活性炭濾紙中活性炭留著率初探

趙 濤高玉杰陳哲慶劉 文陳雪峰

(1.天津科技大學制漿造紙重點實驗室，天津，300457；2.中國制漿造紙研究院，北京，100102)

活性炭濾紙中活性炭留著率初探

趙 濤1，2高玉杰1陳哲慶2劉 文2陳雪峰2

(1.天津科技大學制漿造紙重點實驗室，天津，300457；2.中國制漿造紙研究院，北京，100102)

活性炭濾紙中活性炭含量很高，本論文主要研究了活性炭留著率的測試方法及影響活性炭留著率的主要因素。

活性炭濾紙 留著率 過濾

活性炭濾紙是一種特殊的過濾介質材料，它是將活性炭加入紙漿中抄造成的具有多孔網絡結構的一種功能性材料，具有回收、除臭、脫色、凈化等多項作用。它的過濾機理在于紙中的活性炭粒具有微多孔結構，比表面積非常大，有很強的吸附能力，能有選擇性地吸附、分離有毒有害物質。目前由于水體的污染，飲用水水質問題已成為當今世界面臨的普遍性問題。人們逐步認識到，常規(guī)的絮凝沉淀、過濾、消毒凈化工藝已不能有效去除水中的病原菌、病毒等，不能保障飲用水的衛(wèi)生與安全。因此，以去除飲用水中有機污染物及有毒有害物質為目標的飲用水嘗試凈化技術得到日益廣泛的應用，活性炭濾紙的運用即為這些嘗試凈化技術中的一種。

在活性炭濾紙的抄造過程中活性炭流失很嚴重，而活性炭濾紙中的含炭量會影響其過濾性能。因此本論文的目的是在保證活性炭濾紙其它指標的條件下提高活性炭在活性炭濾紙中的留著率，以增強活性炭濾紙的過濾性能。

1 實驗

1.1 實驗儀器和原料

1.1.1 實驗儀器設備

L&W纖維分析儀、23L瓦利打漿機、顯微鏡、纖維標準解離器、德國產抄紙器、Zeta電位儀、動態(tài)濾水儀以及相關紙張物理指標檢測設備等。

1.1.2 實驗原料

進口活性炭濾紙、木漿絲光化漿、漂白針葉木漿、增強劑、濕強劑、活性炭。

針葉木漿：用23L瓦利打漿機輕刀打漿；絲光化漿：牡丹江恒豐紙業(yè)提供；

化學纖維：日本產，規(guī)格1.67D×5 mm；

活 性 炭：進口活性炭為美國產；國產活性炭為天津某廠提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 制定活性炭燒失率曲線

為確定活性炭在不同高溫下的燒失率，實驗在500℃和900℃下將進口活性炭和國產活性炭灼燒至恒重，然后做出其灼燒曲線。

1.2.2活性炭留著率測定方法

方法一：設定動態(tài)濾水儀系統(tǒng)濃度0.8%。取一定量絕干漿，在動態(tài)濾水儀上測定漿料中細小纖維含量M1，另取按照比例將漿料與M2活性炭混合好的漿樣，稀釋至同樣的濃度0.8%，在動態(tài)濾水儀中濾出白水，并將濾液在布氏漏斗中過濾，最后烘干并稱量濾紙質量M3,活性炭留著率按式 （1）計算而得。

方法二：按照漿料與活性炭的比例配置，稀釋后在同樣的濃度、真空抽吸時間下，在抄紙器中抄出手抄片M，取M1活性炭紙進行燒灰，灰分質量為M2，假設漿料灰分質量忽略不計，活性炭燒失率為A，活性炭留著率按式 （2）計算而得。

方法三：取一定的絕干漿料M1，加入M2的活性炭，在同樣的濃度、真空抽吸時間下在抄紙器中抄出手抄片，烘干稱量后質量為M3，活性炭留著率按式

（3）計算而得.

注：M1、M2、M3 皆為絕干質量1.2.3漿樣Zeta電位的測定

將漿樣稀釋，控制其濃度，攪拌均勻，采用Zeta電位儀分別對進口紙、纖維原料、活性炭及各個實驗方案進行測試。

1.2.4 助留系統(tǒng)的確定

對APAM單元系統(tǒng)、瓜爾膠單元系統(tǒng)、CPAM單元系統(tǒng)等助留劑進行試驗優(yōu)化對比。

1.3 測試方法

紙張平衡水分后，按照國家標準方法測量紙張的物理性能。

2 結果與討論

2.1 活性炭留著率測定方法的確定

在前述的三種留著率測定方法中，通過灰分灼燒法測定活性炭留著率（方法2），需要測定活性炭在高溫條件下的燒失率，然后推算活性炭在炭紙中的留著率。

分別稱取2±0.2g國產和進口活性炭，在500℃和900℃下灼燒至恒重，燒失率結果如表1、表2及圖1、圖2所示。

表1 進口與國產活性炭燒失率結果（500℃）

表2 進口與國產活性炭燒失率結果（900℃）

圖1 進口與國產活性炭燒失率結果（500℃）

圖2 進口與國產活性炭燒失率結果（900℃）

實驗結果表明，活性炭灼燒至恒重的時間較長，在900℃下國產和進口活性炭灼燒4小時左右才恒重，進口活性炭恒重燒失率為99.5%，國產活性炭恒重燒失率為84.3%。燒失率高是因為活性炭的主要成分為炭，經過高溫灼燒之后，大部分炭都已經被氧化。進口活性炭比較純凈，所以基本灼燒完全；國產活性炭含有少量雜質，因此灼燒率相對較低。以下實驗中選擇國產活性炭做后續(xù)試驗。

