粉煤灰用作造纸填料的研究

范玉敏 钱学仁

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨，150040)

粉煤灰用作造纸填料的研究

范玉敏 钱学仁

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨，150040)

以阳离子聚丙烯酰胺为助留剂，考察了粉煤灰用作造纸填料的可行性。针对粉煤灰白度较低的特点，实验中利用筛分、浮选的方法提高其白度。实验结果表明，使用粉煤灰或粉煤灰与碳酸钙的混合物 (质量比1∶1)作为填料，纸张不透明度显著提高，但随填料用量的增加，纸张白度有所下降。在一定范围内加填粉煤灰的纸张的抗张指数与耐破指数优于加填碳酸钙的纸张。

粉煤灰;造纸填料;白度改善

粉煤灰作为一种工业废弃物，随着电力工业的迅速发展，其年排放量急剧增加。1995年我国粉煤灰排放量为 1．25 亿 t，2000 年约为1．5 亿 t［1］，2005 年全国燃煤电厂和低热值电厂排放的粉煤灰量高达3．3亿t以上，居世界第一位［2］。粉煤灰的大量堆积，不仅占用耕地、浪费资源，而且对大气、地表水及地下水都有污染，给国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。因此，开展粉煤灰的综合利用，化害为利已成为一项刻不容缓的战略任务。

目前，粉煤灰的利用主要集中在建材制品 (如粉煤灰水泥)、建设工程 (如大体积混凝土)、道路工程 (如护坡护堤)、农业 (如改良土壤)、填筑材料 (如矿井回填)等领域，在一定程度上减轻了环境的压力，也创造了可观的收益［3］。总的来说，粉煤灰的综合利用水平还很低，进一步拓展粉煤灰的应用领域和实现其高值利用意义重大。

粉煤灰成分复杂，其中含有SiO220% ～60%、Al2O310% ～35%、Fe2O35% ～35%、CaO 1% ～20%、MgO 0．3% ～4%及 TiO20．5% ～1．2%等，其成分根据煤矿种类及生产条件不同而略有差别［4］。粉煤灰的主要成分为硅、铝及铁的氧化物，有作为造纸填料的可能性。将粉煤灰用作造纸填料，可大幅度降低造纸成本，也有利于环境保护，是粉煤灰综合利用的新尝试［5］。但由于粉煤灰本身是灰色，白度很低，而且颗粒大，目前只能用于白度要求较低的箱纸板类。本实验针对粉煤灰白度较低的特点，采用筛分、浮选方法提高粉煤灰的白度，以期使粉煤灰能够用作对白度有一定要求的纸张填料，扩大其用作造纸填料的适应性。

1 实验

1.1 原料

粉煤灰，中国华电集团哈尔滨发电有限公司提供;漂白针叶木浆，牡丹江恒丰纸业有限公司提供;聚丙烯酰胺、碳酸钙、仲辛醇，均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产;柴油为工业级。

1.2 粉煤灰的处理

1.2.1 粉煤灰的筛分

用振动筛中目数为100、140、160、180、200、350以及400的筛板筛分20 min，将粉煤灰分别标为A、B、C、D、E、F、G、H共8个等级。A为100目筛板截留的部分;B为通过100目筛板而被140目筛板截留的部分，以此类推，H为通过400目筛板的部分。计算出每一级粉煤灰的质量和平均粒径。同时测各级粉煤灰的白度。

1.2.2 粉煤灰的浮选除碳

对粉煤灰进行筛分，选择筛分通过200目筛板部分的粉煤灰进行浮选除碳 (F、G、H部分)。

浮选除碳过程［6-8］:将粉煤灰与适量水配成质量浓度为30%的灰浆，预搅拌2 min。灰浆静置10～15 min，去除液面漂珠。一边搅拌灰浆一边加入捕收剂柴油，搅拌10 min左右。加入起泡剂仲辛醇，再搅拌10 min左右，置于单槽浮选机，充入气泡开始浮选。对第一次浮选后获得的粉煤灰灰浆按照上述步骤再进行第二次浮选。对浮选后的灰浆抽滤，置于105℃的烘箱内干燥;取部分干燥后的粉煤灰用400目筛板进行筛分，备用;测浮选后粉煤灰的烧失量及白度 (使用YQ-Z-48A白度颜色测定仪测定)。

1.3 纸张的制备及检测［9］

以阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)作为助留剂，用量为0．03%。抄纸时以加填的填料分5组进行:空白试样 (不加填料)、浮选后粉煤灰加填试样 (Ⅰ)、浮选后再通过400目筛板部分粉煤灰加填试样(Ⅱ)、浮选后再通过400目筛板部分粉煤灰与碳酸钙混合加填试样，混合比例:1∶1(Ⅲ)、碳酸钙加填试样 (Ⅳ)，其中填料的用量分别为5%、10%、15%、20%、30%。

