采用定著劑控制舊報紙脫墨漿中的黏性物質

于海龍 高 揚, 張鳳山 秦夢華

(1.山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室,山東濟南,250353;2.華泰集團有限公司,山東廣饒,257335)

采用定著劑控制舊報紙脫墨漿中的黏性物質

于海龍1高 揚1,2張鳳山2秦夢華1

(1.山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室,山東濟南,250353;2.華泰集團有限公司,山東廣饒,257335)

以舊報紙脫墨漿生產線后段 3個部位 (后浮選后、D IP貯漿塔處、流漿箱前)取樣的漿料為對象,采用兩種膠黏物定著劑 (Hybrid 7655和 Hybrid 8185)進行控制膠黏物的研究。以鋁箔法檢測了膠黏物的沉積量,并通過檢測溶解與膠體物質 (DCS)含量、濾液濁度、陽離子需求量和纖維表面 Zeta電位,評價了使用膠黏物定著劑后漿水體系的濕部化學特性,討論了控制膠黏物的作用途徑。結果表明,兩種定著劑都能有效地控制舊報紙脫墨漿中的黏性物質,顯著降低了鋁箔法檢測的膠黏物沉積量,并且降低了濾液的DCS含量和濁度以及陽離子需求量;Hybrid 7655比 Hybrid 8185的作用效果好;在D IP貯漿塔處的漿樣中使用定著劑,膠黏物沉積量降低的幅度更大一些;定著劑對紙張的物理強度有一定的影響。

舊報紙脫墨漿;膠黏物定著劑;膠黏物控制

為了緩解造紙工業所面臨的資源、環境和能源問題,廢紙作為重要的造紙纖維來源日益受到重視。對于森林資源匱乏的我國,重視廢紙纖維回用并解決關鍵技術問題具有更為重要的現實意義。廢紙漿的構成遠比原生紙漿復雜,不僅包括纖維、細小組分和填料,還包括大量黏性物質。以全廢紙脫墨漿生產新聞紙為例,不僅需要提高細小組分和填料的留著,而且需要控制黏性物質引起的生產問題。此外,廢紙漿中存在的溶解與膠體物質 (DCS),直接影響著抄造紙張過程中的濕部化學性質,如陽離子助劑需要量、體系 pH值和電導率等,增加了選擇助劑體系并實現最佳效果的難度。造紙用水系統的封閉循環增加了有害物質的累積,加劇了黏性物質導致的問題,更凸顯了控制膠黏物的要求[1]。因此,與采用木材制漿相比,廢紙回用于造紙需要解決更為特殊的矛盾[2]?？刂颇z黏物有多種途徑,可分為物理法和化學法。物理法是通過工藝設備實現的,包括通過篩選去除大膠黏物,通過浮選去除微細膠黏物,通過熱分散將膠黏物分散成為易于浮選去除的微粒等[3]?；瘜W法的作用對象主要是物理法難以去除的雜質,包括具有生成次生膠黏物趨向的成分等,這類雜質的粒度細微,屬于膠體范疇。選取化學定著劑需要根據漿料體系特性而定,使用條件的控制也直接影響著化學定著劑的使用效果?？刂颇z黏物的方式可歸為以下類型:①固定和留著,即通過使用濕部化學品使黏性物質吸附并固著在漿料纖維上,隨同抄造的紙張帶出系統。定著劑和助留劑的使用屬于此類,多為用水封閉循環的造紙系統所采用。②使用無機填料,如滑石粉,使得膠黏物附著于其上而降低黏性,通過加填作用留存在紙張中。③使用膠黏物鈍化劑,改變黏性微粒的表面性質而降低其黏性,或者控制電導率、電荷正負以及體系pH值,降低膠黏物的沉積趨勢。脫黏劑和分散劑的使用屬于此類,適用于漿料洗滌工段和造紙用水開放系統。④改變設備表面的物理化學性質,防止黏性物質的沉積。此方法雖未減少系統中的雜質,但可在一定程度上防止沉積物的形成,常在紙機壓榨部和干燥部采用[4]。

