用新型絮凝分析系統研究DCS對填料絮凝的影響

趙光磊 李 威 烏日娜 何北海

（華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640）

以往的新聞紙生產中很少或不加填料，但隨著新聞紙定量的降低，越來越多的廠家開始采用加填的方式來提高新聞紙的不透明度、白度和印刷適應性。目前，新聞紙一般采用機械漿和脫墨漿抄造，機械漿和脫墨漿中含有大量的溶解和膠體物質（DCS），DCS富集對填料絮凝有著十分重要的影響［1-3］。本研究利用基于透光脈動原理研制的新型絮凝分析系統，分析了DCS含量對不同助留系統中滑石粉和沉淀碳酸鈣（PCC）絮凝的影響并對其絮凝機理進行探討。

1 實驗

1.1 原料及藥品

TMP漿料濾液，取自華南某新聞紙廠；滑石粉，400目，取自華南某新聞紙廠；PCC，平均粒徑3～5μm，取自華南某紙廠；去離子水，自制；陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），相對分子質量700萬～900萬，電荷密度1.2mmol/g，CI BA；聚氧化乙烯（PEO），相對分子質量600萬～800萬，EQUIP technologies，加拿大；改性磺化酚醛樹脂（PFR），EQUIP technologies，加拿大；聚乙烯亞胺（PEI），相對分子質量5萬～7萬，電荷密度5mmol/g，BASF；稀硫酸，0.1mol/L，自制。

1.2 儀器

絮凝分析系統，自制；pH計，sension100，HACH，美國；冷凍離心分離機，JOUAN MR23i，法國；精密電子分析天平，AB064，METT LER TELOED公司，瑞士。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備與絮凝指數的測量

新型絮凝分析系統（該分析系統的原理及開發在“采用NILabVIEW平臺的新型絮凝分析系統的開發”中做了詳細的介紹［4］）用R值來表示絮團的絮凝指數，即反應絮團的大小。

將滑石粉或PCC預先均勻分散到一定量的蒸餾水中，備用。打開自制絮凝分析系統的電源，預熱30min，打開循環系統，取一定量的去離子水連續加入到自制的絮凝分析系統中，進行系統清洗，并排盡系統中的殘留水。取一定量已分散好的滑石粉或PCC，加入約1000mL的去離子水，并使滑石粉或PCC的質量濃度為1％，即待測的滑石粉或PCC用量為10g。按絮凝條件的要求，用稀硫酸調節pH值（滑石粉分散體系pH值6.5，模擬酸性造紙條件；PCC分散體系pH值為7.2，模擬堿性造紙條件）后加入到自制絮凝分析系統中。打開絮凝分析系統的數據采集和顯示軟件，等待輸出R值穩定后，加入不同的助留劑進行測試，按記錄鍵進行記錄，一般取200個數據點即可，記錄的數據自動被保存到文件。

1.3.2 助留劑的用量及添加順序

在PEO/PFR系統中，先加入PFR（1.6mL，質量分數0.2％），15s后加入PEO（2mL，質量分數為0.02％）；CPAM/PEI系統中，先加入PEI（3mL，質量分數0.2％），30s后加入CPAM（3mL，質量分數0.05％）；單組分PEO系統的PEO加入量2mL，質量分數0.02％；單組分CPAM系統的CPAM加入量2mL，質量分數0.05％。

1.3.3 DCS含量測定

采用離心的方法去除TMP磨后洗漿水中的細小纖維和填料等得到含DCS的水樣，經測定DCS的含量為3.67g/L。采用0、20％、40％、60％、80％來表示DCS含量的變化，如80％表示該體系中DCS含量為80％×3.67g/L。