称取相应量的填料并倒入装有40 mL水的烧杯中，制成悬浮液，加入纸浆中搅拌，在ZQJ1-B-Ⅱ纸页抄取器上按标准方法抄纸。将成纸置于ZQYCⅡ油压机上压榨5 min，压力0．5 MPa左右。将压榨后的纸页置于上光机上烘干，备用。按GB/T10739—2002方法处理纸张。

1.4 纸张的SEM及扫描电镜-X射线能谱分析 (SEMEDXA)

采用QUANTA 200扫描电子显微镜对纸张进行扫描电镜和能谱分析。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰处理前后的性质

2.1.1 筛分的结果分析

表1给出了粉煤灰按不同尺寸分级后的物理性质。被100目筛板截留的部分为黑色小颗粒，是粉煤灰中粒径较大的碳粒和磁珠等物质。大约42．7%的粉煤灰保留在筛缝尺寸为40 μm的筛板上，这部分粉煤灰的平均粒径为57．0 μm。通过200目筛板的粉煤灰占59．0%，所以选择这部分粉煤灰进行浮选除碳，一方面降低颗粒粒径，另一方面可以提高白度，为后续实验提供有利条件。

表1 按粒径大小分级的粉煤灰物理性质

2.1.2 浮选除碳的结果分析

粉煤灰浮选前后烧失量及白度对比如表2所示。由表2可知，浮选后粉煤灰的烧失量降低，即含碳量降低，同时白度提高，说明通过浮选除碳可在一定程度上提高粉煤灰的白度，但因受粉煤灰自身性质的影响，将其用于白度要求较高的纸张上还有一定的限制。另外，因粉煤灰提高白度有限 (一次浮选后白度提高1．5个百分点，经过两次浮选后白度也仅提高了3．3个百分点左右)，故实际生产中可省去浮选步骤，以降低生产成本。

表2 粉煤灰浮选前后烧失量及白度

2.1.3 填料混用的结果分析

将浮选除碳后的粉煤灰与碳酸钙按一定比例混合，测得白度如表3所示。其中，a样为浮选后粉煤灰与碳酸钙混合样;b样为浮选后粉煤灰再通过400目筛板部分与碳酸钙混合样。从表3中可见，漂选后粉煤灰与碳酸钙混合样比纯粉煤灰的白度提高明显。浮选除碳后粉煤灰再通过400目筛板部分与碳酸钙混合后白度与a样相比有所提高。

表3 不同混合样的白度 %

2.2 加填对纸张物理性能的影响

图1为填料用量对填料留着率的影响。由图1可见，随着填料用量的增加，加填浮选后粉煤灰 (Ⅰ)和混合样 (Ⅲ)纸张的留着率下降较快，由于填料粒径大小不同的缘故，加填浮选后再通过400目筛板部分粉煤灰 (Ⅱ)和碳酸钙 (Ⅳ)纸张的填料留着率稍有上升。

图1 填料用量对填料留着率的影响

图2为填料用量对纸张紧度的影响。从图2可知，随着填料用量的增大，纸张紧度有所下降，加填浮选后再通过400目筛板部分粉煤灰 (Ⅱ)纸张的紧度比加填浮选后粉煤灰 (Ⅰ)纸张的高，填料用量在20%～30%之间纸张紧度下降得较快;在相同的加填量下，加填混合样 (Ⅲ)纸张的紧度要比只加填粉煤灰 (Ⅰ、Ⅱ)或碳酸钙 (Ⅳ)纸张的紧度高。

图2 填料用量对纸张紧度的影响

图3为填料用量对纸张抗张指数的影响。由图3可知，加填浮选后再通过400目筛板部分粉煤灰(Ⅱ)纸张的抗张指数在一定范围内大于加填浮选后粉煤灰 (Ⅰ)纸张的抗张指数，加填混合样 (Ⅲ)的纸张具有较高的抗张指数，均高于以碳酸钙 (Ⅳ)为填料的纸张。

图3 填料用量对纸张抗张指数的影响

图4为填料用量对纸张耐破指数的影响。从图4可知，纸张耐破指数随填料用量的增加而逐渐降低。相比之下，在加填量≤20%时，加填粉煤灰 (Ⅰ、Ⅱ)纸张比加填碳酸钙 (Ⅳ)纸张的耐破指数要高;加填量＜15%时，加填混合样 (Ⅲ)纸张的耐破指数比加填粉煤灰 (Ⅰ、Ⅱ)纸张的高，随着加填量的提高，加填浮选后再通过400目筛板部分粉煤灰(Ⅱ)纸张的耐破指数下降较快。