在上述方法中,將膠黏物吸附并固著于漿料纖維表面,隨同抄造的紙張帶出系統,是減少造紙系統中黏性物質積累的合理途徑。目前,主要采用低分子質量、高電荷密度的陽離子聚合物,包括聚胺 (Polyamine)、聚乙烯亞胺 (Polyethylenimine,PEI)及其改性物、陽離子聚丙烯酰胺 (Cationic Polyacrylamide,CPAM)等。當陽離子聚合物與帶負電荷的微粒相遇時,會吸附在微粒表面,形成所謂的電荷 “補丁”而使微粒發生局部陽離子化,進而吸附微粒于帶負電性的纖維表面[5-7]。此外,漿料懸浮液中的膠黏物微粒呈負電性,具有較高的陽離子需求量,易于與陽離子型聚合物相互作用,為被其吸附于纖維表面提供了可能。本實驗以大型舊報紙脫墨漿生產線 3個重點部位 (后浮選后、D IP貯漿塔和流漿箱前)的漿樣為研究對象,研究了美國 Nalco公司提供的兩種膠黏物定著劑對漿料中黏性物質的控制效果,以期為膠黏物定著劑的研發和工業生產應用提供有用的借鑒。

1 實 驗

1.1 漿料取樣與膠黏物定著劑

舊報紙脫墨漿取自 1250 t/d脫墨漿生產線,取樣點為后浮選槽后、D IP貯漿塔和流漿箱前。Nalco公司提供的膠黏物定著劑編號為 Hybrid 7655和 Hybrid 8185,使用前配制成質量分數為 1%的溶液備用。兩種膠黏物定著劑均為以環氧氯丙烷和二甲胺為單體合成的聚胺類物質,Hybrid 7655為高電荷密度的陽離子聚合物,Hybrid 8185為中等電荷密度的陽離子聚合物。

1.2 膠黏物定著劑的使用

稱取相當于 20 g絕干漿的漿料,置入 2000 mL燒杯,用去離子水稀釋。按照實驗方案設定的用量(0.10%、0.15%和 0.20%,均對絕干漿)將膠黏物定著劑加入漿料懸浮液,溫度控制在 50～60℃,攪拌 20 min后抄制紙張。

1.3 鋁箔法檢測膠黏物的實驗

在實驗室條件下抄制定量為 120 g/m2的手抄片。將預先干燥并稱重的鋁箔覆蓋于抄制的濕手抄片上,壓榨脫水后將鋁箔與濕手抄片一起于 130℃干燥10 min。鋁箔與手抄片分離后稱重,鋁箔增加的質量記為膠黏物的沉積量。取 12次平行實驗的平均值作為檢測結果。

1.4 DCS的檢測

取一定量的漿料懸浮液,用動態濾水性測定儀(DDJ)分離除去纖維成分,量取 50 mL濾液,于2000 r/min離心分離 20 min后,取上層清液于 105℃蒸發,所得殘余固形物即為DCS。取 3次平行實驗的平均值作為檢測結果。D IP貯漿塔漿樣的檢測,是將濃度為 5%左右的漿料稀釋至濃度 1.5%后進行的。

1.5 造紙濕部化學性質的檢測

陽離子需求量 (CD值)采用 Mütek PCD-03型膠體電荷滴定儀檢測,所用的標準陽離子物質為0.001 mmoL/L聚二烯丙基二甲基氯化銨 (PDADMAC)。濾液濁度采用 WGZ-200型光電濁度儀測定。檢測濾液濁度時,除了量取相同體積 100 mL,還需要注意待測漿樣的濃度。對于濃度比較高的D IP貯漿塔取樣,先用濾網將長纖維截留,再量取濾液進行真空抽濾。漿料 Zeta電位采用Mütek SZP-06型 Zeta電位儀檢測,取 3次平行實驗的平均值作為檢測結果。

1.6 手抄片強度性能檢測

用從D IP貯漿塔取樣的脫墨漿成漿在實驗室抄制定量為 (60±2)g/m2的手抄片。手抄片置于恒溫恒濕室 (溫度 23℃,濕度 50%)24 h后檢測手抄片抗張強度、耐破度和撕裂度,檢測方法按照國家相關標準進行。

