廢紙漿料中纖維細小組分和無機物組分的分離技術

廢紙漿料中纖維細小組分和無機物組分的分離技術

當今，廢紙已成為紙張生產中纖維原料的最重要來源。與化學漿和機械漿相比，廢紙具有諸多優點，如漿料制備的能耗更低，原料成本更加低廉。但是廢紙本身也存在許多缺點，如雜質（非纖維類物質）含量較高等。其中，填料和顏料的存在已經成為影響廢紙利用的主要因素。由于填料在紙張生產中的應用比例不斷增加以及白水循環程度不斷提高，廢紙中無機物組分的含量也逐漸增加。廢紙中無機物組分的增加導致在使用無機物組分含量高的廢紙生產高檔紙張時，經常會帶來諸多的問題。例如，在使用廢紙作為原料時，包裝紙生產廠商不得不采取措施以保證紙張的強度性能，因為原料中無機物組分（填料）含量的增加會對紙和紙板的強度產生負面影響；繪圖紙廠商在使用廢紙進行生產時，需要時刻關注廢紙原料的引入所導致的漿料質量波動問題，并被動地采取措施以保證紙機運行穩定性；對于衛生紙廠商來說，他們在利用廢紙之前首先需要去除其中大部分的無機物組分，但這又導致了原料的浪費。因此，紙廠在利用廢紙作為原料時，希望能夠選擇性地去除其中的無機物組分。

為了去除廢紙中的雜質，其漿料制備過程中需采用相應的分離和清洗技術。紙廠常用的分離設備包括浮選機、網篩以及旋風分離器。上述設備都能用來去除漿料中的無機物組分，但是均存在選擇性較差的問題，即在分離出無機物組分的同時又將大量的纖維帶走。另外，使用這些設備分離所得的渣料中含有45%～65%的有機物質（纖維組分）。因此，采用這些常規技術來去除廢紙中的無機物組分無疑會導致纖維原料的嚴重流失且帶來較大的處理難度。所以，研究具有較佳的分離技術以實現選擇性地分離廢紙中的無機物組分是很有必要的。

本研究采用了新的分離技術用于廢紙中無機物組分（填料和顏料）的分離。該技術基于篩分和沉降技術，包含了2個分離步驟。

1 研究目標

本研究旨在開發出適用于去除廢紙漿料中無機物組分的新型選擇性分離技術，以期達到提高廢紙漿料中無機物組分的分離效率和改善廢紙原料利用率的目的。新型選擇性分離技術包含了2個核心步驟。首先，通過篩分技術將廢紙漿料中的長纖維組分分離出來，然后再采用基于沉降原理并能夠將纖維細小組分和無機物粒子分離的新設備來處理含細小組分（由細小纖維和無機物組分組成）的廢紙漿料懸浮液。采用合適的沉降工藝可以解決前面提到的廢紙中各組分選擇分離效果較差的問題。

2 實驗

實驗首先準備了纖維原料和無機物原料，這些原料未經過造紙生產工序的處理。采用逆流沉降槽對上述原料所組成的漿料進行分離。實驗結果證明該裝置具有很好的分離效果。

因為本研究的目的是要對廢紙漿料進行有效的分離處理，所以在接下來的實驗中設計了2種紙種：未涂布紙和涂布紙。未涂布紙作為涂布原紙，其只含有碳酸鈣填料。涂布紙采用未涂布紙經過2次涂布獲得，第1涂層只含有碳酸鈣涂料，第2涂層則含有50%的碳酸鈣和50%的白土。然后，分別將上述2種紙種制備成漿料。利用碎漿機在4%的濃度下對上述紙種進行制漿處理。將所制備的漿料在孔徑為150 μm的篩網上過濾，進而分離去除長纖維組分。過篩網的細小組分漿料用于粒子實驗和分離試驗。未涂布紙的細小組分漿料由45%的細小纖維和55%的無機物粒子組成；涂布紙的細小組分漿料則由24%的細小纖維和76%的無機物粒子組成。在下文中，未涂布紙的細小組分漿料和涂布紙的細小組分漿料分別簡稱為“未涂布紙”和“涂布紙”。

粒子實驗使用的儀器為壓力離心機和沉降盤。在分離試驗中，細小組分漿料分批進入逆流沉降槽并形成楔形形狀，然后繼續在錐形逆流沉降槽中處理。鑒于實驗所涉及漿料均具有較高的碳酸鈣含量，所以分離效果是按照ISO-1762標準，通過測量細小組分漿料在進入逆流沉降槽前和最終產物的灼燒灰分（灼燒溫度為525℃）來評價。為了比較本次實驗的效果，同時也進行了PTS浮選槽實驗，所用浮選劑按照Ingeda Method 11中的標準方法來選配。

