质积累的合理途径。目前,主要采用低分子质量、高电荷密度的阳离子聚合物,包括聚胺 (Polyamine)、聚乙烯亚胺 (Polyethylenimine,PEI)及其改性物、阳离子聚丙烯酰胺 (Cationic Polyacrylamide,CPAM)等。当阳离子聚合物与带负电荷的微粒相遇时,会吸附在微粒表面,形成所谓的电荷 “补丁”而使微粒发生局部阳离子化,进而吸附微粒于带负电性的纤维表面[5-7]。此外,浆料悬浮液中的胶黏物微粒呈负电性,具有较高的阳离子需求量,易于与阳离子型聚合物相互作用,为被其吸附于纤维表面提供了可能。本实验以大型旧报纸脱墨浆生产线 3个重点部位 (后浮选后、D IP贮浆塔和流浆箱前)的浆样为研究对象,研究了美国 Nalco公司提供的两种胶黏物定着剂对浆料中黏性物质的控制效果,以期为胶黏物定着剂的研发和工业生产应用提供有用的借鉴。

1 实 验

1.1 浆料取样与胶黏物定着剂

旧报纸脱墨浆取自 1250 t/d脱墨浆生产线,取样点为后浮选槽后、D IP贮浆塔和流浆箱前。Nalco公司提供的胶黏物定着剂编号为 Hybrid 7655和 Hybrid 8185,使用前配制成质量分数为 1%的溶液备用。两种胶黏物定着剂均为以环氧氯丙烷和二甲胺为单体合成的聚胺类物质,Hybrid 7655为高电荷密度的阳离子聚合物,Hybrid 8185为中等电荷密度的阳离子聚合物。

1.2 胶黏物定着剂的使用

称取相当于 20 g绝干浆的浆料,置入 2000 mL烧杯,用去离子水稀释。按照实验方案设定的用量(0.10%、0.15%和 0.20%,均对绝干浆)将胶黏物定着剂加入浆料悬浮液,温度控制在 50～60℃,搅拌 20 min后抄制纸张。

1.3 铝箔法检测胶黏物的实验

在实验室条件下抄制定量为 120 g/m2的手抄片。将预先干燥并称重的铝箔覆盖于抄制的湿手抄片上,压榨脱水后将铝箔与湿手抄片一起于 130℃干燥10 min。铝箔与手抄片分离后称重,铝箔增加的质量记为胶黏物的沉积量。取 12次平行实验的平均值作为检测结果。

1.4 DCS的检测

取一定量的浆料悬浮液,用动态滤水性测定仪(DDJ)分离除去纤维成分,量取 50 mL滤液,于2000 r/min离心分离 20 min后,取上层清液于 105℃蒸发,所得残余固形物即为DCS。取 3次平行实验的平均值作为检测结果。D IP贮浆塔浆样的检测,是将浓度为 5%左右的浆料稀释至浓度 1.5%后进行的。

1.5 造纸湿部化学性质的检测

阳离子需求量 (CD值)采用 Mütek PCD-03型胶体电荷滴定仪检测,所用的标准阳离子物质为0.001 mmoL/L聚二烯丙基二甲基氯化铵 (PDADMAC)。滤液浊度采用 WGZ-200型光电浊度仪测定。检测滤液浊度时,除了量取相同体积 100 mL,还需要注意待测浆样的浓度。对于浓度比较高的D IP贮浆塔取样,先用滤网将长纤维截留,再量取滤液进行真空抽滤。浆料 Zeta电位采用Mütek SZP-06型 Zeta电位仪检测,取 3次平行实验的平均值作为检测结果。

1.6 手抄片强度性能检测

用从D IP贮浆塔取样的脱墨浆成浆在实验室抄制定量为 (60±2)g/m2的手抄片。手抄片置于恒温恒湿室 (温度 23℃,湿度 50%)24 h后检测手抄片抗张强度、耐破度和撕裂度,检测方法按照国家相关标准进行。