2 結果與討論

2.1 DCS含量對不同助留系統中滑石粉絮凝的影響

DCS含量對不同助留系統中滑石粉絮凝的影響如圖1所示。由圖1可知，當DCS含量為0時，PEO/PFR助留系統中滑石粉絮團明顯大于與其他助留系統的，這是因為在PEO/PFR助留系統中，有“協同因子”（PFR）的輔助作用，有助于滑石粉產生良好的絮凝［4-7］；單組分助留系統PEO、CPAM及雙元助留系統CPAM/PEI對滑石粉的絮凝作用，隨著DCS含量增加整體上呈增強的趨勢。這是由于DCS在滑石粉絮凝過程中可能起到類似于“協同因子”的作用，即呈負電性的DCS吸附于滑石粉表面，為滑石粉顆粒提供了與PEI、CPAM以及PEO等產生作用的“位點”，從而增強了對滑石粉的絮凝作用。

2.2 DCS含量對不同助留系統中PCC絮凝的影響

在DCS含量變化下，不同助留系統對PCC絮凝的影響見圖2。由圖2可知，當DCS含量為0時，PEO/PFR系統中的絮團大小明顯高于其他3種絮凝系統的，且隨著DCS含量的變化，PCC分散體系中絮團大小變化較穩定。單組分助留系統PEO、CPAM及雙元助留系統CPAM/PEI對PCC的絮凝作用，隨著DCS含量增加整體上呈增強的趨勢。

2.3 助留系統對填料絮凝影響的機理探討

本研究選擇了目前應用較為普遍的雙元助留系統PEO/PFR、CPAM/PEI，采用自制的絮凝分析系統對整個絮凝過程進行研究，并對相關絮凝機理進行推測和探討。

2.3.1 CPAM/PEI助留系統對滑石粉絮凝的機理

上述研究表明，一定范圍內，DCS含量的增加有助于CPAM/PEI助留系統提高滑石粉絮團的大小，這可能是因為DCS在滑石粉表面吸附樹脂以及DCS中陰離子垃圾使滑石粉表面性質有較大的改變。滑石粉與PEI和CPAM發生作用時，表現出不同的絮凝作用。當DCS含量為80％時，在滑石粉分散體系中先后加入PEI和CPAM后R值的變化見圖3。由圖3可知，在加入PEI后，滑石粉產生了一定程度的絮凝，而當加入CPAM后，絮團有了較大程度的增大。結合上述對滑石粉絮凝行為的分析，在DCS含量影響下，滑石粉絮凝機理推測見圖4。

2.3.2 PEO/PFR助留系統對PCC絮凝的機理

當DCS含量為80％時，分別添加PFR和PEO后，PCC分散體系R值的變化見圖5。由圖5可知，加入“協同因子”（PFR）后，PCC分散體系的R值沒有發生改變；而當加入PEO后，PCC分散體系產生了較大程度的絮聚，而且隨著時間的延長，絮聚所產生的絮團尺度變化曲線也在不斷地波動。根據該助留系統絮凝過程中的表現，推測其絮凝機理如圖6所示。

3 結論

采用自主開發的絮凝分析系統，通過測量反應絮團大小的R值，分析了DCS含量對不同助留系統中填料絮凝的影響及其絮凝機理。

3.1 一定程度上，DCS含量的增加可以提高陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）、聚氧化乙烯（PEO）及CPAM/PEI（聚乙烯亞胺）這3種助留系統對填料絮聚所產生絮團的大小；由于PFR的“協同因子”作用，即使在DCS含量為0時，PEO/PFR（改性磺化酚醛樹脂）助留系統也會表現出較強的絮凝能力。

3.2 對于CPAM/PEI助留系統來說，滑石粉分散體系在加入PEI時會形成一定程度的絮聚，當加入CPAM后可再形成較大尺度的絮團；而對于PEO/PFR系統，“協同因子”PFR的加入對PCC不起絮凝作用，只有在PEO加入后PCC才會產生較大絮團。

以上研究結果表明，新型絮凝分析系統對于研究助留系統對填料的絮凝行為及絮凝機理是一種有效的工具。

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