图4 填料用量对纸张耐破指数的影响

图5为填料用量对纸张不透明度的影响。从图5可知，加填粉煤灰 (Ⅰ、Ⅱ)纸张的不透明度明显提高，并且随填料用量的增加，其与加填碳酸钙 (Ⅳ)纸张的差异逐渐变大;如图5所示，加填混合样 (Ⅲ)纸张的不透明度比单纯加填粉煤灰 (Ⅰ、Ⅱ)纸张的低，主要是受碳酸钙的影响。

图5 填料用量对纸张不透明度的影响

图6为填料用量对纸张白度的影响。由于粉煤灰的白度低于碳酸钙，以粉煤灰为填料的纸张白度随填料用量的增加而降低。如图6所示，加填混合样(Ⅲ)纸张的白度高于加填纯粉煤灰 (Ⅰ、Ⅱ)纸张的，这一点在填料用量较高时更为明显，这说明通过将粉煤灰与碳酸钙混合来提高纸张白度的方法是可行的。

2.3 纸张的SEM及SEM-EDXA分析

2.3.1 SEM分析

加填不同填料 (填料用量为20%)纸张纤维表面扫描电镜图片对比如图7～图9所示。

图6 填料用量对纸张白度的影响

由图7～图9可见，加填后纸张纤维表面有明显的沉积物，因加填物质不同呈现不同形态。粉煤灰呈颗粒状，表面光滑，与碳酸钙相比粒径较大，使其作为填料不易留着。另外，由于粉煤灰是煤燃烧后产生的飞灰，材质较松软，密度较低 (接近于水)，表面光滑，没有锐利的棱角，因此预期不像其他填料那样对造纸网产生较大的磨损。

2.3.2 SEM-EDXA分析

加填浮选后粉煤灰 (Ⅰ)纸张的能谱分析结果如图10、图11和表4所示。由表4可见，粉煤灰中含有较高含量的Si、Al、Fe、Mg等元素。

表4 粉煤灰元素分析

3 结论

3.1 经过筛分、浮选除碳及与高白度碳酸钙填料混用后的粉煤灰用作造纸填料是可行的，可在一定程度降低粉煤灰在白纸中应用的障碍。

3.2 使用粉煤灰或粉煤灰与碳酸钙的混合物 (质量比1∶1)作为造纸填料，纸张的不透明度可明显提高，但随填料用量的增加，纸张白度有所下降。

3.3 粉煤灰用作造纸填料，对纸张紧度有一定的影响;粉煤灰用量在一定的范围内，纸张的抗张指数和耐破指数优于加填碳酸钙的纸张。

［1］ 王福元，吴正严．粉煤灰利用手册［M］．北京:中国电力出版社，1997．

［2］ 全国粉煤灰综合利用成果交流会的情况报告［J］．煤，2007(88):7．

［3］ 杨红彩，郑水林．粉煤灰的性质及综合利用现状与展望［J］．中国非金属矿工业导刊，2003，37(4):38．

［4］ 陶 勇．粉煤灰的加工处理和综合利用现状［J］．中国非金属矿工业导刊，2003，77(4):12．

［5］ Akhouri Sanjay Kumar Sinha．Effects of pulverized coal fly-ash addition as a wet-end filler in papermaking［J］．Tappi Journal，2008，7(9):3．

［6］ 李京芳，朱申红，陈国栋，等．粉煤灰浮选脱碳试验研究［J］．粉煤灰，2008(2):29．

［7］ 余泉茂．利用浮选法从粉煤灰中提碳提高粉煤灰质量的研究［J］．南昌大学学报:工科版，2001，23(9):84．

［8］ 薛跃琴，张 覃．从粉煤灰中回收碳的浮选试验研究［J］．粉煤灰，2002(3):13．

［9］ 国家轻工业局质量标准处．中国轻工业标准汇编造纸卷(上册)［M］．北京:中国标准出版社，1999．

Study on Using Fly Ash as a Papermaking Filler

FAN Yu-min QIAN Xue-ren*
(Key Lab of Bio-based Material Science and Technology of Ministry of Education，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang Province，150040)

The possibility using fly ash as papermaking filler was investigated by using cationic polyacrylamide(CPAM)as a retention aid．Considering low brightness of fly ash，various means including screening，floatation and mixing with calcium carbonate were tested to improve its brightness．The experimental results showed that the combination of the above three methods can markedly improve the brightness of the filler and handsheet．Using fly ash or the mixture of 50%fly ash and 50%calcium carbonate as filler can obviously increase handsheet opacity．However，handsheet brightness will decrease with increasing filler dosage．The strength properties of fly ash-filled handsheet are better than those of calcium carbonate-filled handsheet in a certain degree．

fly ash;papermaking filler;brightness improvement

TS753．9

A

0254-508X(2012)04-0022-05

范玉敏女士，在读硕士研究生;主要研究方向:植物纤维资源节约技术。

(*E-mail:qianxueren@yahoo．com．cn)

2011-12-20(修改稿)

东北林业大学研究生科技创新项目 (gram09)。

(责任编辑:常 青)