2 结果与讨论

2.1 铝箔法检测定着剂对胶黏物的控制效果

采用铝箔法检测胶黏物的沉积量,可在一定程度上反映干燥过程中湿手抄片所含黏性物质的沉积状况。胶黏物定着剂 Hybrid 7655和 Hybrid 8185应用于3处浆样的作用效果分别如图1～图3所示。

由图1～图3可以看出,使用胶黏物定着剂后,抄纸过程中沉积于铝箔的胶黏物量明显地减少。这是容易理解的:两种定着剂都属于阳离子聚合物,加入浆料中后会通过 “补丁”方式吸附于浆料纤维,在纤维表面形成带正电荷的区域。浆水体系中带负电荷的杂质微粒 (如微细胶黏物等)与定着剂接触时,定着剂带正电荷的部位会以电荷中和的方式吸附这些负电性杂质。作用的结果是使胶黏物吸附于纤维表面,亦即减少了浆料中呈游离状态的胶黏物含量。因而,干燥过程中沉积于铝箔的胶黏物量明显降低。可以设想,若在生产中采用定着剂,抄纸过程中胶黏物在造纸机部件上的沉积趋势会相应地明显降低。

两种定着剂都表现出了控制脱墨浆中胶黏物的效果,并且随着定着剂用量的增加,沉积出来的胶黏物量降低。在脱墨浆生产线后段 3个部位取样的浆料中分别使用定着剂的实验表明,在D IP贮浆塔处浆样中使用定着剂,实验室抄造纸张时胶黏物沉积量降低的幅度最大。当用量同为 0.20%时,Hybrid 7655的作用效果优于 Hybrid 8185,铝箔法沉积实验的胶黏物量可分别降低 63.3%和 43.4%,高于后浮选后浆样的数据(60.4%和 41.5%)和流浆箱前浆样的数据 (51.6%和 32.8%)。在生产实践中,既可以在 D IP贮浆塔中加入预定用量的定着剂,也可以将一部分定着剂施加于 D IP贮浆塔,另一部分施加于造纸机流浆箱。

2.2 定着剂对 DCS的控制效果

从减少对环境影响和降低运行成本考虑,造纸系统用水封闭循环的程度要求愈来愈高。然而,随着用水封闭循环程度的提高,阴离子物质会逐渐累积,直至影响造纸生产的湿部化学环境。这类物质主要以溶解与胶体状态存在于浆水系统中,称为溶解与胶体物质 (DSC)。当操作条件发生变化时,DCS易于失稳产生集聚,进而发生沉积,影响纸机的正常运行。以全脱墨浆为原料生产新闻纸的造纸系统,对纸机运行影响最大的次生胶黏物主要以 DCS形式存在于白水中。因此,如何有效地控制和去除 DCS对于纸机的正常运行尤为重要。定着剂对浆料滤液中 DCS的影响分别如图4～图6所示。

从图4～图6可以看出,在生产线 3个部位取样的浆料中使用定着剂,滤液的 DCS含量均随着定着剂的加入而降低。其中,Hybrid 7655降低 DCS的作用效果略好于 Hybrid 8185。用量均为 2.0%时,Hybrid 7655可使后浮选后、D IP贮浆塔处和流浆箱前浆料的 DCS含量分别降低 7.9%、31.6%和 21.2%;Hybrid 8185可使 DCS的含量分别降低 4.3%、26.6%和 15.4%。因此,在全脱墨浆生产新闻纸的造纸系统中应用胶黏物定着剂,对于改善造纸用水封闭循环系统的化学环境有着实际价值。