3 結果和討論

楔形沉降實驗結果表明，纖維細小組分能夠形成絮聚物，并且先于無機物粒子沉降下來。絮聚物的形成主要是由于纖維細小組分之間發生了定向移動和聚集。但是，上述絮聚物尺寸的增加不是無限制的。漿料中的纖維細小組分越多，所形成的絮聚物就越多，盡管其尺寸不是很大。即便是無機物粒子本身具有較高的密度，由于發生了絮聚，纖維細小組分才能先于無機物顆粒沉降下來。這就使得采用沉降方法分離纖維細小組分和無機物粒子成為可能。纖維細小組分和無機物粒子的分離需具備一個前提，即纖維細小組分上不能附著無機物粒子，但是這在廢紙漿料中是無法避免的。廢紙中含有的助留劑和膠粘劑會吸附到纖維、細小纖維、填料以及顏料上，并將上述組分聚集起來。即使在廢紙再制漿過程中，上述各組分的聚集也很難充分解聚和分散，從而導致纖維細小組分上仍附著有無機物粒子。以往的研究也證實，“未涂布紙”和“涂布紙”中纖維細小組分和無機物粒子表現出了相同的沉降速率，從而不能通過沉降的方法將這2種組分分離。因此，如果不經過預處理，“未涂布紙”和“涂布紙”中纖維細小組分和無機物粒子的分離是實現不了的。

為將纖維細小組分和無機物粒子進行分離，“未涂布紙”和“涂布紙”需在捏合式攪拌機中進行熱-機處理。熱-機處理使得漿料各組分的平均沉降速率減緩，但卻能使平均沉降速率的分布區域擴大，這說明絮聚物被破壞了。圖1顯示了在錐形逆流沉降槽進行楔形沉降分離前后，在捏合式攪拌機中采用和不采用熱-機處理的“未涂布紙”和“涂布紙”的無機物含量的對比情況。

圖1 在捏合式攪拌機中采用和不采用熱-機處理的“未涂布紙”和“涂布紙”的無機物含量的對比

由圖1可知，同楔形沉降的分離效果相比，在捏合式攪拌機中進行熱-機處理能夠破壞由纖維細小組分與無機物粒子所組成的絮聚物。由此可見，熱-機處理使得纖維細小組分與無機物粒子的分離成為了可能。

在熱-機預處理實驗完成后，緊接著對影響分離的重要參數進行了考察。纖維細小組分的濃度是除漿料流體流動比率之外影響分離的最重要因素。纖維細小組分濃度太低會降低分離效率，這是因為在較低濃度下不能保證所有的纖維細小組分都形成絮聚物。相反，纖維細小組分濃度太高也會降低分離效率，這則是因為在較高濃度下，強烈的絮聚作用使得更多的無機物粒子吸附和嵌入到纖維細小組分中，所形成的絮聚物在沉降過程中產生了互相干擾。纖維細小組分含量與分離效果的關系如圖2所示。

圖2 纖維細小組分濃度對逆流沉降后所得有機物部分和無機物部分中無機物含量的影響

這種基本關系適用于所有的逆流沉降槽，但是圖2中曲線的位置取決于沉降槽的幾何形狀以及其工作模式。

逆流沉降槽本身的形狀（楔形）具有一定劣勢，僅能分段操作。因此，實驗中選用了可以連續操作的錐形逆流沉降槽，并采用該錐形逆流沉降槽對“未涂布紙”進行了實驗。在錐形逆流沉降槽和浮選槽進行分離前，采用捏合式攪拌機對“未涂布紙”進行預處理。浮選實驗在PTS浮選槽中進行，所用浮選劑按照Ingeda Method 11中的標準方法來選配。實驗表明，浮選的選擇性較差。圖3顯示的是在PTS浮選槽和錐形逆流沉降槽中“未涂布紙”的分離效果。

圖3 分別經PTS浮選槽和錐形逆流沉降槽分離處理前、后的“未涂布紙”的無機物含量

由圖3可見，在相同的條件下，錐形逆流沉降工序的分離效果要比浮選工序好。實驗中，有機組分經過錐形逆流沉降槽的回收（第1次通過）并再次進入到錐形逆流沉降槽中（第2次通過）。第2次進入沉降槽可以將第1次吸附和嵌入在纖維細小組分絮聚物中的無機物粒子回收。

錐形逆流沉降工藝可以解決纖維細小組分和無機物組分分離的問題，但是該工序的處理量較小，因此其應用的經濟性較差。如果能夠借助離心作用實現纖維細小組分和無機物組分的分離，那對于工廠來說將是經濟可行的辦法。

（王亮 編譯）