2 結果與討論

2.1 鋁箔法檢測定著劑對膠黏物的控制效果

采用鋁箔法檢測膠黏物的沉積量,可在一定程度上反映干燥過程中濕手抄片所含黏性物質的沉積狀況。膠黏物定著劑 Hybrid 7655和 Hybrid 8185應用于3處漿樣的作用效果分別如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可以看出,使用膠黏物定著劑后,抄紙過程中沉積于鋁箔的膠黏物量明顯地減少。這是容易理解的:兩種定著劑都屬于陽離子聚合物,加入漿料中后會通過 “補丁”方式吸附于漿料纖維,在纖維表面形成帶正電荷的區域。漿水體系中帶負電荷的雜質微粒 (如微細膠黏物等)與定著劑接觸時,定著劑帶正電荷的部位會以電荷中和的方式吸附這些負電性雜質。作用的結果是使膠黏物吸附于纖維表面,亦即減少了漿料中呈游離狀態的膠黏物含量。因而,干燥過程中沉積于鋁箔的膠黏物量明顯降低?？梢栽O想,若在生產中采用定著劑,抄紙過程中膠黏物在造紙機部件上的沉積趨勢會相應地明顯降低。

兩種定著劑都表現出了控制脫墨漿中膠黏物的效果,并且隨著定著劑用量的增加,沉積出來的膠黏物量降低。在脫墨漿生產線后段 3個部位取樣的漿料中分別使用定著劑的實驗表明,在D IP貯漿塔處漿樣中使用定著劑,實驗室抄造紙張時膠黏物沉積量降低的幅度最大。當用量同為 0.20%時,Hybrid 7655的作用效果優于 Hybrid 8185,鋁箔法沉積實驗的膠黏物量可分別降低 63.3%和 43.4%,高于后浮選后漿樣的數據(60.4%和 41.5%)和流漿箱前漿樣的數據 (51.6%和 32.8%)。在生產實踐中,既可以在 D IP貯漿塔中加入預定用量的定著劑,也可以將一部分定著劑施加于 D IP貯漿塔,另一部分施加于造紙機流漿箱。

2.2 定著劑對 DCS的控制效果

從減少對環境影響和降低運行成本考慮,造紙系統用水封閉循環的程度要求愈來愈高。然而,隨著用水封閉循環程度的提高,陰離子物質會逐漸累積,直至影響造紙生產的濕部化學環境。這類物質主要以溶解與膠體狀態存在于漿水系統中,稱為溶解與膠體物質 (DSC)。當操作條件發生變化時,DCS易于失穩產生集聚,進而發生沉積,影響紙機的正常運行。以全脫墨漿為原料生產新聞紙的造紙系統,對紙機運行影響最大的次生膠黏物主要以 DCS形式存在于白水中。因此,如何有效地控制和去除 DCS對于紙機的正常運行尤為重要。定著劑對漿料濾液中 DCS的影響分別如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出,在生產線 3個部位取樣的漿料中使用定著劑,濾液的 DCS含量均隨著定著劑的加入而降低。其中,Hybrid 7655降低 DCS的作用效果略好于 Hybrid 8185。用量均為 2.0%時,Hybrid 7655可使后浮選后、D IP貯漿塔處和流漿箱前漿料的 DCS含量分別降低 7.9%、31.6%和 21.2%;Hybrid 8185可使 DCS的含量分別降低 4.3%、26.6%和 15.4%。因此,在全脫墨漿生產新聞紙的造紙系統中應用膠黏物定著劑,對于改善造紙用水封閉循環系統的化學環境有著實際價值。

2.3 定著劑對造紙濕部化學性質的影響

2.3.1 定著劑對纖維表面 Zeta電位的影響

漿料纖維表面的 Zeta電位反映了其表面電荷電勢的高低。檢測 Zeta電位可以了解使用定著劑后纖維表面所帶電荷的變化情況。定著劑對纖維表面 Zata電位的影響如圖7～圖9所示。由圖7～圖9可以看到,在生產線 3個部位取樣的漿料中分別施加定著劑后,纖維表面的 Zeta電位變化趨勢相同,均表現為逐漸增加。定著劑 Hybrid 7655使得纖維表面 Zeta電位增加的幅度大于 Hybrid 8185。可以這樣理解,由于漿料纖維的表面帶有負電荷,當加入陽離子型的定著劑后,一部分定著劑分子可能會直接與漿水體系中呈負電性的 DCS結合,形成復合體并隨后吸附于纖維;另一方面是定著劑分子會通過電荷中和的方式吸附于纖維表面,使得纖維表面的負電性減弱,從而呈現出 Zeta電位增加的趨勢。被纖維吸附的定著劑也會在纖維表面形成帶正電荷的補丁,從而吸附漿水體系中帶負電荷的 DCS,使 DCS附著于漿料纖維隨著抄制的紙張而從系統中去除。