2.3 定着剂对造纸湿部化学性质的影响

2.3.1 定着剂对纤维表面 Zeta电位的影响

浆料纤维表面的 Zeta电位反映了其表面电荷电势的高低。检测 Zeta电位可以了解使用定着剂后纤维表面所带电荷的变化情况。定着剂对纤维表面 Zata电位的影响如图7～图9所示。由图7～图9可以看到,在生产线 3个部位取样的浆料中分别施加定着剂后,纤维表面的 Zeta电位变化趋势相同,均表现为逐渐增加。定着剂 Hybrid 7655使得纤维表面 Zeta电位增加的幅度大于 Hybrid 8185。可以这样理解,由于浆料纤维的表面带有负电荷,当加入阳离子型的定着剂后,一部分定着剂分子可能会直接与浆水体系中呈负电性的 DCS结合,形成复合体并随后吸附于纤维;另一方面是定着剂分子会通过电荷中和的方式吸附于纤维表面,使得纤维表面的负电性减弱,从而呈现出 Zeta电位增加的趋势。被纤维吸附的定着剂也会在纤维表面形成带正电荷的补丁,从而吸附浆水体系中带负电荷的 DCS,使 DCS附着于浆料纤维随着抄制的纸张而从系统中去除。

2.3.2 定着剂对滤液阳离子需求量的影响

加入定着剂前后浆样滤液的阳离子需求量如图10～图12所示。由图10～图12可以看到,对于 3个部位的浆样,两种定着剂都有降低浆料滤液阳离子需求量的明显效果。

结合前述 Zeta电位的变化,可知阳离子需求量的减少缘于浆水体系中 DCS的减少。而且,负电性DCS的减少是因其附着于浆料纤维随同抄制的纸张带出了造纸系统,由此减少了在造纸用水循环系统中DCS的累积。此外可以看到,Hybrid 7655降低滤液阳离子需求量的效果优于 Hybrid 8185。在 0.2%定着剂用量下,Hybrid 7655与 Hybrid 8185可使流浆箱前浆料滤液的阳离子需求量从初始时的 1.320 mmol/L分别降低到 0.749 mmol/L和 0.955 mmol/L。

2.3.3 定着剂对滤液浊度的影响

浊度是由体系中悬浮颗粒和胶体颗粒引起的,浊度的大小可以间接反映胶体物质的浓度[8-9]。图13～图15所示为使用定着剂对浆料滤液浊度的影响。由图13～图15可以看到,两种定着剂对于 3个部位的浆料均有降低浆料滤液浊度的作用,并且随着定着剂用量的增加,滤液浊度逐渐降低。降低浆料滤液浊度的原因可以解释为[10]:①定着剂打破了体系的平衡,带阳电荷的定着剂通过静电中和与负电荷的 DCS作用,使黏性物质微粒形成较大的聚集体,更易于被截留在湿纸页的纤维网络中;②带阳电荷的定着剂会吸附在纤维表面,形成电荷补丁,然后再吸附带负电荷的黏性物质微粒,使其随同抄造的纸张带出系统。与Hybrid 8185相比,Hybrid 7655可更有效地浆料滤液浊度。这是由于 Hybrid 7655具有更高的阳离子化程度,在浆料中能够吸附更多的阴离子杂质,聚集更多的DCS,因而更大幅度地降低了浆料滤液浊度。

从图13～图15还可以看出,3个部位取样浆料的滤液浊度降低程度有所不同。定着剂用量均为0.20%时,Hybrid 7655可使后浮选后、D IP贮浆塔和流浆箱前浆料的滤液浊度分别降低了 49.1%、87.8%和 71.5%;Hybrid 8185使不同取样处浆料的滤液浊度降低分别为 27.7%、83.7%和 63.2%。由此可见,在D IP贮浆塔处施加定着剂,降低浆料滤液浊度的效果更好。铝箔法检测胶黏物沉积的数据也表明,在D IP贮浆塔处施加定着剂可以获得更好的效果。D IP贮浆塔处的浆料浓度约为 5%,远高于后浮选后和流浆箱前的浆料浓度。因此,在D IP贮浆塔处施加定着剂,作用的有效浓度高。在实际生产线上,在此处施加定着剂也保证有充分的混合和作用时间。

2.4 定着剂对手抄片物理强度的影响

以D IP贮浆塔处取样的成浆抄制手抄片,检测使用定着剂对手抄片物理强度的影响。因为在D IP贮浆塔处加入定着剂可以取得更好的效果,而且此时尚未添加填料及其他化学品,可以排除其他因素对检测结果的干扰。检测结果如图16～图18所示。