活性炭灼燒至恒重的時間太長，可能是因為活性炭試樣取得較多，短時間內灼燒不充分。參考GB/T 7702.15-1997煤質顆粒活性炭實驗方法-灰分的測定，精確稱取1g（精確至0.0002g）活性炭在（800±25）℃下灼燒2h，恒重后活性炭燒失率為83%，與以上實驗結果基本一致，所以在后續(xù)的實驗中選擇此方法進行活性炭灼燒。

以瓜兒膠助留實驗為例，將方法一和方法三進行比較。PAE用量為0.5%，瓜爾膠的用量分別為0.03%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%（對絕干漿料），加入順序：漿料分散→加PAE（增強）→加陽離子瓜爾膠（助留）→加活性炭粉。實驗結果見表3。

表3 活性炭留著率在方法一、三中的對比

由表3可知，隨著陽離子瓜爾膠用量的增加，系統(tǒng)Zeta電位逐步升高。但方法一和方法三中活性炭留著率數(shù)據(jù)都不呈任何規(guī)律，方法一結果整體偏低，方法三相對較高。原因在于使用動態(tài)濾水儀做留著實驗時，濾水儀的攪拌器對漿料和活性炭持續(xù)攪拌，而白水邊攪拌邊過濾，因此纖維不能在銅網上形成濾餅以阻止細小纖維和活性炭的流失，系統(tǒng)中活性炭含量太高，流出的白水濃度也有差異，所以最終活性炭流失率較大，留著率較小且相差較大。方法三中，在抄片時盡管保證了相同抄造濃度以及相同的真空抽吸時間，但是活性炭留著率仍不一樣，而且沒有任何規(guī)律，可能是因為活性炭加入量較多，真空抽吸的力度難以一致，所以活性炭流失量也不一樣。

方法一和方法三各有其缺點，但方法三在留著率實驗中簡單易行且運用比較廣泛，所以暫時以方法三進行后續(xù)試驗。

2.2 進口活性炭濾紙及相關原料的Zeta電位分析

在滿足活性炭濾紙各項物理性能指標的條件下，需對整個系統(tǒng)以及各種原料的Zeta電位進行分析，才能更好地選擇助劑及用量，從而在抄紙時有效地提高活性炭的留著率。表4為進口活性炭濾紙和相關原料的Zeta電位分析結果。

表4 Zeta電位分析結果

從檢測結果可知，進口活性炭濾紙疏解開后系統(tǒng)的Zeta電位為-23.5mV，相關漿料和活性炭的Z-eta電位也皆為負值。Zeta電位能反映系統(tǒng)的微觀穩(wěn)定性以及成紙時的均勻性，Zeta在一定程度上也影響著活性炭的留著率。當系統(tǒng)Zeta電位絕對值太大時，漿料易絮聚，成紙不均勻，從而影響成紙的各種物理指標。

2.3 PAE用量的確定

活性炭濾紙可用于水處理，需要在水中浸泡三個月，因此需要較高的濕強度。PAE樹脂作為濕強助劑在造紙中得到了廣泛的應用，且其無毒無害，是一種理想的添加劑。

PAE用量太多，易造成系統(tǒng)Zeta電位絕對值較大、纖維絮聚且活性炭留著率降低；PAE用量太少，保證不了活性炭紙在水中的濕強。因此本實驗中擬選定 PAE 用量為 0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%（絕干漿料）。實驗考察了抄紙時添加PAE對系統(tǒng)Zeta電位的影響，實驗結果如表5和圖3所示。

表5 PAE用量與系統(tǒng)Zeta電位關系

圖3 PAE用量與系統(tǒng)Zeta電位的關系

實驗結果表明，隨著PAE用量的增加，Zeta電位呈上升趨勢。且PAE的加入對系統(tǒng)Zeta電位的影響較大，當漿料中不加任何助劑時Zeta電位為-30.2mV，加入用量為0.5%（對絕干漿料）的PAE后，Zeta電位迅速升至+20.1mV。根據(jù)動電理論，系統(tǒng)Zeta電位在±10mV范圍之間時，纖維結構對填料的留著率以及系統(tǒng)的濾水效果均較好。所以PAE的用量應該低于0.5%時，才可能使系統(tǒng)Zeta電位在±10mV之間。但本實驗中加入PAE的目的主要是增加濾紙的濕強度，當PAE用量為絕干漿料的0.5%時，系統(tǒng)的Zeta電位就達到了+20.1 mV，繼續(xù)增加其用量將使系統(tǒng)Zeta電位有更多的上升，但是，PAE用量在0.5%以下時，紙張的濕強度還遠遠達不到進口紙的指標。為保證濾紙使用性能所要求的必要的濕強度，還必須采用較高的PAE用量。因此由以上數(shù)據(jù)分析后確定PAE用量為1%，而采取其它方式來降低系統(tǒng)Zeta電位。