2.3.2 定著劑對濾液陽離子需求量的影響

加入定著劑前后漿樣濾液的陽離子需求量如圖10～圖12所示。由圖10～圖12可以看到,對于 3個部位的漿樣,兩種定著劑都有降低漿料濾液陽離子需求量的明顯效果。

結合前述 Zeta電位的變化,可知陽離子需求量的減少緣于漿水體系中 DCS的減少。而且,負電性DCS的減少是因其附著于漿料纖維隨同抄制的紙張帶出了造紙系統,由此減少了在造紙用水循環系統中DCS的累積。此外可以看到,Hybrid 7655降低濾液陽離子需求量的效果優于 Hybrid 8185。在 0.2%定著劑用量下,Hybrid 7655與 Hybrid 8185可使流漿箱前漿料濾液的陽離子需求量從初始時的 1.320 mmol/L分別降低到 0.749 mmol/L和 0.955 mmol/L。

2.3.3 定著劑對濾液濁度的影響

濁度是由體系中懸浮顆粒和膠體顆粒引起的,濁度的大小可以間接反映膠體物質的濃度[8-9]。圖13～圖15所示為使用定著劑對漿料濾液濁度的影響。由圖13～圖15可以看到,兩種定著劑對于 3個部位的漿料均有降低漿料濾液濁度的作用,并且隨著定著劑用量的增加,濾液濁度逐漸降低。降低漿料濾液濁度的原因可以解釋為[10]:①定著劑打破了體系的平衡,帶陽電荷的定著劑通過靜電中和與負電荷的 DCS作用,使黏性物質微粒形成較大的聚集體,更易于被截留在濕紙頁的纖維網絡中;②帶陽電荷的定著劑會吸附在纖維表面,形成電荷補丁,然后再吸附帶負電荷的黏性物質微粒,使其隨同抄造的紙張帶出系統。與Hybrid 8185相比,Hybrid 7655可更有效地漿料濾液濁度。這是由于 Hybrid 7655具有更高的陽離子化程度,在漿料中能夠吸附更多的陰離子雜質,聚集更多的DCS,因而更大幅度地降低了漿料濾液濁度。

從圖13～圖15還可以看出,3個部位取樣漿料的濾液濁度降低程度有所不同。定著劑用量均為0.20%時,Hybrid 7655可使后浮選后、D IP貯漿塔和流漿箱前漿料的濾液濁度分別降低了 49.1%、87.8%和 71.5%;Hybrid 8185使不同取樣處漿料的濾液濁度降低分別為 27.7%、83.7%和 63.2%。由此可見,在D IP貯漿塔處施加定著劑,降低漿料濾液濁度的效果更好。鋁箔法檢測膠黏物沉積的數據也表明,在D IP貯漿塔處施加定著劑可以獲得更好的效果。D IP貯漿塔處的漿料濃度約為 5%,遠高于后浮選后和流漿箱前的漿料濃度。因此,在D IP貯漿塔處施加定著劑,作用的有效濃度高。在實際生產線上,在此處施加定著劑也保證有充分的混合和作用時間。

2.4 定著劑對手抄片物理強度的影響

以D IP貯漿塔處取樣的成漿抄制手抄片,檢測使用定著劑對手抄片物理強度的影響。因為在D IP貯漿塔處加入定著劑可以取得更好的效果,而且此時尚未添加填料及其他化學品,可以排除其他因素對檢測結果的干擾。檢測結果如圖16～圖18所示。