检测数据表明,使用定着剂会影响手抄片的强度性能,随着定着剂用量的增加,手抄片的抗张指数、耐破指数和撕裂指数均有所降低。Hybrid 7655和 Hybrid 8185用量均为 0.20%时,手抄片抗张指数从32.6 N·m/g分别降至 30.0 N·m/g和 31.2 N·m/g,降低幅度为 8.0%和 4.3%;耐破指数从 4.23 kPa·m2/g分别降至 3.98 kPa·m2/g和 4.01 kPa·m2/g, 降低幅度为 5.9%和 5.2%;撕裂指数从 7.27 mN·m2/g分别降至 6.88 mN·m2/g和 7.01 mN·m2/g,降低幅度为 5.7%和 3.4%。这是易于理解的,在浆料中使用定着剂后,吸附和定着于纤维表面的黏性物质增加了纤维之间结合的阻碍,因而影响了手抄片的强度指标。Hybrid 7655比 Hybrid 8185对手抄片强度性能的影响更大。因此,在生产实际中需要确定适宜的定着剂用量,既使胶黏物问题得到有效控制,也要考虑将纸张物理强度受到的影响控制在可以接受的范围。

3 结 论

3.1 胶黏物定着剂 Hybrid 7655和 Hybrid 8185都有降低胶黏物沉积量、滤液浊度、DCS含量的明显作用,都能有效地用于控制旧报纸脱墨浆中潜在的次生胶黏物。其中,定着剂 Hybrid 7655的作用效果明显优于定着剂 Hybrid 8185。

3.2 对于后浮选后、D IP贮浆塔处和流浆箱前取样的浆样应用胶黏物定着剂的实验室实验表明,在 D IP贮浆塔处加入定着剂可以取得更好的效果。除了有效作用浓度高之外,从生产流程来说亦提供了定着剂与黏性物作用的充分时间。

3.3 使用定着剂后,浆料纤维表面 Zeta电位有所增加,阳离子需求量明显降低,有利于改善造纸系统的化学环境和造纸用水的封闭循环。

3.4 定着剂用量为 0.20%时,成纸物理强度降低大约 3%～8%,因此采用定着剂控制胶黏物问题时,需要综合考虑到其对纸张强度性能的影响。

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Control of Sticky Contam inants in Deinked Pulp by Adding Fix ing Agent

YU Hai-long1GAO Yang1,2,＊ZHANG Feng-shan2Q IN Meng-hua1
(1.Key Lab of Paper Science and Technology of M inistry of Education,Shandong Polytechnic University,Ji'nan,Shandong Province,250353;2.Huatai Group Co.Ltd,Guangrao,Shandong Province,257335)

In this paper,two fixing agents,Hybrid 7655 and Hybrid 8185 and their effects on control of sticky contaminants were studied.Pulpswere sampled from three major points of a deinking pulping line,i.e.the post-flotation,the D IP storage tower and the PM head box.Deposition of sticky contaminantswas evaluated by the aluminum foilmethod,and influences of applying fixing agent on the contents of dissolve and colloidal substances,the filtrate turbidity,the cationic demand and Zeta potentialof the pulpswere determined.The results showed that deposits decreased significantly,meanwhile,DCS,turbidity and cationic demand decreased accordingly.The fixing agent Hybrid 7655 wasmore effective for removing stickies.Moreover,the fixing agents showed a better perfor mance when itwere added into the D IP storage tower.Adding fixing agents deteriorated the paper physical properties to some extent,the negative effect depended on the dosage added.

deinked pulp;fixing agent;stickies control

TS749+.7

A

0254-508X(2011)06-0011-06

于海龙先生,在读硕士研究生;主要研究方向:纤维资源制浆造纸特性与生物技术的应用。

(＊E-mail:y_gao@hotmail.com)

2011-02-11(修改稿)

本课题为山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目(TS200637022);国家自然科学基金 (30972327)和教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目 (NCET-08-0882)。

(责任编辑:陈丽卿)