2.4 多元聚合物助留助濾體系的選擇

在PAE用量為1%時，漿料體系成為較高的正電荷抄造體系，體系的留著將明顯下降，因此，有必要在保證濕強度的前提下，導入其它助留劑與PAE組成雙元或多元助留助濾體系，通過充分發(fā)揮各組分間的協(xié)同作用，平衡系統(tǒng)電荷，使活性炭獲得更佳的助留效果。本部分實驗對APAM單元系統(tǒng)、瓜爾膠單元系統(tǒng)、CPAM單元系統(tǒng)等在活性炭濾紙生產中對活性炭的助留效果進行了考察。

2.4.1 APAM作助留劑

由于漿料中加入PAE后，系統(tǒng)Zeta電位絕對值偏高，因此考慮加入陰離子試劑來調節(jié)系統(tǒng)Zeta電位，首先選擇APAM（法國智杰產）進行實驗。

試驗方案如下：漿料分散→加入1%PAE（增強）→加入活性炭→加APAM(助留)→攪拌后測試。

當方案為1%PAE+0.1%APAM+活性炭時，Zeta電位在±10mV之內，且其各項物性指標也滿足條件。當APAM用量大于0.1%時，系統(tǒng)漿料有不同程度的絮聚，影響抄紙的勻度。所以暫定1%PAE+0.1%APAM為實驗方案。

表6 不同APAM添加量對活性炭濾紙物理性能的影響

2.4.2 瓜爾膠作助留劑

試驗方案如下：漿料分散 → 加入1%PAE（增強）→ 加瓜爾膠(增強助留)→加入活性炭→ 攪拌后測試。

由表7可知，隨著瓜爾膠用量的增加，系統(tǒng)的Zeta電位逐漸增大，紙張的透氣度變化不大，紙張的抗張強度整體偏小，但活性炭留著率變化沒有任何規(guī)律性。

表7 不同瓜爾膠用量對活性炭濾紙物理性能的影響

2.4.3 CPAM作助留劑

試驗方案如下：漿料分散→加入1%PAE（增強）→加CPAM(增強助留)→加入活性炭→攪拌后測試

由表8可知，隨著CPAM用量的增加，紙張的抗張強度逐漸增加，且比瓜爾膠和APAM當助留劑時紙張的強度要高。由于CPAM帶正電荷，所以整個體系的Zeta電位都為正，超過Zeta電位儀的量程，Zeta電位沒有測定出來。而活性炭留著率隨著CPAM用量的增加而逐漸提高，當CPAM用量為0.3%時，留著率為72.7%。

表8 不同CPAM用量對活性炭濾紙物理性能的影響

綜合以上分析，當系統(tǒng)的Zeta電位在±10mV之內時，活性炭的留著率比較高，但是紙張的強度較差；當使用CPAM助留兼增強劑時，紙張的強度增加，但是由于系統(tǒng)的Zeta電位偏高，活性炭留著率偏低。所以使用助劑時需要綜合考慮系統(tǒng)的Zeta電位、活性炭留著率以及紙張強度之間的關系。

2.4.4 CPAM和APAM二元助留

采用CPAM和APAM二元助留。選擇CPAM用量為 0.05%，APAM用量分別為 0.1%、0.12%、0.15%時，實驗結果如表9所示。

表9 二元助留系統(tǒng)對活性炭濾紙物理性能的影響

實驗結果表明，隨著APAM用量的增加，活性炭的留著率和抗張強度沒有任何規(guī)律性，原因可能是由于體系中活性炭含量過多（活性炭：絕干漿料=1:1），導致體系中助留劑作用有限。普通用紙中，助留劑用量一般小于1%，但本實驗中當助留劑用量小于1%時，根本達不到預期的效果；當其用量增加時，系統(tǒng)中的漿料容易絮聚或者在抄造紙樣時出現(xiàn)各種紙病，而且活性炭的多微孔結構對助留劑有吸附作用，進一步削弱了助留劑的效果。

因此對于本實驗，可以考慮適當降低活性炭的加入量，在活性炭的留著率和紙張的強度之間尋找一個平衡點。如果活性炭的添加量較大，助留劑的效果不是太明顯，后續(xù)實驗將進一步研究。

3 結論

（1）通過繪制活性炭燒失率曲線，確定了紙張中活性炭含量的檢測方法。

（2）對比分析抄片法以及動態(tài)濾水儀法，選擇抄片法測定活性炭留著率。

（3）抄紙時活性炭添加量過多，將影響系統(tǒng)中助留劑的助留效果，需要綜合考慮活性炭添加量、紙張強度以及活性炭留著率之間的關系。

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2012－9－22

譯文