檢測數據表明,使用定著劑會影響手抄片的強度性能,隨著定著劑用量的增加,手抄片的抗張指數、耐破指數和撕裂指數均有所降低。Hybrid 7655和 Hybrid 8185用量均為 0.20%時,手抄片抗張指數從32.6 N·m/g分別降至 30.0 N·m/g和 31.2 N·m/g,降低幅度為 8.0%和 4.3%;耐破指數從 4.23 kPa·m2/g分別降至 3.98 kPa·m2/g和 4.01 kPa·m2/g, 降低幅度為 5.9%和 5.2%;撕裂指數從 7.27 mN·m2/g分別降至 6.88 mN·m2/g和 7.01 mN·m2/g,降低幅度為 5.7%和 3.4%。這是易于理解的,在漿料中使用定著劑后,吸附和定著于纖維表面的黏性物質增加了纖維之間結合的阻礙,因而影響了手抄片的強度指標。Hybrid 7655比 Hybrid 8185對手抄片強度性能的影響更大。因此,在生產實際中需要確定適宜的定著劑用量,既使膠黏物問題得到有效控制,也要考慮將紙張物理強度受到的影響控制在可以接受的范圍。

3 結 論

3.1 膠黏物定著劑 Hybrid 7655和 Hybrid 8185都有降低膠黏物沉積量、濾液濁度、DCS含量的明顯作用,都能有效地用于控制舊報紙脫墨漿中潛在的次生膠黏物。其中,定著劑 Hybrid 7655的作用效果明顯優于定著劑 Hybrid 8185。

3.2 對于后浮選后、D IP貯漿塔處和流漿箱前取樣的漿樣應用膠黏物定著劑的實驗室實驗表明,在 D IP貯漿塔處加入定著劑可以取得更好的效果。除了有效作用濃度高之外,從生產流程來說亦提供了定著劑與黏性物作用的充分時間。

3.3 使用定著劑后,漿料纖維表面 Zeta電位有所增加,陽離子需求量明顯降低,有利于改善造紙系統的化學環境和造紙用水的封閉循環。

3.4 定著劑用量為 0.20%時,成紙物理強度降低大約 3%～8%,因此采用定著劑控制膠黏物問題時,需要綜合考慮到其對紙張強度性能的影響。

[1] Seika Tay.EffectofDissolved and ColloidalContaminants inNewsprintMachineWhiteWateronWater Surface Tension and Paper Physical Properties[J].Tappi Journal,2001,84(8):1.

[2] Miranda R,Balea A,De La Blanca E S,et al.Identification of Recalcitrant Stickies and Their Sources inNewsprint Production[J].Industrial and Engineering Chemistry Research,2008,47(16):6239.

[3] Dechandt A,Watkins T,Pruszynski P.Total Approach to Deposit Control on Newsprint Machine Using T MP and D IP Pulp Mix from Specialized Fixation of Individual Pulps to Retention[J].Appita Journal,2004,57(1):13.

[4] Pruszynski P,Jakubowski R.Understanding Sensitivity of Retention Programs toWet End ChemicalContamination in T MP-BasedNewsprint Furnish[J].Appita Journal,2006,59(2):114.

[5] Zule J,Dolenc J.Physico-Chemical Characterization of Detrimental Paper Machine-Deposits[J]. Materialin Technology,2004,38:103.

[6] HubbecM A,RojasO J,Venditti R A.Control of TackyDepositson Paper Machines-A Review[J].Nordic Pulp and Paper Research Journal,2006,21(2):161.

[7] WellslL,Keech G,AllenL,et al.DevelopmentofA Comprehensive Chemical Program for Retention,Drainage and Stickies Control for A NewsprintMachine Using A 100%Deinked Furnish[C]//Proceedings of PAPTAC 93rd Annual Conference,Canada:Montreal,2007.

[8] Huo X,Venditti R A,Chang H M.Effect of Cationic Polymers,Salts,and Fibres on The Stability of Model Micro-Stickies[J].JPPS,2001,27(6):207.

[9] 李宗全,詹懷宇,孔凡功,等.陽離子聚合物對次生膠黏物穩定性及沉積性能的影響 [J].中國造紙,2005,24(8):14.

[10] Shetty C S,Greer C S,Laubach GD.A LikelyMechanism for Pitch Deposition Control[J].Tappi Journal,1994,77(10):91.

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

于海龍先生,在讀碩士研究生;主要研究方向:纖維資源制漿造紙特性與生物技術的應用。

(＊E-mail:y_gao@hotmail.com)

2011-02-11(修改稿)

本課題為山東省“泰山學者”建設工程專項經費資助項目(TS200637022);國家自然科學基金 (30972327)和教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目 (NCET-08-0882)。

(責任編輯:陳麗卿)